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石英撓性加速度計(jì)精度提升關(guān)鍵技術(shù)研究

發(fā)布時(shí)間:2021-03-06 05:40
  石英撓性加速度計(jì)以其精度高、體積小、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在高精度慣性導(dǎo)航領(lǐng)域。傳統(tǒng)的模擬式石英撓性加速度計(jì)通過開環(huán)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將數(shù)字加速度信息傳給導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的過程中易引入噪聲,導(dǎo)致性能急劇下降;現(xiàn)有的數(shù)字伺服回路技術(shù)方案都是采用表頭與伺服回路分離的方式,遠(yuǎn)距離傳輸電容信號(hào)易受干擾。因此,高精度、高集成度、數(shù)字化輸出是石英撓性加速度傳感器發(fā)展的必然趨勢。針對上述問題,本論文在研究精度提升技術(shù)的基礎(chǔ)上兼顧集成度,設(shè)計(jì)了數(shù)字式伺服回路,并針對回路中作為噪聲主要來源的電容檢測電路進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì),最終完成加速度計(jì)樣機(jī)的研制和測試。主要研究內(nèi)容如下:1)數(shù)字閉環(huán)伺服回路方案研究與誤差分析。根據(jù)高精度加速度計(jì)的使用需求,完成電容檢測模塊、數(shù)字控制器模塊、反饋驅(qū)動(dòng)模塊的方案設(shè)計(jì),并完成數(shù)字伺服回路的電路設(shè)計(jì)及調(diào)試。理論分析各模塊誤差,并進(jìn)行系統(tǒng)噪聲分級(jí)測試,確定電容檢測電路噪聲是影響系統(tǒng)精度最主要的因素。2)石英撓性加速度計(jì)電容檢測方案分析與性能對比。根據(jù)差動(dòng)電容傳感器的工作特性,選取適用于石英撓性加速度計(jì)的幾種電容檢測方案進(jìn)行詳細(xì)的原理介紹。建立了不同方案的噪聲模型,進(jìn)行噪聲的理論推導(dǎo)和計(jì)... 

【文章來源】:浙江大學(xué)浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】:93 頁

【學(xué)位級(jí)別】:碩士

【部分圖文】:

石英撓性加速度計(jì)精度提升關(guān)鍵技術(shù)研究


圖1.2諧振法測量原理圖和輸出幅頻曲線??2006年,曰本早稻田大學(xué)的TakahiroMATSUO等人設(shè)計(jì)了一種基于二極管-??

調(diào)制解調(diào),檢測電路,載波,電容


提出了?一種新型“夾層”結(jié)??構(gòu)的諧振式電容檢測法作為MEMS加速度計(jì)的差分電容讀取電路,兩個(gè)差分電??容分別在參數(shù)對稱的諧振單元中發(fā)生諧振,采用鎖相環(huán)作為諧振檢測器[55]。經(jīng)測??試,平衡電容為17pF時(shí),分辨率可達(dá)O.lff,帶寬35.7Hz。??1.2.2.3調(diào)制解調(diào)法??調(diào)制解調(diào)型電容檢測電路是一種交流橋式檢測電路,一般分為雙載波調(diào)制解??調(diào)型電路和單載波調(diào)制解調(diào)型電路15?58]。??I__I?=?^??a)雙載波調(diào)制解調(diào)型電路?b>單載波調(diào)制解調(diào)型電路??圖1.3調(diào)制解調(diào)型檢測電路??雙載波調(diào)制解調(diào)型電路的測量原理如圖1.3?a)所示。將兩路幅值相同、頻率??相同、相位相反的高頻載波接到差分電容對的兩端,將電容變化調(diào)制到載波信號(hào)??幅度上去。該方案電路設(shè)計(jì)簡單,但要求載波信號(hào)的嚴(yán)格對稱,在實(shí)際工程設(shè)計(jì)??中實(shí)現(xiàn)難度較大15<M1]。??單載波調(diào)制解調(diào)型電路的測量原理如圖1.3?b)所示。將一路高頻載波接入差??分電容對的中間抽頭,兩個(gè)定極板則接到兩路完全對稱的檢流器上,同樣完成電??容信號(hào)的幅度調(diào)制。該方案只需單一載波,雖然要求兩路檢流器嚴(yán)格對稱,但-??般選取一片雙運(yùn)放芯片能較容易地滿足對稱性需求,因而更具有可行性162]。??2001年,美國Irvine?Sensors公司研制的MS3110電容讀取芯片是一■款基于??雙載波調(diào)制解調(diào)方案的可編程集成芯片|W|。該芯片可工作在單電容測量或差分??電容測量模式,片內(nèi)集成虛擬電容,用于初始校準(zhǔn)或差分電容的微調(diào)。電容測量??范圍為0.2pF?10pF,分辨率可達(dá)4aF/VS^。??2018年,哈爾濱工業(yè)大學(xué)的周子坤提出了?一種基于單載波調(diào)制解調(diào)型

結(jié)構(gòu)圖,芬蘭,檢測電路,大學(xué)


位論文???用的大多數(shù)單載波調(diào)制解調(diào)方案不同,由于電流信號(hào)在長距離傳輸過程中抗干擾??能力更強(qiáng),該方案將微小電容轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)而不是電壓信號(hào)。經(jīng)測試,擺片偏??轉(zhuǎn)角信號(hào)所攜帶的加性噪聲有效值為164.54pV(RMS),伺服回路輸出等效電壓噪??聲約為84.17nV(RMS),零偏穩(wěn)定性為25嗎(lh),分辨力為lOjig。??1.2.2.4開關(guān)電容法??開關(guān)型電容檢測法本質(zhì)上是一種充放電式檢測方法,主要由高速模擬開關(guān)、??電荷放大電路、采樣保持跟隨器等部分組成,測量電路結(jié)構(gòu)圖如圖1.4所示。兩??路同頻、反相的時(shí)鐘信號(hào)控制一對模擬開關(guān)組,對G、C2、C3、C/進(jìn)行循環(huán)充放??電,將Ci、的電容變化量轉(zhuǎn)換為電壓變化量[65_7()]。??+?Vre/°??T ̄ ̄^|?|?? ̄??54?c'?cf??A?-Hh-??? ̄V,r〇 ̄ ̄5。 ̄ ̄T——11 ̄ ̄??丄?JL?X?3??圖1.4開關(guān)型檢測電路??2012年,芬蘭阿爾托大學(xué)的YucetasM等人設(shè)計(jì)了?一種混合接口拓?fù)涞??MEMS伺服電路,采用自平衡電橋(Self-Balancing?Bridge,?SBB)方案設(shè)計(jì)電容檢??測讀取模塊,結(jié)合AD轉(zhuǎn)換器,可以獲得低電源靈敏度的數(shù)字輸出[71]。傳感器的??噪聲下限約為帶寬200Hz,最大直流非線性度小于1.3%。??2015年,西安電子科技大學(xué)的李騰提出一種具有連續(xù)可變分辨率的開關(guān)型電??容檢測方法,在傳感器電容跨度達(dá)到100倍的情況下始終保持0.03%的相對分辨??率,同時(shí)測量誤差始終小于5%[72]。??1.2.2.5?小結(jié)??電容式加速度計(jì)讀出電路的優(yōu)化方向本質(zhì)上是電容式微位移測量電路的優(yōu)?

【參考文獻(xiàn)】:
期刊論文
[1]石英撓性加速度計(jì)表頭力矩器噪聲模型研究[J]. 剛煜,王永建,趙鵬,賀慧勇,唐立軍.  傳感器與微系統(tǒng). 2018(03)
[2]一種彈性膠粘劑在石英加速度計(jì)中的應(yīng)用[J]. 郭祎,李納,祝漢岐,章培成.  導(dǎo)航與控制. 2017(04)
[3]基于FPGA的二元脈沖調(diào)寬力反饋電路[J]. 王永彤,朱志剛,張沛晗,王龍.  導(dǎo)航與控制. 2017(02)
[4]石英撓性加速度計(jì)數(shù)字閉環(huán)檢測電路噪聲研究[J]. 張聲艷,劉冬,馮忠偉,陳玉坤.  微型機(jī)與應(yīng)用. 2016(21)
[5]加速度計(jì)靜態(tài)模型的辨識(shí)[J]. 董雪明,代潔,楊海龍,陳維.  計(jì)測技術(shù). 2016(S1)
[6]石英撓性加速度計(jì)數(shù)字閉環(huán)控制研究[J]. 朱海燕,葉凌云,彭皓嵐,馬才偉.  傳感器與微系統(tǒng). 2015(08)
[7]石英撓性加速度計(jì)輸出噪聲特性分析[J]. 侯文超,劉曉東,吳畏,王得信.  艦船電子工程. 2015(03)
[8]鈹材在高精度石英撓性加速度計(jì)上的應(yīng)用[J]. 王曉東,宋雪杰,章培成,常江.  導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù). 2015(01)
[9]全數(shù)字撓性加速度計(jì)加矩設(shè)計(jì)與讀出精度分析[J]. 文一青,賀慧勇,唐立軍,趙丹,王燕,商梅雪,劉文,曾鵬飛.  機(jī)電工程. 2014(08)
[10]適用于高精度慣性平臺(tái)系統(tǒng)的精密加矩電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 張艷霞,高桂杰,李洪偉,王二偉.  導(dǎo)航與控制. 2014 (04)

博士論文
[1]諧振式傳感器輸出信號(hào)的高分辨率測量技術(shù)研究[D]. 張偉玉.天津大學(xué) 2013
[2]靜電剛度諧振式微加速度計(jì)相關(guān)技術(shù)研究[D]. 劉恒.重慶大學(xué) 2011

碩士論文
[1]高精度低頻石英撓性加速度計(jì)信號(hào)處理技術(shù)研究[D]. 周子坤.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2018
[2]高精度全數(shù)字式超低頻石英撓性加速度計(jì)研制[D]. 姜宏蕾.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2016
[3]加速度傳感器數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 陳大志.西南科技大學(xué) 2016
[4]基于振動(dòng)分析的石英撓性加速度計(jì)辨識(shí)研究[D]. 孫飛.西南科技大學(xué) 2016
[5]基于石英加速度傳感器的加速度測量系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 郁然.哈爾濱工程大學(xué) 2016
[6]具有連續(xù)可變分辨率的電容傳感器電容差檢測方法研究[D]. 李騰.西安電子科技大學(xué) 2015
[7]石英撓性加速度計(jì)參數(shù)估計(jì)與誤差補(bǔ)償研究[D]. 廖玲.西南科技大學(xué) 2015
[8]電容式加速度傳感器檢測電路的設(shè)計(jì)與研究[D]. 孫杰.復(fù)旦大學(xué) 2013
[9]基于模型辨識(shí)的石英撓性加速度計(jì)控制回路設(shè)計(jì)[D]. 毛偉玲.天津大學(xué) 2012
[10]石英撓性加速度計(jì)力矩器熱磁耦合仿真與試驗(yàn)研究[D]. 唐永超.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2012



本文編號(hào):3066534

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