單向加速度傳感器數(shù)字閉環(huán)檢測(cè)電路噪聲研究

為了解決當(dāng)前數(shù)字閉環(huán)石英柔性加速度計(jì)（DCLA）測(cè)量精度及其理論極限精度存在一個(gè)數(shù)量級(jí)的問(wèn)題，進(jìn)行DCLA閉環(huán)檢測(cè)電路噪聲分析。建立閉環(huán)系統(tǒng)誤差模型，采用逐級(jí)噪聲檢測(cè)方法構(gòu)建基于噪聲分離的開(kāi)環(huán)噪聲測(cè)試平臺(tái)。確定差分電容檢測(cè)鏈路（C/V）是影響系統(tǒng)精度的主要因素。在此基礎(chǔ)上，測(cè)試改進(jìn)的測(cè)試原型的偏差穩(wěn)定性，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行Allan方差分析。該振蕩用于調(diào)制另一組差分電極之間的電容差異，該差分電極僅用于加速度感測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)的DCLA系統(tǒng)的準(zhǔn)確度從65.49μg提高到12.24μg，與理論精度基本一致。充分驗(yàn)證了理論分析方法的正確性，為進(jìn)一步完善和優(yōu)化數(shù)字閉環(huán)加速度計(jì)系統(tǒng)提供了指導(dǎo)和依據(jù)。

數(shù)字閉環(huán);石英加速度計(jì);檢測(cè)電路;噪聲分析。

單向加速度傳感器具有精度高，長(zhǎng)期穩(wěn)定，體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。它在各種慣性導(dǎo)航，制導(dǎo)，測(cè)量和控制領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。傳統(tǒng)的石英柔性加速度計(jì)一般采用模擬伺服電路，輸出為模擬信號(hào)。需要開(kāi)環(huán)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路來(lái)為導(dǎo)航計(jì)算機(jī)提供數(shù)字信息，并且在轉(zhuǎn)換過(guò)程中不可避免地會(huì)發(fā)生精度損失并隨著時(shí)間累積。對(duì)于A/D轉(zhuǎn)換方案，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換精度受芯片數(shù)量的限制，特別是在信號(hào)較小的情況下，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換誤差較大。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)石英柔性加速度計(jì)的研究主要集中在儀表元件和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路（I/F，V/F，A/D）的改進(jìn)上。盡管I/F和V/F方案可以實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)換精度，但頻率測(cè)量芯片的使用決定了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換速率不快且成本高;對(duì)于A/D轉(zhuǎn)換方案，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換精度受芯片數(shù)量的限制，特別是在信號(hào)較小的情況下，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換誤差較大。可以看出，模擬石英柔性加速度計(jì)對(duì)所用器件的依賴(lài)性很大，難以解決精度損失的問(wèn)題。

本文提出的基于數(shù)字閉環(huán)方案的石英柔性加速度計(jì)可以直接輸出數(shù)字量。從理論上講，開(kāi)環(huán)模數(shù)轉(zhuǎn)換不會(huì)造成精度損失，并且由于使用了模擬電流反饋，因此可以避免脈沖引起的增加。單向加速度傳感器具有抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

傳統(tǒng)線(xiàn)加速度計(jì)包括液浮擺式加速度計(jì)、石英撓性加速度計(jì)等加速度計(jì)在其他領(lǐng)域有著廣泛的用途，如飛行器的控制和導(dǎo)航系統(tǒng)、各種基準(zhǔn)臺(tái)和平臺(tái)的調(diào)平系統(tǒng)、地質(zhì)探礦鉆孔測(cè)斜系統(tǒng)、路橋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、機(jī)器人狀態(tài)控制系統(tǒng)、過(guò)載限制系統(tǒng)、鉆井控制系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)員輔助訓(xùn)練系統(tǒng)等，其市場(chǎng)需求很大。加速度計(jì)的類(lèi)型較多，根據(jù)其構(gòu)造形式可分為機(jī)械的和固態(tài)的，單向加速度傳感器屬于機(jī)械敏感器——力反饋擺式加速度計(jì)，其具有緊湊、可靠、精度高和動(dòng)態(tài)范圍寬等特點(diǎn)。在嫦娥四號(hào)的任務(wù)中，晶體元器件為工程的發(fā)射、測(cè)控、在軌飛行、著陸等提供了穩(wěn)定、可靠的頻率信號(hào)，嫦娥四號(hào)的頻率信號(hào)如同人體的脈搏，脈搏的穩(wěn)定是她穩(wěn)定正常工作的前提。

   石英撓性加速度計(jì)用于有空間限制的運(yùn)動(dòng)物體的加速度測(cè)量系統(tǒng)中。石英撓性加速度計(jì)按其應(yīng)用分為：船用，航空航天用，車(chē)載等。若是船用，尤其是用于水下，對(duì)姿態(tài)的要求較高，要求慣性導(dǎo)航設(shè)備運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，因此需要選用精度較高的產(chǎn)品，若是航空航天用，此類(lèi)導(dǎo)航系統(tǒng)大多數(shù)連續(xù)運(yùn)行時(shí)間短，精度要求低，但需要較大量程。廊坊市航新儀器儀表有限公司是國(guó)內(nèi)專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)和研發(fā)導(dǎo)航系統(tǒng)及器件的高技術(shù)企業(yè)，幾十年一直從事慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、角度測(cè)量、單向加速度傳感器產(chǎn)品的研究、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和試驗(yàn)。石英撓性加速度計(jì)可應(yīng)用于各種線(xiàn)加速度、振動(dòng)加速度的測(cè)量，經(jīng)轉(zhuǎn)換后可應(yīng)用于速度、距離、角速度、角位移等參數(shù)測(cè)量?！　皣?yán)謹(jǐn)、求實(shí)、創(chuàng)新、發(fā)展”是公司的基本理念。公司依托航天科技實(shí)力，發(fā)揮航天創(chuàng)業(yè)精神，不斷地提高核心競(jìng)爭(zhēng)能力，加強(qiáng)自主創(chuàng)新，隨時(shí)了解及跟蹤世界前沿技術(shù)，技術(shù)水平一直居于行業(yè)先進(jìn)地位。

加速度傳感器有很多種，加速度傳感器的原理：通過(guò)這個(gè)加速度傳感器，可以測(cè)量手機(jī)或者是手環(huán)在三個(gè)不同方向上的加速度。通過(guò)對(duì)加速度的值進(jìn)行計(jì)算，就可以大概測(cè)出走路的步數(shù)。加速度傳感器還可以應(yīng)用在橋梁的健康監(jiān)測(cè)中、汽車(chē)領(lǐng)域和硬盤(pán)抗沖擊防護(hù)實(shí)驗(yàn)中。以汽車(chē)為例，它可以應(yīng)用在汽車(chē)碰撞試驗(yàn)、汽車(chē)安全氣囊（Airbag）、ABS防抱死剎車(chē)系統(tǒng)、電子穩(wěn)定程序（ESP）、電控懸掛系統(tǒng)等。普通石英玻璃是用天然水晶或硅石作原料經(jīng)高溫熔制而成的，高純優(yōu)質(zhì)石英玻璃則使用無(wú)機(jī)或有機(jī)含硅的液體化合物經(jīng)火焰水解合成工藝制成，稱(chēng)為合成石英玻璃（Syntheticfusedsilica）。石英撓性加速度計(jì)結(jié)構(gòu) 軛鐵由溫度系數(shù)低，導(dǎo)磁性能好的軟磁材料組成。磁鋼采用導(dǎo)磁性能比較良好的AL-Ni-Co8永磁材料，用無(wú)心磨床加工。石英撓性加速度計(jì)加速度引起的差動(dòng)電容變化量C，由伺服電路中差動(dòng)電容檢測(cè)器檢測(cè)，其輸出為電流，此電流經(jīng)電流積分器變成輸出電壓，然后跨導(dǎo)補(bǔ)償放大器把電壓變成輸出電流，該輸出電流的大小與輸入加速度成正比。