單向加速度傳感器數(shù)字閉環(huán)檢測電路噪聲研究

為了解決當(dāng)前數(shù)字閉環(huán)石英柔性加速度計（DCLA）測量精度及其理論極限精度存在一個數(shù)量級的問題，進(jìn)行DCLA閉環(huán)檢測電路噪聲分析。建立閉環(huán)系統(tǒng)誤差模型，采用逐級噪聲檢測方法構(gòu)建基于噪聲分離的開環(huán)噪聲測試平臺。確定差分電容檢測鏈路（C/V）是影響系統(tǒng)精度的主要因素。在此基礎(chǔ)上，測試改進(jìn)的測試原型的偏差穩(wěn)定性，并對測試結(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。實驗結(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;檢測電路;噪聲分析。

單向加速度傳感器具有精度高，長期穩(wěn)定，體積小，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。它在各種慣性導(dǎo)航，制導(dǎo)，測量和控制領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。傳統(tǒng)的石英柔性加速度計一般采用模擬伺服電路，輸出為模擬信號。需要開環(huán)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路來為導(dǎo)航計算機(jī)提供數(shù)字信息，并且在轉(zhuǎn)換過程中不可避免地會發(fā)生精度損失并隨著時間累積。對于A/D轉(zhuǎn)換方案，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換精度受芯片數(shù)量的限制，特別是在信號較小的情況下，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換誤差較大。目前，國內(nèi)學(xué)者對石英柔性加速度計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方案可以實現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)換精度，但頻率測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，特別是在信號較小的情況下，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換誤差較大?？梢钥闯?，模擬石英柔性加速度計對所用器件的依賴性很大，難以解決精度損失的問題。

本文提出的基于數(shù)字閉環(huán)方案的石英柔性加速度計可以直接輸出數(shù)字量。從理論上講，開環(huán)模數(shù)轉(zhuǎn)換不會造成精度損失，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，具有廣闊的應(yīng)用前景。

傳統(tǒng)線加速度計包括液浮擺式加速度計、石英撓性加速度計等加速度計在其他領(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)臺和平臺的調(diào)平系統(tǒng)、地質(zhì)探礦鉆孔測斜系統(tǒng)、路橋監(jiān)測系統(tǒng)、機(jī)器人狀態(tài)控制系統(tǒng)、過載限制系統(tǒng)、鉆井控制系統(tǒng)和運(yùn)動員輔助訓(xùn)練系統(tǒng)等，其市場需求很大。加速度計的類型較多，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，其具有緊湊、可靠、精度高和動態(tài)范圍寬等特點。在嫦娥四號的任務(wù)中，晶體元器件為工程的發(fā)射、測控、在軌飛行、著陸等提供了穩(wěn)定、可靠的頻率信號，嫦娥四號的頻率信號如同人體的脈搏，脈搏的穩(wěn)定是她穩(wěn)定正常工作的前提。

   石英撓性加速度計用于有空間限制的運(yùn)動物體的加速度測量系統(tǒng)中。石英撓性加速度計按其應(yīng)用分為：船用，航空航天用，車載等。若是船用，尤其是用于水下，對姿態(tài)的要求較高，要求慣性導(dǎo)航設(shè)備運(yùn)行時間長，因此需要選用精度較高的產(chǎn)品，若是航空航天用，此類導(dǎo)航系統(tǒng)大多數(shù)連續(xù)運(yùn)行時間短，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內(nèi)專業(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)、角度測量、單向加速度傳感器產(chǎn)品的研究、設(shè)計、生產(chǎn)和試驗。石英撓性加速度計可應(yīng)用于各種線加速度、振動加速度的測量，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)測量?！　皣?yán)謹(jǐn)、求實、創(chuàng)新、發(fā)展”是公司的基本理念。公司依托航天科技實力，發(fā)揮航天創(chuàng)業(yè)精神，不斷地提高核心競爭能力，加強(qiáng)自主創(chuàng)新，隨時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：通過這個加速度傳感器，可以測量手機(jī)或者是手環(huán)在三個不同方向上的加速度。通過對加速度的值進(jìn)行計算，就可以大概測出走路的步數(shù)。加速度傳感器還可以應(yīng)用在橋梁的健康監(jiān)測中、汽車領(lǐng)域和硬盤抗沖擊防護(hù)實驗中。以汽車為例，它可以應(yīng)用在汽車碰撞試驗、汽車安全氣囊（Airbag）、ABS防抱死剎車系統(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，稱為合成石英玻璃（Syntheticfusedsilica）。石英撓性加速度計結(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，用無心磨床加工。石英撓性加速度計加速度引起的差動電容變化量C，由伺服電路中差動電容檢測器檢測，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。