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單軸加速度傳感器數(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。石英撓性加速度計一般采用模擬伺服電路，輸出為模擬信號，需外加開環(huán)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路才能為導(dǎo)航計算機(jī)提供數(shù)字信息，而轉(zhuǎn)換過程中將不可避免地造成精度損失，并隨時間累積。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。

單軸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。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。單軸加速度傳感器在導(dǎo)航、石油測井等場合應(yīng)用十分廣泛，其伺服電路有兩種形式，一種是裸芯片粘接在陶瓷基片上的混合厚膜集成電路，即HIC。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。可以看出，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。單軸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。

1 偏值 mg ≤20

2 偏值溫度系數(shù) μg/℃ ≤50

3 偏值月穩(wěn)定性 μg ≤80

4 標(biāo)度因數(shù) mA/g 3±0.5

5 標(biāo)度因數(shù)溫度系數(shù) ppm/℃ ≤200

6 標(biāo)度因數(shù)月穩(wěn)定性 ppm ≤10

7 量程 g 10

8 振動 g, Hz 20g(20~2000Hz)50g(50Hz)

9 沖擊 g, ms 1000g,0.5ms,1/2sin

2000g,0.5ms,1/2sin

10 工作溫度 ℃ -40~ 125, -40~ 150,-40~ 160,

11 重量 g ≤25

12 分辨率 g ≤5×10-5

特點：體積小,抗沖擊,可安裝于芯桿為1英寸的測斜儀上.

石英撓性加速度計是一種力平衡式傳感器，它將輸入加速度轉(zhuǎn)換成其撓性擺片的微小位移，并用反饋力加以平衡。單軸加速度傳感器一般為單軸力矩反饋式加速度計，通過檢測質(zhì)量來檢測外界的加速度信號，再經(jīng)伺服電路解調(diào)、放大，在輸出電流信號正比于加速度信號。單軸加速度傳感器產(chǎn)品廣泛用于航空航天導(dǎo)航系統(tǒng)、石油鉆井測斜或地質(zhì)勘探捷聯(lián)系統(tǒng)。其主要由差動電容傳感器、檢測質(zhì)量擺組件、電磁力矩器、電子放大器幾個大的部分組成。壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、水平傳感器已表現(xiàn)出成熟市場的特征。石英撓性加速度計還具有低噪聲的優(yōu)勢，也就是說輸出的信號中干擾因素比較少，這將有助于系統(tǒng)更加快捷準(zhǔn)確地提取關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

為什么石英撓性伺服加速度計的伺服電路作用

   石英撓性加速度計體積小，抗沖擊，可安裝于芯桿為1英寸的測斜儀上。該加速度計主要用于石油鉆井的隨鉆的測斜系統(tǒng)和連續(xù)測斜系統(tǒng)中，石英撓性加速度計是一種沒有溫控的干式模擬加速度計,它在較寬的環(huán)境溫度內(nèi)工作,其偏值與標(biāo)度因數(shù)隨溫度變化將嚴(yán)重影響測量精度。為降低環(huán)境溫度對加速度計測、石英加速度計主要分為石英撓性加速度計和石英振梁加速度計，都屬于精度比較高加速度計。產(chǎn)品采用專門設(shè)計的專用電路，輸出的電流與加速度輸入成正比，提供靜態(tài)和動態(tài)加速度的測量。石英撓性加速度計廣泛應(yīng)用于航空航天航海等領(lǐng)域，適用于動態(tài)測量，可以在振動下輸出姿態(tài)角或傾角。