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單軸加速度傳感器數字閉環檢測電路噪聲研究

為了解決當前數字閉環石英柔性加速度計（DCLA）測量精度及其理論極限精度存在一個數量級的問題，進行DCLA閉環檢測電路噪聲分析。建立閉環系統誤差模型，采用逐級噪聲檢測方法構建基于噪聲分離的開環噪聲測試平臺。確定差分電容檢測鏈路（C/V）是影響系統精度的主要因素。在此基礎上，測試改進的測試原型的偏差穩定性，并對測試結果進行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，需外加開環模數轉換電路才能為導航計算機提供數字信息，而轉換過程中將不可避免地造成精度損失，并隨時間累積。實驗結果表明，改進的DCLA系統的準確度從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，為進一步完善和優化數字閉環加速度計系統提供了指導和依據。

數字閉環;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，長期穩定，體積小，結構簡單等優點。它在各種慣性導航，制導，測量和控制領域中發揮著重要作用。傳統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。需要開環模數轉換電路來為導航計算機提供數字信息，并且在轉換過程中不可避免地會發生精度損失并隨著時間累積。目前，國內學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轉換電路（I/F，V/F，A/D）的改進上。單軸加速度傳感器在導航、石油測井等場合應用十分廣泛，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方案可以實現更高的轉換精度，但頻率測量芯片的使用決定了系統的轉換速率不快且成本高;對于A/D轉換方案，系統轉換精度受芯片數量的限制，特別是在信號較小的情況下，系統轉換誤差較大。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。

本文提出的基于數字閉環方案的石英柔性加速度計可以直接輸出數字量。從理論上講，開環模數轉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，可靠性高，可控性強等優點，具有廣闊的應用前景。

1 偏值 mg ≤20

2 偏值溫度系數 μg/℃ ≤50

3 偏值月穩定性 μg ≤80

4 標度因數 mA/g 3±0.5

5 標度因數溫度系數 ppm/℃ ≤200

6 標度因數月穩定性 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，通過檢測質量來檢測外界的加速度信號，再經伺服電路解調、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品廣泛用于航空航天導航系統、石油鉆井測斜或地質勘探捷聯系統。其主要由差動電容傳感器、檢測質量擺組件、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、水平傳感器已表現出成熟市場的特征。石英撓性加速度計還具有低噪聲的優勢，也就是說輸出的信號中干擾因素比較少，這將有助于系統更加快捷準確地提取關鍵數據。

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和連續測斜系統中，石英撓性加速度計是一種沒有溫控的干式模擬加速度計,它在較寬的環境溫度內工作,其偏值與標度因數隨溫度變化將嚴重影響測量精度。為降低環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。產品采用專門設計的專用電路，輸出的電流與加速度輸入成正比，提供靜態和動態加速度的測量。石英撓性加速度計廣泛應用于航空航天航海等領域，適用于動態測量，可以在振動下輸出姿態角或傾角。