高精度加速度计电容-位移检测电路噪声分析及测试

摘要

高精度加速度计在地球物理勘探、地球重力场辅助导航等精密重力测量领域有着广泛的应用需求。然而，地球重力场的变化非常微弱，其高精度检测需求对加速度计的噪声水平提出了极为严苛的要求。电容-位移检测是高精度加速度计中常用的传感方式之一。开展高精度加速度计电容检测电路的噪声分析和实验，确定电路噪声的主要来源，减小电路噪声，对降低加速度计噪声水平、研制高精度加速度计具有重要意义。
　　本论文通过建立模型、理论计算与仿真分析、实验测试对一种典型的高精度加速度计电容-位移检测电路开展研究，最终确定了检测电路部分的主要噪声来源。典型的高精度加速度计检测电路主要包括电容位移传感电路、模拟PID控制电路、反馈执行机以及数据采集系统。首先，本文针对加速度计电容检测电路各个环节推导传递函数，并对传递函数的幅频响应曲线进行了分析，用以指导后续噪声分析与计算；然后，对每个环节的噪声进行了详细的分析论证，充分考虑了各个元器件电压噪声、电流噪声以及电阻热噪声的影响，给出了噪声曲线，并将噪声等效到加速度计的输入端进行比对，同时使用PSPICE软件进行仿真验证；最后，通过对输入端接地的方法对加速度计检测电路各环节的输出噪声进行了实验检测，测试结果证明了理论分析的正确性。其中，针对前放电路输入电压噪声en难以直接测量的问题，本论文提出了一种间接测量的方法：前放电路的输出噪声是其输入电容的一次函数，其斜率即为运放等效输入端电压噪声en与前放反馈电容Cf的比值。因此通过测量前放电路的输出噪声和其输入电容的关系，进行数据拟合即可得输入电压噪声en的真实数值。
　　分析及测试结果表明，加速度计开环检测电路的噪声主要来自运算放大器的输入电压噪声，由于该噪声的实测值约为10nV/√Hz@100KHz是其标称值的2倍，从而导致检测电路开环噪声的实验值约为理论值的2.3倍。加速度计闭环检测电路的分辨率限制在传感电路上，约为6.2ng/√Hz@0.1Hz，接近加速度计本底噪声10ng/√Hz@0.1Hz。综上，本课题通过建模计算、仿真及测试，确定了一种典型高精度加速度计电容-位移检测电路噪声的限制因素，为加速度计噪声进一步优化提供了有效参考。

目录

声明

1 绪论

1.1课题背景与意义

1.2检测电路的噪声研究

1.3本文主要研究内容

2 检测电路原理

2.1电容位移传感电路

2.2反馈执行机原理

2.3模拟PID控制原理

2.4本章小结

3 检测电路噪声理论分析

3.1电容位移传感电路噪声理论分析

3.2模拟PID控制噪声分析

3.3反馈执行机噪声分析

3.4加速度计闭环等效噪声分析

3.5本章小结

4 检测电路噪声实验测试

4.1电容-传感电路实验测试

4.2反馈执行机本底测试

4.3闭环检测电路噪声测试结果

4.4前放OPA627的en拟合

4.5本章小结

5 总结及展望

致谢

参考文献