旋转弹用MEMS陀螺微小电容检测电路设计

摘要

由于高旋弹药具有高过载、高动态和空间小等特点，传统陀螺仪在量程、体积、动态特性和抗过载等方面不适用于高旋弹药的弹载姿态测量。针对高旋弹药弹载姿态测量困难的问题，本课题组结合高旋弹药飞行过程中轴向转速高的特点，设计了以弹体轴向旋转作为驱动的新型旋转弹用MEMS陀螺仪。该陀螺仪具有成本低、体积小、量程高和抗过载能力强等优点，有很好的应用前景。为了降低温度非线性、减少干扰加速度的影响和简化制作工艺，新型MEMS陀螺仪采用差分电容方式敏感角速率信号。由于该陀螺仪电容变化量小，输出信号非常微弱，准确获取电容变化量成为该陀螺仪信号提取的关键技术。本文以高精度电容检测电路为研究目标，主要开展了新型陀螺仪工作原理及其电学特性分析、静态电容检测电路和动态电容检测电路的设计与测试、陀螺仪微小电容相关特性测试与分析等工作。
　　首先，本文通过对旋转弹用MEMS陀螺仪的原理和动力学模型的分析，详细说明了旋转弹用MEMS陀螺仪信号输出特点。根据高旋弹药的典型运动参数和旋转弹用MEMS陀螺仪的结构参数，分析了该陀螺仪的电学特性，为后续检测电路的设计提出了指标要求。
　　其次，由于实际加工工艺造成新陀螺仪尺寸与理论尺寸不完全相同，导致两极板间的电容值不匹配，从而影响陀螺仪输出信号的检测。针对上述问题，本文设计了以电容检测芯片AD7747为核心的静态电容检测电路，以该电路对新型陀螺仪的极板间电容进行检测和配平。通过实验表明：静态电容检测系统在性能和指标上能够满足设计要求。
　　然后，在分析了多种微小电容检测原理的优缺点基础上，针对旋转弹用MEMS陀螺仪电容信号变化的特点，采用了充放电法进行电容检测电路的设计。动态电容检测电路由C-V转化模块、载波模块、信号调理模块和滤波模块等组成。通过仿真、模块实验验证动态电容检测电路能够达到设计要求。并通过静态电容完成了该电路的标定。
　　最后，通过静态电容检测电路和动态电容检测电路分别对旋转弹用MEMS陀螺仪的电容特性和角速率敏感特性进行了相应的检测。检测结果表明：所设计的静态和动态检测电路能够完成陀螺仪输出信号的提取。同时，旋转弹用MEMS陀螺仪的输出信号与理论分析一致，能够实现角速率的检测。
　　综上所述，本文所设计的静态电容检测电路和动态电容检测电路能够满足新型陀螺仪的测试需求，为以后新型陀螺仪的测试与优化设计打下了良好基础。同时，本文所设计的电容检测电路不仅可以用于新型MEMS陀螺仪的信号检测，还可以用于其它电容信号检测领域，有很好的工程实用价值。

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第一章 绪论

1.1 论文的背景及意义

1.2 国内外研究和发展现状

1.3 论文的主要内容及章节安排

第二章 旋转弹用MEMS陀螺仪的原理及其电学特性分析

2.1 旋转弹用MEMS陀螺仪基本原理

2.2 旋转弹用MEMS陀螺仪动力学模型和动力学参数

2.3 旋转弹用MEMS陀螺仪电学特性分析

2.4 本章小结

第三章 静态电容检测系统设计与测试

3.1 静态电容检测系统总体设计

3.2 静态电容检测系统的性能测试

3.3 本章小节

第四章 动态检测电路设计

4.1 微小电容检测的方法介绍

4.2动态电容检测电路整体设计方案

4.3 动态电容检测电路的测试

4.4 本章小结

第五章 旋转弹用MEMS陀螺仪输出特性测试和相关实验

5.1 旋转弹用MEMS陀螺仪电容特性测试

5.2 旋转弹用MEMS陀螺仪角速率敏感特性

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文工作总结

6.2 未来工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及取得的成果

致谢