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星载硅微静电加速度计的设计与噪声分析

段光武  
【摘要】:传统静电加速度计通过敏感检验质量和极板形成的差动电容来检测检验质量的位移和转动,然后利用力/力矩平衡回路实现检验质量的六自由度悬浮。由于检验质量无任何机械接触,静电加速度计的灵敏度、刚度、带宽和量程灵活可调,可以同时测量三轴线加速度和三轴角加速度,特别适于空间微重力环境的微弱加速度测量。 硅微静电加速度计是将MEMS加工技术应用于静电加速度计。不但具有传统静电加速度计的特点,而且具有体积小、重量轻、功耗低、集成度高的优点,适于对体积和重量有严格要求的微型航天器。本文针对地面实验和空间应用设计了两种结构的硅微静电加速度计,并对一些关键技术进行了研究。研究内容主要包括: 推导了用于检验质量六自由度运动控制的数学模型。包括六自由度的电容模型和静电力/力矩模型,对建立的模型进行了误差分析和线性化。在检验质量位移达到20%时,线性模型误差小于4.0%。利用有限元方法计算了检验质量六自由度运动的压膜阻尼系数。由于检验质量厚度受体硅工艺限制,使得轴向平动的阻尼系数远较径向平动大两个数量级。对检验质量六自由度运动的力/力矩平衡回路进行了设计与仿真。针对地面实验的静电加速度计,轴向和径向的量程分别为7.7g和2.6g,闭环带宽分别为727Hz和1.886kHz。针对空间应用的静电加速度计,轴向和径向的量程分别为0.71mg和0.90mg,闭环带宽分别为47Hz和24Hz。 从空间环境、敏感结构和位移检测电路三个方面分析了加速度的噪声,分析表明设计的空间加速度计的噪声水平为10~(-6)ms~(-2)/Hz~(1/2)。 针对基于变压器电桥和电荷放大器的两种电容式位移检测方案,分别设计了载波频率为100KHz和1MHz的位移检测电路,采用理论仿真和实验相结合的方法优化了电路参数。仿真和测试表明,位移检测信号的低频噪声(0.1Hz以下)由低通滤波器和模拟乘法器决定,中频噪声(0.1Hz至测量带宽)由电荷放大器决定。对电路噪声、长时间稳定性及分布电容的抑制能力等性能进行了测试。测试结果表明,对于硅微静电加速度计,应优选电荷放大器和高频(1MHz)激励方案。


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