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闭环微加速度计系统性能分析与优化

陈炜  
【摘要】: 目前微加速度计的应用领域越来越广,甚至涉及到一些特殊领域:石油勘探、导航、地震检测等,这些领域对加速度计的性能提出了更高的要求。对高精度微加速度计的研究成为国内外关注的焦点。 本文在分析了闭环微加速度计基本工作原理和闭环动态特性的基础上,对闭环微加速度计的噪声、温漂和稳定性进行了分析和测试,并进行了优化和改进,提高加速度计的整体性能。 闭环微加速度计的噪声主要包括机械噪声和电学噪声,电学噪声主要包括前置放大器噪声、KT/C噪声、参考电压噪声和质量块随机游走噪声。为了降低系统噪声,在电路中引入CDS技术,消除前级电路部分热噪声和1/f;采用基准电压源取代开关电源来降低驱动电源的噪声。通过测试:叉指式加速计的量程为±15g ,噪声特性为8μg/ Hz。 加速计的温漂包括灵敏度温漂和零点温漂。通过ANSYS对微结构的弹性系数和阻尼系数温度特性进行分析,并通过Hspice对系统的灵敏度温漂和零点温漂进行仿真,系统的在-45℃~85℃内的灵敏度温漂小于60ppm/℃,加速度计的零点温漂小于25μg/℃。 稳定性包括系统稳定性和偏置稳定性。通过分析系统的零极点,在电路中引入PID控制器,调节系统阻尼系数,消除了由低阻尼系数引起的系统自激现象。通过分析和测试对比,发现微结构的机械零点偏差对加速度计系统的稳定性很大影响,较大的机械零点需要通过电容阵列补偿进行零位调整。叉指式加速度计的2小时偏置稳定性为0.28mg。


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