高精度微机械电容式加速度计温度补偿与闭环系统优化研究

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微机械加速度计是一种基于硅微加工技术的用于测量加速度信息的惯性传感器,有着尺寸小、功耗低、与集成电路兼容性好、易于批量生产等优点,目前已广泛应用于民用和军用的各种领域。本论文主要围绕高精度电容式微机械加速度计工程化中的实时在线温度补偿与闭环系统参数优化展开研究:针对加速度计零偏随温度漂移的现象,提出了一种基于加速度计谐振频率信息的实时温度补偿方案;以降低加速度计功耗为目标,设计并实现了基于环形二极管电容检测的单板模拟型电路方案;设计了加速度计的幅频和相频特性的自动测试系统,能快速标定加速度计的开环特性,并在此基础上进行闭环系统优化。主要工作内容及成果包括以下几个方面:1)从工程应用的角度,分析并比较了双路载波调制型及环形二极管解调型两种电容检测方案各自的优缺点,并对两种方案分别进行了小型化电路实现以及测试比较。采用环形二极管检测的单板模拟型开环加速度计,与原双路载波调制型开环加速度计相比,电路形式更为简单,功耗降低了 85%以上,目前的噪声和稳定性最优指标为单位带宽噪声等效加速度12.6 μg/√Hz,偏置不稳定性5.9μg;2)提出了 一种基于加速度计谐振频率的实时温度补偿方案,该方案在加速度计环路中加入额外的锁相环实时监测加速度计的谐振频率从而获得加速度计的温度信息,并利用该信息对加速度计的输出零偏进行实时补偿。测试结果表明补偿算法使得加速度计的零偏温度一次项系数从3.54 mg/℃降低至0.05 mg/℃。Allan方差分析显示,补偿方案显著地降低了曲线中的温度斜坡,加速度斜坡分量从补偿前的35 μg降低至2.4μg,且系统的偏置不稳定性低至1.6 μg;3)针对微机械加工误差导致加速度计的动力学参数存在较大波动而使得单个加速度计的力平衡闭环参数需要人工调校的情况,设计了加速度计动力学参数的自动扫频测试方案,快速获得加速度计的开环传递函数特性,为以后加速度计的批量校调与快速闭环打下基础。在扫频测试的基础上,在基于环形二极管检测方案的加速度计系统中进行开环特性分析与闭环研究,理论开环参数与实测特性的吻合度非常高,并据此有针对性地设计出优化开环传递函数零极点的PI控制器进行闭环控制。闭环优化过程中加速度计的闭环带宽设计值为37 Hz,实际的闭环特性同样利用自动扫频方案进行测试,实测带宽37.2 Hz。
致谢第4-5页
摘要第5-7页
ABSTRACT第7-8页
1.绪论第11-27页
    1.1 微机械加速度计概述第11-13页
        1.1.1 微机械加速度计的定义及特点第11-12页
        1.1.2 微机械加速度计的分类第12-13页
    1.2 微机械加速度计的工作原理和性能指标第13-16页
        1.2.1 加速度计动力学模型第13-14页
        1.2.2 微机械加速度计的性能指标第14-15页
        1.2.3 Allan方差第15-16页
    1.3 微机械加速度计温度补偿技术综述第16-20页
    1.4 微机械加速度计闭环技术综述第20-24页
        1.4.1 两种主流闭环方式的比较第20-21页
        1.4.2 两种主流闭环方式的实际应用第21-24页
    1.5 论文的意义及主要工作第24-27页
2.闭环电容式微机械加速度计的原理及系统电路第27-39页
    2.1 微机械加速度计的系统结构第27页
    2.2 变面积电容式加速度计器件结构第27-29页
    2.3 力平衡反馈电路第29-30页
    2.4 两种电容检测电路及系统实现第30-37页
        2.4.1 双路载波调制型CV电路及其系统第30-33页
        2.4.2 环形二极管解调型CV电路及其系统第33-37页
    2.5 本章小结第37-39页
3.一种实时的闭环电容式加速度计温度补偿方案第39-53页
    3.1 基于谐振频率的实时温度补偿方案原理第40-43页
    3.2 谐振状态下加速度计的Simulink仿真结果第43-46页
    3.3 温度补偿算法的实测结果第46-51页
    3.4 本章小结第51-53页
4.基于环形二极管检测方案的加速度计闭环研究第53-71页
    4.1 加速度计系统的闭环特性理论建模第54-55页
    4.2 加速度计系统的开环特性测量方法第55-59页
    4.3 两种PI校正电路的设计第59-70页
        4.3.1 控制系统中典型环节的频率特性第59-62页
        4.3.2 一级PI校正电路第62-66页
        4.3.3 二级PI校正电路第66-70页
    4.4 本章小结第70-71页
5.基于环形二极管检测方案的加速度计系统测试与分析第71-81页
    5.1 加速度计闭环带宽测试第71-73页
    5.2 加速度计开环线性度与零偏测试第73-77页
    5.3 加速度计闭环线性度与零偏测试第77-80页
    5.4 本章小结第80-81页
6.总结与展望第81-83页
    6.1 总结第81-82页
    6.2 展望第82-83页
参考文献第83-85页
作者简历及在学期间所取得的科研成果第85页
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