高精度電容式數(shù)字化微機械加速度計系統(tǒng)的研究與設(shè)計.pdf

1、微機械加速度計由微機械加速度傳感器與外圍檢測電路兩部分組成。微機械加速度傳感器是微機械加速度計最核心的部分，對加速度計的性能起著關(guān)鍵作用。微機械加速度傳感器是用來測量線加速度慣性傳感器件，可以應(yīng)用于慣性力、傾斜角、振動及沖擊等慣性參數(shù)的測量。微機械加速度計在慣性制導(dǎo)、汽車、消費電子、地質(zhì)等方面有著非常廣泛的應(yīng)用前景。電容檢測式微機械加速度計具有較高的靈敏度、較好的線性度和以及較好的穩(wěn)定性，因此在多種檢測形式的加速度計中備受關(guān)注。電容檢測

2、式微機械加速度計包括電容式微機械傳感芯片以及電容檢測電路，在微機械傳感器確定的基礎(chǔ)上，電容檢測電路的性能就直接決定了加速度計系統(tǒng)的最終輸出性能。本文針對變面積電容檢測式微機械加速度傳感器，設(shè)計了高精度、大量程的單路載波調(diào)制型檢測電路，同時為了更好的了解整個系統(tǒng)的工作過程，本文也簡要分析了加速度傳感器的參數(shù)設(shè)計對整個系統(tǒng)靈敏度、分辨率等性能指標的影響。本文主要圍繞著提高微機械加速度計系統(tǒng)的分辨率、擴大其量程以及改善其穩(wěn)定性這些研究內(nèi)容，為

3、高精度、大量程的電容式微機械加速度傳感器以及外圍電容檢測電路的合理設(shè)計、參數(shù)優(yōu)化提供了理論依據(jù)以及相應(yīng)的實際經(jīng)驗，對其今后的實用化、工程化具有一定參考意義。本文主要工作包括以下內(nèi)容：
　　 ⑴針對高精度、大量程的電容式微機械加速度計，設(shè)計了電容檢測電路。通過對加速度計系統(tǒng)的整體與各個組成部分的噪聲性能的分析，提出了將系統(tǒng)增益前移，選擇更優(yōu)的低噪聲芯片，將模擬帶通濾波器改為數(shù)字帶通濾波器等方法，提高了系統(tǒng)的分辨率。通過對加速度計系

4、統(tǒng)的整體與各個組成部分對量程限制的分析，并根據(jù)使用過程中，在較大加速度輸入時，分辨率可以適當降低的實際情況，設(shè)計了量程分檔的電路方案，既可以保證加速度計系統(tǒng)擁有大量程，也可以保證加速度計系統(tǒng)在相對較小加速度輸入的情況下?lián)碛泻芨叩姆直媛省?br>　　 ⑵針對加速度計系統(tǒng)受溫度影響較大的特點，為提高加速度計系統(tǒng)的穩(wěn)定性與精度，提出了兩種改善加速度計系統(tǒng)溫度穩(wěn)定性的方法，一種是采用軟件的方法在FPGA內(nèi)對加速度計系統(tǒng)的進行實時補償；另一種是

5、制作高精度的控溫裝置，對加速度傳感器進行嚴格的溫度控制。針對上述兩種方法都需要溫度采集電路，為了獲得更高精度的加速度計系統(tǒng)，本文選擇了分辨率高的溫度采集電路。另外針對速度計系統(tǒng)的處理電路的溫度特性，提出了對加速度計系統(tǒng)的處理電路進行溫度補償?shù)囊环N新方法。
　　 ⑶針對各種改善方案，對加速度計系統(tǒng)的各個指標進行測量。測試表明，本設(shè)計的開環(huán)加速度計系統(tǒng)的分辨率為0.70μg／√Hz，并且在較佳的溫度穩(wěn)定性的情況下，對該設(shè)計的加速度計