CN105486882A - 一种用于mhd角速率传感器的检测装置 - Google Patents

一种用于mhd角速率传感器的检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于磁流体动力学效应(Magnet-Hydro-Dynamics，简称MHD)角速率传感器的检测电路，该检测电路由差分放大、带宽扩展以及带通滤波等功能模块构成，能够有效控制传感器的噪声水平，提高微弱信号检测能力，扩展工作带宽。此外，该检测电路在不增设专门的零位偏置调节模块和零位温度漂移补偿模块的情况下，即可达到抑制传感器零位偏置和零位温度漂移的效果。

Description

一种用于MHD角速率传感器的检测装置
技术领域
本发明涉及一种用于MHD角速率传感器的检测装置，属于测试测量技术领域。
背景技术
磁流体动力学效应角速率传感器(Magnet-Hydro-Dynamics，以下称MHD角速率传感器)具有高精度、高带宽、高可靠性等优点，可应用于光路对准设备、成像系统运动测量补偿系统、航天器载荷平台稳定以及振动特性监测等。
MHD角速率传感器工作原理基于磁流体动力学效应及电磁感应，传感器主要由敏感元件和检测电路两部分组成。当有绕传感器敏感轴的角速率信号作用于传感器时，传感器内部流体由于惯性特性，保持原有运动状态，流体与传感器内部静磁场之间形成相对运动，产生切割磁力线的效果，在流体上下端面之间形成感应电动势，感应电动势信号经检测电极和电感线圈转换为敏感元件输出信号，再经检测电路处理得到表征角速率的传感器整机输出电压信号。
常规的传感器检测电路，通过运算放大器构成的电压放大环节进行第一级放大，通过基准源生成的基准信号与传感器信号进行加减运算实现零位调节，通过温度传感器输出的温度信号与传感器信号进行加减运算实现零位温度补偿，最后通过低通滤波滤除工作带宽以外的高频噪声。MHD角速率传感器敏感元件输出信号非常微弱，而且存在低频衰减，常规的检测电路无法同时满足检测精度高、噪声水平低和工作带宽大的要求。
发明内容
针对常规检测电路在MHD角速率传感器信号检测上的不足，本发明提出一种适合于MHD角速率传感器信号特点的检测电路，可以有效控制传感器的噪声水平，提高传感器的微弱信号检测能力，扩展传感器工作带宽，同时能够自动调节传感器零位偏置，有效抑制传感器零位温度漂移。
本发明目的通过如下技术方案予以实现：
提供一种用于MHD角速率传感器的检测电路，包括差分放大模块、带宽扩展模块和滤波电路；
所述差分放大模块采集MHD角速率传感器敏感元件输出的电压信号进行差分放大，将放大后的信号输出至带宽扩展模块；
所述带宽扩展模块将放大后的信号进行带宽扩展，实现低频增益与高频增益的比值大于1，将扩展后的信号输出至滤波电路；
所述滤波电路将将扩展后的信号进行滤波后作为MHD角速率传感器的输出信号。
优选的，所述带宽扩展模块采用无源电路，低频增益为1，高频增益<1。
优选的，所述带宽扩展模块包括依次串联的第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1；第一电阻R1与第二电阻R2连接的一端作为扩展后的信号的输出端，第一电阻R1的另一端作为放大后的信号的输入端。
优选的，所述带宽扩展模块采用有源电路，低频增益>1，高频增益<1。
优选的，所述带宽扩展模块(5)包括第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第二电容C2、第三电容C3以及运算放大器；第四电阻R4的一端作为放大后的信号的输入端，第四电阻R4的一端连接第二电容C2的一端，第二电容C2连接运算放大器负输入端；第五电阻R5的一端连接运算放大器负输入端，第五电阻R5的另一端连接第三电容C3的一端，第三电容C3的另一端连接运算放大器的输出端；第三电阻R3的一端连接运算放大器负输入端，第三电阻R3的另一端连接运算放大器的输出端；运算放大器的负输入端接地，运算放大器的输出端作为扩展后的信号的输出端，其中C2/C3>1，R5/R4<1。
优选的，所述滤波电路为带通滤波模块。
优选的，所述差分放大模块包括电阻Rg1、电阻Rg2以及仪表放大器；电阻Rg1的一端连接MHD角速率传感器敏感元件的电感线圈的第一输出端，电阻Rg1的另一端接地；电阻Rg2的另一端连接MHD角速率传感器敏感元件的电感线圈的第二输出端，电阻Rg2的另一端接地；仪表放大器的第一输入端连接电感线圈的第一输出端，仪表放大器的第二输入端连接电感线圈的第二输出端，仪表放大器的输出端输出放大后的信号。
优选的，所述差分放大模块包括仪表放大器；仪表放大器的第一输入端连接MHD角速率传感器敏感元件的电感线圈的第一输出端，仪表放大器的第二输入端连接电感线圈的第二输出端，仪表放大器的输出端输出放大后的信号，电感线圈的中部接地。
优选的，所述差分放大模块还包括增益电阻Rg，连接在仪表放大器的增益调节端。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明创造性地采用带宽扩展模块解决传感器低频衰减的问题，这是现有技术没有采用过的方案；所涉及的带宽扩展模块，具有以下特点：在低频段的增益具有随频率降低而增大、在高频段增益近似恒定为1或者保持为小于1的恒定值，可以对传感器低频衰减进行相应补偿，从而扩展了传感器工作带宽。带宽扩展模块有无源和有源两种实现模式：无源模式结构简单，实现方便，但是只能通过降低高频增益来相对的提高低频增益，带宽扩展效果有限；有源模式可以在降低高频增益的同时提高低频增益，更大限度的拉升低频段对高频段的相对增益，带宽扩展效果更明显。
(2)本发明所涉及的检测电路在第一级采用高精度、低噪声的仪表放大器构成高增益的差分电压放大模块，能够降低传感器的噪声水平，提高传感器的微弱信号检测能力。
(3)本发明所涉及的带通滤波模块，既能滤除高频噪声，又能消除零位偏置、抑制零位温度漂移。与采用低通滤波的常规检测电路相比，节约了零位调节和零位温度漂移补偿所用的运算放大器、调试电阻、基准源、温度传感器等，简化了电路结构。
附图说明
图1为本发明MHD角振动传感器检测电路原理图；
图2为本发明差分放大电路与敏感元件的一种连接方式；
图3为本发明差分放大电路与敏感元件的第二种连接方式；
图4为本发明带宽扩展环节的一种无源实现形式原理图；
图5为本发明带宽扩展环节的幅频特性曲线；
图6为本发明带宽扩展环节的第二种有源实现形式原理图；
图7为本发明带宽扩展环节校正前后传感器的幅频特性曲线；
图8为本发明带通滤波对带有偏置、漂移的信号和噪声的信号示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
本发明涉及的MHD角速率传感器检测电路，包括差分放大模块(4)、带宽扩展模块(5)、带通滤波模块(6)等功能模块。
传感器敏感元件(1)中的电感线圈(2)产生与角速率成正比的电压信号Vin1、Vin2，检测电路(3)对Vin1、Vin2进行相应处理后，得到传感器的整机输出信号Vo。由于Vin1、Vin2具有差模分量远小于共模分量的特点，差分放大模式更适合用于Vin1、Vin2的检出，因此利用差分放大模块(4)作为检测电路(3)的第一级。为取得最佳的检测精度，差分放大模块(4)的核心器件是高增益、低噪声、高共模抑制比、低温度漂移的仪表放大器(7)，图2和图3为差分放大模块(4)的两种具体实现方式。
差分放大模块(4)选择具有差分放大功能的仪表放大器(7)来构成。仪表放大器(7)具有高共模抑制比、低噪声、低线性误差、低失调电压等特点，能够满足检测要求。此外，仪表放大器还具有集成度高、外围器件少的优势。差分放大模块(4)与敏感元件(1)的连接方式如图2所示，敏感元件(1)通过其内的电感线圈(2)与差分放大模块(4)的输入端相连。由于差分放大电路的输入阻抗较大，因此需要为偏置电流提供一个对地的返回路径，对应的解决方案是以电阻Rg1、Rg2的一端分别与仪表放大器(7)的输入端相连，以Rg1、Rg2的另一端与检测电路(3)的参考地相连，从而提供偏置电流返回路径。Rg连接在仪表放大器的增益调节端，通过阻值调节放大倍数。
图3为差分放大模块(4)与敏感元件(1)的另一种连接方式，从电感线圈(2)的中部接出一个引出线与检测电路(3)的参考地实现电学连通，从而为偏置电流提供返回路径。
由于敏感元件(1)的输出信号Vin1、Vin2存在低频衰减，所以经差分放大模块(4)处理后得到的信号V1同样存在低频衰减，为此设计了用于实现对低频衰减进行补偿的带宽扩展模块(5)。带宽扩展模块(5)的一种无源实现形式如图4所示，差分放大模块(4)的输出信号V1通过R1、R2、C1与检测电路(3)的参考地相连，将V1在R2和C1上的分压V2作为带宽扩展模块(5)的输出。在图4中V2对V1的传递函数为：
G ( s ) = R 2 C 1 s + 1 ( R 1 + R 2 ) C 1 s + 1 - - - ( 1 )
从式(1)中可以得出其低频增益为1，高频增益为R2/(R1+R2)，低频增益是高频增益的1+R1/R2倍，通过调节R1与R2的比值可以改变增益拉升程度，调节R1、R2与C1的乘积可以改变转折频率，从而可以对不同衰减程度、不同频率段下的低频衰减进行针对性的修正。MHD角振动传感器的低频衰减通常出现在2～20Hz范围内，针对这一频段的低频衰减进行修正，可以选取R1＝80KΩ，R2＝720KΩ，C1＝0.1μF。
图5为图4中电路模型传递函数的伯德图。可以根据传感器的低频衰减情况，对R1、R2、C1的参数作进一步调整，以取得最佳带宽扩展效果。
带宽扩展模块(5)的一种有源实现形式如图6所示。差分放大模块(4)的输出信号V1通过R4、C2与运算放大器(8)的反相输入端相连，运算放大器(8)的同相输入端与检测电路(3)的参考地相连，运算放大器(8)的输出端通过R5、C3以及R3与反相输入端相连。
R4、C2、R5、C3的参数可以根据传感器的低频衰减程度和衰减频率段进行调整，增大R4与R5以及C2与C3的比值可以提高低频增益拉升效果，调节R4与C2以及R5与C3的乘积可以改变带宽扩展模块的转折频率，从而可以对不同程度、不同频率段下的低频衰减进行针对性的修正。在图6中V2对V1的传递函数较为复杂，其中R3大阻值的反馈电阻，其作用是提供直流反馈以防止电路输出饱和，通常大于R5阻值的10倍以上(兆欧级)，因此可以视作开路处理，忽略对直流信号的影响，此时得到V2对V1简化的传递函数为：
G ( s ) = R 5 C 3 C 2 s + C 2 R 4 C 3 C 2 s + C 3 - - - ( 2 )
由式(2)可知其低频增益为C2/C3，高频增益为R5/R4，低频增益是高频增益的R4C2/R5C3倍。在低频衰减严重的情况下，推荐C2/C3>1，R5/R4<1，从而有利于对低频增益的大幅度拉升。针对MHD角振动传感器常见的2～20Hz范围内的低频衰减，可以选取R3＝2MΩ、R4＝180KΩ、R5＝120KΩ、C2＝0.47μF，C3＝0.1μF。
图7为带宽扩展校正前后传感器信号的幅频特性曲线对比。在频率扩展校正之前，V1处信号的幅频特性曲线存在显著的低频衰减：从20Hz处开始出现比较明显的衰减，2Hz处相对20Hz以上频段衰减已经超过15dB。在经带宽扩展模块(5)处理之后，V2处信号幅频特性曲线的低频衰减得到有效改善：高于5Hz的幅频特性曲线基本保持平坦，无明显衰减，2Hz处相对于20Hz的衰减得到有效控制，从衰减超过15dB变为衰减不超过3dB，传感器的低频截止频率由20Hz降为2Hz。上述对比表明带宽扩展模块(5)的存在能够使MHD角速率传感器的工作带宽得到扩展。在此例中，2～20Hz即为低频衰减段，20Hz以上幅频特性曲线较为平坦的频率范围即为高频段。由于生产工艺的不同，不同传感器出现低频衰减的频率范围会有所不同，只要对带宽扩展模块(5)中的阻容参数进行相应的调整就可以进行有针对性的修正。
利用带通滤波模块(6)对信号V2进行滤波处理，得到整机输出信号Vo。信号V2中含有零位偏置和零位漂移，需要对其进行相应的处理，以达到抑制或消除的目的。零位偏置和零位漂移都是变化非常缓慢的信号，从频域上看以直流和低频成分(远低于1Hz)为主，利用高通滤波的方式可以将其滤除。因此，只要选取通带范围适当的带通滤波模块(6)对V2进行处理，既可以利用其低通特性滤除高频噪声，还可以利用其高通特性达到消除零位偏置和抑制零位漂移的效果。利用给定的一组带有偏置、漂移以及噪声的信号，该信号通过带通滤波模块(6)之后的效果如图8所示，不仅噪声水平得到改善，零位偏置和零位温度漂移也基本消除。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种用于MHD角速率传感器的检测电路，其特征在于，包括差分放大模块(4)、带宽扩展模块(5)和滤波电路；
所述差分放大模块(4)采集MHD角速率传感器敏感元件(1)输出的电压信号进行差分放大，将放大后的信号(V1)输出至带宽扩展模块(5)；
所述带宽扩展模块(5)将放大后的信号(V1)进行带宽扩展，实现低频增益与高频增益的比值大于1，将扩展后的信号(V2)输出至滤波电路；
所述滤波电路将将扩展后的信号(V2)进行滤波后作为MHD角速率传感器的输出信号(Vo)。
2.根据权利要求1所述的检测电路，其特征在于，所述带宽扩展模块(5)采用无源电路，低频增益为1，高频增益<1。
3.根据权利要求1或2所述的检测电路，其特征在于，所述带宽扩展模块(5)包括依次串联的第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1；第一电阻R1与第二电阻R2连接的一端作为扩展后的信号(V2)的输出端，第一电阻R1的另一端作为放大后的信号(V1)的输入端。
4.根据权利要求1所述的检测电路，其特征在于，所述带宽扩展模块(5)采用有源电路，低频增益>1，高频增益<1。
5.根据权利要求1或4所述的检测电路，其特征在于，所述带宽扩展模块(5)包括第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第二电容C2、第三电容C3以及运算放大器(8)；第四电阻R4的一端作为放大后的信号(V1)的输入端，第四电阻R4的一端连接第二电容C2的一端，第二电容C2连接运算放大器(8)负输入端；第五电阻R5的一端连接运算放大器(8)负输入端，第五电阻R5的另一端连接第三电容C3的一端，第三电容C3的另一端连接运算放大器(8)的输出端；第三电阻R3的一端连接运算放大器(8)负输入端，第三电阻R3的另一端连接运算放大器(8)的输出端；运算放大器(8)的负输入端接地，运算放大器(8)的输出端作为扩展后的信号(V2)的输出端，其中C2/C3>1，R5/R4<1。
6.根据权利要求1所述的检测电路，其特征在于，所述滤波电路为带通滤波模块(6)。
7.根据权利要求1所述的检测电路，其特征在于，所述差分放大模块(4)包括电阻Rg1、电阻Rg2以及仪表放大器(7)；电阻Rg1的一端连接MHD角速率传感器敏感元件(1)的电感线圈(2)的第一输出端，电阻Rg1的另一端接地；电阻Rg2的另一端连接MHD角速率传感器敏感元件(1)的电感线圈(2)的第二输出端，电阻Rg2的另一端接地；仪表放大器(7)的第一输入端连接电感线圈(2)的第一输出端，仪表放大器(7)的第二输入端连接电感线圈(2)的第二输出端，仪表放大器(7)的输出端输出放大后的信号(V1)。
8.根据权利要求1所述的检测电路，其特征在于，所述差分放大模块(4)包括仪表放大器(7)；仪表放大器(7)的第一输入端连接MHD角速率传感器敏感元件(1)的电感线圈(2)的第一输出端，仪表放大器(7)的第二输入端连接电感线圈(2)的第二输出端，仪表放大器(7)的输出端输出放大后的信号(V1)，电感线圈(2)的中部接地。
9.根据权利要求7或8所述的检测电路，其特征在于，所述差分放大模块(4)还包括增益电阻Rg，连接在仪表放大器(7)的增益调节端。
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