CN106526230B - 提高石英挠性加速度计宽频动态测量能力的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了提高石英挠性加速度计宽频动态测量能力的方法及装置，提出了传感器与检测电路之间匹配性设计原则，并采用了模拟数字滤波相结合的设计方法，既降低了测量设备的体积、功耗和输出速率，又提高了宽频动态测量精度，并且增强了带内噪声抑制能力，使得石英挠性加速度计测量频带在0~300Hz内，幅频曲线相对误差小于10%。

Description

提高石英挠性加速度计宽频动态测量能力的方法及装置

技术领域

本发明涉及石英挠性加速度计宽频动态测量技术领域，具体地，涉及提高石英挠性加速度计宽频动态测量能力的方法。

背景技术

石英挠性加速度计是一种能在0~100Hz频带内实现高精度线加速度测量的传感器。但是随着测量频带的拓宽，石英挠性加速度计幅频响应呈上升变化，特别是在200Hz以上相对误差已超出10%，从而影响了动态测量的准确度。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在宽频动态测量精度低等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出提高石英挠性加速度计宽频动态测量能力的方法，以降低测量设备的体积、功耗和输出速率，提高了宽频动态测量精度，增强带内噪声抑制能力，使得石英挠性加速度计测量频带在0~300Hz内，幅频曲线相对误差小于10%。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提高石英挠性加速度计宽频动态测量能力的方法，主要包括：

步骤1：确定采用的检测电路形式；

步骤2：传感器与检测电路进行匹配性设计，确定限流电阻值；

步骤3：确定模拟滤波器电路形式和截止频率；

步骤4：对0~300Hz信号进行过采样，设置AD采样频率；

步骤5：确定数字滤波器类型和设计参数；

步骤6：进行滤波抽样，得到625Hz的数据。

进一步地，步骤1中，所述检测电路为I/V变阻抗放大电路，具体包括前置运算放大器U1，限流电阻R2，增益调节电阻R3和输出失调平衡电阻R4，所述限流电阻R2一端与石英挠性加速度计电路的电压输出端连接，限流电阻R2的另一端与前置运算放大器U1的反相输入端连接，所述输出失调平衡电阻R4一端与前置运算放大器U1的同相输入端连接，输出失调平衡电阻R4的另一端与接地端连接，所述增益调节电阻R3连接在前置运算放大器U1的反相输入端和输出端两管脚之间；

所述前置运算放大器为OP07AH，所述R3为205KΩ，所述R4为36KΩ。

进一步地，步骤2中，传感器与检测电路进行匹配性设计具体包括，依据运算放大器虚短虚断原理，得到拉氏变换后方程组：

(1)

解上述方程组可得传递函数如下：

(2)

调整R2限流电阻阻值，降低时间常数，拉宽截止频率，使得加速度计信号经过检测电路后幅频曲线幅值相对误差在300Hz内不超过10%，当R2值为30kΩ~39kΩ时，满足宽频动态测量准确度要求。

进一步地，步骤3中，步骤3中，所述模拟低通滤波器电路包括Chebyshev Ⅰ型一级三阶模拟低通滤波器，模拟低通滤波器电路中，电容为偏差小于2%的一类瓷介独石电容器，所述电阻值为0.5%～1%精度的精密电阻，具体包括电阻R1.5，电阻R1.1，电阻R1.2，电容C1.3，电容C1.4，电容C1.6和运算放大器A1，所述电阻R1.5，电阻R1.1和电阻R1.2依次连接后，连接至运算放大器的同相输入端，所述电容C1.6一端接地，电容C1.6的另一端与电阻R1.5和电阻R1.1之间的节点连接，所述电容C1.3一端接地，电容C1.3的另一端与运算放大器的同相输入端连接，电容C1.4一端与R1.1和R1.2之间的节点连接，电容C1.4的另一端分别与运算放大器A1的输出端以及运算放大器的反相输入端连接；所述模拟低通滤波器的截止频率为436Hz，所述电阻R1.5，电阻R1.1和电阻R1.2的阻值分别为45.10KΩ，52.33kΩ和46.37KΩ，所述电容C1.3，电容C1.4和电容C1.6的电容值分别为1.5000nF,12.00nF和30.00nF，

为了使得通带内有效信号的增益波动最小，设计参数保证了0~200Hz频带内波动小于0.002dB，200Hz~300Hz频带内波动小于0.26dB，低通滤波器截止频率设置为436Hz，其传递函数形式如下：

(3)

其中

。

进一步地，步骤4具体包括，对模拟信号进行数字采样时，若采样频率设置不当，会产生频率混叠现象，频谱混叠与模数转换器AD采样频率、模拟低滤波器截止频率和衰减幅度的设置有关，为了得到较好的抗混叠效果，AD采样频率应设置为有效通带最高频率的5倍-10倍；

AD采样率设置为2500Hz，在有效通带0~300Hz内混叠进了镜像频率2200~2500Hz的带外噪声信号，模拟滤波器幅频曲线在2200Hz处的衰减幅度为-39.1dB，即混叠的噪声信号衰减约99%。

进一步地，步骤5中，所述数字滤波器为FIR型数字滤波器，具体为通过嵌入式软件实现FIR型数字滤波器，采样频率为2500Hz，通带截止频率设定为300Hz，阻带截止频率Fs为350Hz，通带纹波波动Ap为0.2dB(2.3%)，阻带最小衰减As为-41dB(1%)，数字滤波器阶数定为97阶。

进一步地，步骤6具体为，在模拟滤波和数字滤波的综合效果下，300Hz带内抗混叠抑制能力达到了80dB以上，为了进一步降低数据输出速率，通过软件，对滤波后的数据进行二次采样，将输出速率2500Hz进行四分之一倍抽取变为625Hz。

提高石英挠性加速度计宽频动态测量能力装置，包括检测电路、模拟低通滤波器、模数转换器和计算机软件处理模块，所述计算机软件处理模块对模数转换后的信号通过软件进行数字滤波，然后再对滤波后的信号通过软件进行信号抽取；

所述检测电路与石英挠性加速度计通过限流电阻连接，所述检测电路、模拟低通滤波器电路和AD转换电路顺次连接后，连接至计算机软件处理模块，对AD转换电路转换后的数字信号通过软件进行滤波和信号抽取；

通过调节限流电阻降低时间常数，拉宽截止频率，对加速度计高频段幅频特性曲线进行抑制，限流电阻值为30kΩ~39kΩ时，即可满足宽频动态测量准确度要求；

所述模拟低通滤波器，滤除高频杂波，抑制带外噪声的影响，滤波器形式为Chebyshev Ⅰ型一级三阶模拟低通滤波器，截止频率设置为436Hz；

所述模数转换器的AD采样频率为有效通带最高频率的5倍至10倍，AD采样率设置为2500Hz；

所述计算机软件处理模块包括软件数字滤波模块和软件抽取信号模块，所述软件数字滤波模块具体为通过嵌入式软件实现FIR型数字滤波器，所述FIR型数字滤波器，采样频率为2500Hz，通带截止频率设定为300Hz，阻带截止频率Fs为350Hz，通带纹波波动Ap为0.2dB(2.3%)，阻带最小衰减As为-41dB(1%)；

所述软件抽取信号模块，对滤波后的数据进行了二次采样，将输出速率2500Hz进行四分之一倍抽取变为625Hz，进一步降低数据输出速率，即降低带宽资源和存储资源的占用。

本发明各实施例的提高石英挠性加速度计宽频动态测量能力的方法及装置，提出了传感器与检测电路之间匹配性设计原则，并采用了模拟数字滤波相结合的设计方法，既降低了测量设备的体积、功耗和输出速率，又提高了宽频动态测量精度，并且增强了带内噪声抑制能力，使得石英挠性加速度计测量频带在0~300Hz内，幅频曲线相对误差小于10%。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为检测电路与石英挠性加速度计内部等效电路连接图；

图2为加速度计信号经过检测电路后幅频曲线幅值相对误差在300Hz内不超过10%的仿真结果图；

图3为模拟低通滤波器电路；

图4为模拟低通滤波仿真曲线和模拟低通滤波镜像曲线图；

图5为数字滤波效果图；

图6为提高石英挠性加速度计宽频动态测量能力的方法流程图。

结合附图，本发明实施例中附图标记如下：

1-石英挠性加速度计内部等效电路；2-检测电路。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

具体地，参考图1，左边虚线框内为石英挠性加速度计内部等效电路，Is为内部等效电流源，R1为内部等效电阻，C1为输出对地短接电容。右边虚线框为测量设备的前端检测电路，R2为限流电阻，R3为增益调节电阻，R4输出失调平衡电阻，U1为前置运算放大器。确认该检测电路形式为I/V变阻抗放大电路；

由于石英挠性加速度计输出存在一个较大的对地短接电容C1，该电容与后级检测电路连接形成了一个低通滤波器，考虑到加速度计幅频特性在高频处呈上升变化，该环节的匹配性设计需要对高频段幅频曲线进行抑制。参考图1，依据运算放大器虚短虚断原理，可以列出以下方程组（拉氏变换后）：

(1)

解上述方程组可得传递函数如下：

(2)

调整R2限流电阻阻值，以降低时间常数，拉宽截止频率，使得加速度计信号经过检测电路后幅频曲线幅值相对误差在300Hz内不超过10%，仿真结果参考图2。从图2中可以得出当R2值为30kΩ~39kΩ时，即可满足宽频动态测量准确度要求。

步骤3，该环节模拟低通滤波器的主要功能是滤除高频杂波，抑制带外噪声的影响。该滤波器形式为Chebyshev Ⅰ型一级三阶模拟低通滤波器，为了使得通带内有效信号的增益波动最小，设计参数保证了0~200Hz频带内波动小于0.002dB，200Hz~300Hz频带内波动小于0.26dB。低通滤波器截止频率设置为436Hz。其传递函数形式如下：

(3)

其中

。

模拟低通滤波器电路形式参考图3。电容选用偏差小于2%的一类瓷介独石电容器，电阻值采用0.5%～1%精度的精密电阻，所有的电容都根据设计参数筛选，以确保良好的滤波效果。

步骤4中，对模拟信号进行数字采样时，需要考虑到频谱混叠问题。频谱混叠与模数转换器AD采样频率、模拟低滤波器截止频率和衰减幅度的设置有关。为了得到较好的抗混叠效果，AD采样频率应设置为有效通带最高频率的5至10倍为宜。

本环节AD采样率设置为2500Hz，其抗混叠效果参考图4，从图中可以看出在有效通带0~300Hz内混叠进了镜像频率2200~2500Hz的带外噪声信号，模拟滤波器幅频曲线在2200Hz处的衰减幅度为-39.1dB，即混叠的噪声信号衰减了约99%。

步骤5中，本环节数字滤波器选用FIR型数字滤波器，其设计参数采样频率为2500Hz，通带截止频率设定为300Hz，阻带截止频率Fs为350Hz，通带纹波波动Ap为0.2dB(2.3%)，阻带最小衰减As为-41dB(1%)。通过借助MATLAB滤波器设计工具进行分析，数字滤波器阶数定为97阶，其数字滤波器效果参考图5。

步骤6中，在模拟和数字滤波的综合效果下，300Hz带内抗混叠抑制能力达到了80dB以上。为了进一步降低数据输出速率（即降低带宽资源和存储资源的占用），本环节对滤波后的数据进行了二次采样，将输出速率2500Hz进行四分之一倍抽取变为625Hz。

测量设备在多通道采集时，在不增加硬件模拟滤波器模块（数字滤波器是通过软件形式实现完成的）的情况下，设备的体积和功耗大大降低，不仅提高了设备的检测精度和可靠性，而且减少了带宽和存储资源的占用。

模数转换器进行模数转换之后，连接到数字信号处理器，FIR数字滤波采用嵌入式软件实现，与模拟滤波器相比，同等性能的前提下，数字滤波器大大减少了硬件资源消耗。

FIR型数字滤波后，软件数据点数输出频率为2500Hz，滤波抽取是指滤波输出的每4个数据点，扔掉前3个数据点，只保留后1个数据点，实现四分之一的滤波抽取。

石英挠性加速度计的等效电阻是160Ω，接地电容是10nF，也可以是其他数值；

所述前置运算放大器为OP07AH，所述R3为205KΩ，所述R4为36KΩ。

所述电阻R1.5，电阻R1.1和电阻R1.2的阻值分别为45.10KΩ，52.33kΩ和46.37KΩ，所述电容C1.3，电容C1.4和电容C1.6的电容值分别为1.5000nF,12.00nF和30.00nF。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.提高石英挠性加速度计宽频动态测量能力的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：确定采用的检测电路形式；

步骤2：传感器与检测电路进行匹配性设计，确定限流电阻值；

步骤3：确定模拟滤波器电路形式和截止频率；

步骤4：对0～300Hz信号进行过采样，设置AD采样频率；

步骤5：确定数字滤波器类型和设计参数；

步骤6：进行滤波抽样，得到625Hz的数据；

步骤1中，所述检测电路为I/V变阻抗放大电路，具体包括前置运算放大器U1，限流电阻R2，增益调节电阻R3和输出失调平衡电阻R4，所述限流电阻R2一端与石英挠性加速度计电路的电压输出端连接，限流电阻R2的另一端与前置运算放大器U1的反相输入端连接，所述输出失调平衡电阻R4一端与前置运算放大器U1的同相输入端连接，输出失调平衡电阻R4的另一端与接地端连接，所述增益调节电阻R3连接在前置运算放大器U1的反相输入端和输出端两管脚之间；

步骤2中，传感器与检测电路进行匹配性设计具体包括，依据运算放大器虚短虚断原理，得到拉氏变换后方程组：

解上述方程组可得传递函数如下：

调整R2限流电阻阻值，降低时间常数，拉宽截止频率，使得加速度计信号经过检测电路后幅频曲线幅值相对误差在300Hz内不超过10％，当R2值为30kΩ～39kΩ时，满足宽频动态测量准确度要求，其中I1为石英挠性加速度计内部等效电路中通过内部等效电阻的电流，I2为石英挠性加速度计内部等效电路中通过输出对地短接电容的电流，I3为测量设备的前端检测电路中通过限流电阻的电流，C1为输出对地短接电容，Ui为石英挠性加速度计内部等效电路中内部等效电阻与输出对地短接电容之间的电势，Uout为测量设备的前端检测电路中的输出电压；

步骤3中，所述模拟滤波器电路包括Chebyshev Ⅰ型一级三阶模拟低通滤波器，模拟低通滤波器电路中，电容为偏差小于2％的一类瓷介独石电容器，电阻为0.5％～1％精度的精密电阻，具体包括电阻R1.5，电阻R1.1，电阻R1.2，电容C1.3，电容C1.4，电容C1.6和运算放大器A1，所述电阻R1.5，电阻R1.1和电阻R1.2依次连接后，连接至运算放大器的同相输入端，所述电容C1.6一端接地，电容C1.6的另一端与电阻R1.5和电阻R1.1之间的节点连接，所述电容C1.3一端接地，电容C1.3的另一端与运算放大器的同相输入端连接，电容C1.4一端与R1.1和R1.2之间的节点连接，电容C1.4的另一端分别与运算放大器A1的输出端以及运算放大器的反相输入端连接；所述模拟低通滤波器的截止频率为436Hz；

为了使得通带内有效信号的增益波动最小，设计参数保证了0～200Hz频带内波动小于0.002dB，200Hz～300Hz频带内波动小于0.26dB，低通滤波器截止频率设置为436Hz，其传递函数形式如下：

ω₀＝2656，Q＝1.108其中；

步骤4具体包括，对模拟信号进行数字采样时，若采样频率设置不当，会产生频率混叠现象，频谱混叠与模数转换器AD采样频率、模拟低通滤波器截止频率和衰减幅度的设置有关，为了得到较好的抗混叠效果，AD采样频率应设置为有效通带最高频率的5倍-10倍；

AD采样率设置为2500Hz，在有效通带0～300Hz内混叠进了镜像频率2200～2500Hz的带外噪声信号，模拟滤波器幅频曲线在2200Hz处的衰减幅度为-39.1dB，即混叠的噪声信号衰减约99％；

步骤5中，所述数字滤波器为FIR型数字滤波器，具体为通过嵌入式软件实现FIR型数字滤波器，采样频率为2500Hz，通带截止频率设定为300Hz，阻带截止频率Fs为350Hz，通带纹波波动Ap为0.2dB，阻带最小衰减As为-41dB，数字滤波器阶数定为97阶。

2.根据权利要求1所述的提高石英挠性加速度计宽频动态测量能力的方法，其特征在于，步骤6具体为，在模拟滤波和数字滤波的综合效果下，300Hz带内抗混叠抑制能力达到了80dB以上，为了进一步降低数据输出速率，通过软件，对滤波后的数据进行二次采样，将输出速率2500Hz进行四分之一倍抽取变为625Hz。

3.一种基于权利要求2所述提高石英挠性加速度计宽频动态测量能力的方法的提高石英挠性加速度计宽频动态测量能力装置，其特征在于，包括检测电路、模拟低通滤波器、模数转换器和计算机软件处理模块，所述计算机软件处理模块对模数转换后的信号通过软件进行数字滤波，然后再对滤波后的信号通过软件进行信号抽取；

所述检测电路与石英挠性加速度计通过限流电阻连接，所述检测电路、模拟低通滤波器电路和AD转换电路顺次连接后，连接至计算机软件处理模块，对AD转换电路转换后的数字信号通过软件进行滤波和信号抽取；

通过调节限流电阻降低时间常数，拉宽截止频率，对加速度计高频段幅频特性曲线进行抑制，限流电阻值为30kΩ～39kΩ时，即可满足宽频动态测量准确度要求；

所述模拟低通滤波器，滤除高频杂波，抑制带外噪声的影响，滤波器形式为ChebyshevⅠ型一级三阶模拟低通滤波器，截止频率设置为436Hz；

所述模数转换器的AD过采样频率为有效通带最高频率的5倍至10倍，AD采样率设置为2500Hz；

所述计算机软件处理模块包括软件数字滤波模块和软件抽取信号模块，所述软件数字滤波模块具体为通过嵌入式软件实现FIR型数字滤波器；所述FIR型数字滤波器，采样频率为2500Hz，通带截止频率设定为300Hz，阻带截止频率Fs为350Hz，通带纹波波动Ap为0.2dB，阻带最小衰减As为-41dB；

所述软件抽取信号模块，对滤波后的数据进行了二次采样，将输出速率2500Hz进行四分之一倍抽取变为625Hz，进一步降低数据输出速率，即降低带宽资源和存储资源的占用。

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