CN106940388A - 一种mhd角速度传感器动态噪声测量装置及方法 - Google Patents

一种mhd角速度传感器动态噪声测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种MHD角速度传感器动态噪声测量装置及方法，装置由振动发生模块、阻抗匹配变压器模块、信号采集模块、噪声分析模块和电源模块组成，振动发生模块上安装有MHD角速度传感器，振动发生模块提供微角振动激励，MHD角速度传感器接收振动发生模块提供的微角振动信息并输出电压信号，阻抗匹配变压器模块用于测量敏感元件的动态噪声；信号采集模块采集阻抗匹配变压器模块的输出信号，噪声分析模块分离提取出噪声成分。该装置及方法可独立测量MHD角速度传感器敏感元件动态噪声，从MHD角速度传感器动态噪声中准确分离敏感元件的动态噪声和前置放大电路的动态噪声，并有效抑制测量过程中的耦合噪声，优化测量的噪声系数，提高了噪声的测量精度。

Description

一种MHD角速度传感器动态噪声测量装置及方法
技术领域
本发明属于噪声电子学和微弱信号检测技术领域，具体的说，是涉及一种MHD角速度传感器动态噪声测量装置及方法。
背景技术
随着现代航天器的发展，尤其是以高分辨率对地观测遥感卫星、深空探测遥感航天器、深空激光通信卫星为代表的高精度航天器，对微振动扰动效应极为敏感，空间结构的微振动扰动问题已成为限制高精度航天器姿态控制精度和稳定性进一步提高的一个主要因素。
磁流体动力学(Magnetohydrodynamics，MHD)角速度传感器兼具低噪声、宽频带、小型化、长寿命等特点，对加速度冲击不敏感。相比于加速度计、陀螺仪、激光雷达及光通信终端等方法，MHD角速度传感器是目前在轨测量航天器及有效载荷微角振动信息的最直接、有效和可靠的仪器。
MHD角速度传感器相比于陀螺等测量角速度的惯性敏感元件，其低频特性较差，但具有良好的高频特性，因此可以测量几赫兹到一千赫兹的宽频微角振动信息。MHD角速度传感器通常由敏感元件部分和前置放大电路部分组成。MHD角速度传感器主要评估指标是噪声水平，分为静态噪声和动态噪声。MHD角速度传感器动态噪声即其处于测量宽频微角振动工作状态下的噪声水平，在使用前需要对该项指标进行测量标定。
发明内容
本发明为了解决现有MHD角速度传感器噪声测量装备和方法无法独立评估MHD角速度传感器敏感元件动态噪声的问题，无法分离MHD角速度传感器敏感元件动态噪声与前置放大电路动态噪声的问题，以及动态噪声测量精度低、引入噪声大的问题，提出了一种MHD角速度传感器动态噪声测量装置及方法。该动态噪声测量装置及方法可以独立测量MHD角速度传感器敏感元件动态噪声，从MHD角速度传感器动态噪声中准确分离敏感元件的动态噪声和前置放大电路的动态噪声，并有效抑制测量过程中的耦合噪声，优化测量的噪声系数，提高了噪声的测量精度。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种MHD角速度传感器动态噪声测量装置，由振动发生模块、阻抗匹配变压器模块、信号采集模块、噪声分析模块和电源模块组成，所述振动发生模块上安装有MHD角速度传感器，所述MHD角速度传感器内置有敏感元件和前置放大电路，所述振动发生模块提供微角振动激励，MHD角速度传感器接收振动发生模块提供的微角振动信息并输出电压信号，所述阻抗匹配变压器模块用于测量所述敏感元件的动态噪声，实现敏感元件与信号采集模块之间的阻抗匹配，无附加噪声地放大敏感元件输出信号；所述信号采集模块采集阻抗匹配变压器模块的输出信号，所述噪声分析模块用于分离提取出噪声成分；所述电源模块提供工作电源电压，防止外部噪声由电源路径传导至噪声分析模块，确保噪声测量的精度。
所述MHD角速度传感器呈上下分布设置有两个。
所述振动发生模块由工装和高精度单轴转台构成，所述高精度单轴转台的转动轴线与所述MHD角速度传感器的敏感轴同轴。
所述阻抗匹配变压器模块由阻抗匹配变压器和次级放大器构成。
所述信号采集模块由信号转接板和信号采集卡构成。
一种MHD角速度传感器动态噪声测量装置的测量方法，包括以下步骤：
(1)断开MHD角速度传感器的敏感元件与前置放大电路的电气连接，使用阻抗匹配变压器模块采集MHD角速度传感器敏感元件的输出信号并进行放大，阻抗匹配变压器模块输出并传输信号至信号采集模块的输入端口，通过噪声分析模块解算出MHD角速度传感器敏感元件的动态噪声水平；
(2)在相同的微角振动条件下，将MHD角速度传感器前置放大电路两输入端短接，信号采集模块采集前置放大电路的输出，由噪声分析模块提取动态噪声信息，实现MHD角速度传感器前置放大电路动态噪声的测量；
(3)在相同的微角振动条件下，恢复MHD角速度传感器敏感元件与前置放大电路的电气连接，使用信号采集模块和噪声分析模块，实现MHD角速度传感器动态噪声的测量；上述步骤中，阻抗匹配变压器模块和MHD角速度传感器前置放大电路均采用电源模块进行供电。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1、本发明创造性地使用阻抗变压器模块实现了MHD角速度传感器敏感元件动态噪声的测量，解决了现有技术由于MHD角速度传感器敏感元件输出信号幅值过小，提取模块噪声相比过大，而无法单独提取MHD角速度传感器敏感元件动态噪声信息的问题。
2、本发明创造性地采用分步测量噪声的方案，这是现有技术没有采用的方案。分步测量噪声可以分别给出MHD角速度传感器敏感元件、前置放大电路和传感器整体的动态噪声，相比现有技术只能给出MHD角速度传感器整体的动态噪声，实现了MHD角速度传感器不同部分动态噪声的分离，可以提供更加全面详细噪声信息。
3、本发明中的阻抗匹配变压器模块、信号采集模块、噪声分析模块和电源模块的噪声信息均为已知，且采用阻抗匹配、屏蔽、接地及纯净电源技术，优化测量装置的噪声系数，引入噪声小，接近不附加噪声地采集信号。因此本发明可以准确提取MHD角速度传感器的动态噪声信息，噪声测量精度高。
4、本发明阻抗匹配变压器模块设计灵活可调，可根据需要调整MHD角速度传感器静态噪声测量量程和带宽，有效解决了现有技术噪声测量量程小、带宽窄的问题。
附图说明
图1是本发明专利的MHD角速度传感器敏感元件动态噪声测量原理图。
图2是本发明专利的MHD角速度传感器前置放大电路动态噪声测量原理图。
图3是本发明专利的MHD角速度传感器整体动态噪声测量原理图。
图4是本发明专利的动态噪声提取程序流程图。
图5是本发明专利的MHD角速度传感器角速度动态噪声谱密度。
图6是本发明专利的MHD角速度传感器角位置动态噪声谱密度。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述：
本实施例中选用两个MHD角速度传感器1和2(见图3)，图1是本发明专利的MHD角速度传感器1和2的敏感元件101和201的动态噪声测量原理图。两个MHD角速度传感器1和2的敏感元件101和201分别输出的电压是被测对象，MHD角速度传感器1和2并不属于该装置的组成部分。该MHD角速度传感器动态噪声测量装置是由两个阻抗匹配变压器模块3和4、一个信号采集模块5、一个噪声分析模块6、一个电源模块7和一个振动发生模块8组成。
振动发生模块8由工装801和高精度单轴转台802组成。MHD角速度传感器1和2的敏感元件101和201通过工装801固定在高精度单轴转台802上(见图3)，敏感元件101和201上下分布，且两个敏感元件的敏感轴皆与高精度单轴转台802的转动轴线同轴，这是由工装801来保证的。敏感元件101和201的输出电压信号通过同轴线传输到阻抗匹配变压器模块3和4的输入端的阻抗匹配变压器301和401，阻抗匹配变压器301和401的一个输出端分别连接次级放大器302和402，另外一个输出端分别接外壳接地端303和403。阻抗匹配变压器模块3和4的输出端Vo1和Vo2以及接地端GND通过信号转接板501分别连接信号采集卡502的模拟正输入端ai1+和ai2+以及模拟地AGND，本实施例中信号采集卡502选用NI公司的信号采集卡PCI6289，采集到的两路信号输入到噪声分析模块6。噪声分析模块6是利用工控机602的噪声提取程序601来实现的，并计算出噪声功率谱，工控机选用IPC-610MB。阻抗匹配变压器模块3和4的次级放大器302和402由电源模块7供电。锂电池701的输出电源通过开关变换702和滤波网络，再使用低压差线性稳压调节器703提供纯净稳定电源，正负电源和COM端。电源模块7的COM端、阻抗匹配变压器模块3和4的次级放大器302和402的接地端和信号采集卡502的模拟接地端AGND连接为一体，由屏蔽线缆实现。由于阻抗匹配变压器模块和信号采集模块的噪声已知，因此通过此方法可以提取出MHD角速度传感器1和2的敏感元件101和201的静态噪声。
图2表示MHD角速度传感器1和2的前置放大电路103和203的动态噪声测量原理图。MHD角速度传感器1和2的前置放大电路103和203均置于高精度角振动台802上(见图3)，保持角振动激励信号与测量敏感元件101和201动态噪声时一致。前置放大电路103和203的输入端分别连接两个1欧姆的电阻102和202，实现前置放大电路103和203输入端的短接。前置放大电路103和203均是双端输出模式，两个输出端Vo1+和Vo1-以及Vo2+和Vo2-分别连接信号采集卡502的两个模拟正负输入端ai1+和ai1-以及ai2+和ai2-。前置放大电路103和203的地连接到信号采集卡502的模拟地AGND。前置放大电路103和203输出端Vo1+和Vo1-以及Vo2+和Vo2-均通过一个1千欧姆电阻连接到GND。信号采集卡502工作在差分输入模式。前置放大电路103和203由电源模块7供电。电源模块7的COM端、前置放大电路103和203的接地端和信号采集卡502的模拟接地端AGND连接为一体。通过此种方法可以提取出MHD角速度传感器1和2的前置放大电路103和203的动态噪声。
图3表示本发明专利的MHD角速度传感器1和2的整体动态噪声测量原理图。MHD角速度传感器1和2通过工装801和803固定在高精度单轴转台802上，MHD角速度传感器1和2上下分布，且两个传感器的敏感轴皆与高精度单轴转台802的转动轴线同轴，这是由工装801和803来保证的。首先将MHD角速度传感器1和2的敏感元件101和201与前置放大电路103和203分别连接在一起，即将敏感元件101和201的内电极和外电极分别连接到前置放大电路103和203的输入端。屏蔽盖104和204分别与敏感元件101和201的外壳有良好的电气连接，敏感元件101和201的外壳和屏蔽盖104和204分别构成了前置放大电路103和203的屏蔽壳体。航空插头105和205的外壳分别与屏蔽盖104和204有良好的电气连接，屏蔽线的屏蔽层与航空插头105和205有良好的电气连接，并连接到信号采集卡502的模拟地AGND，这样将敏感元件101和201的外壳、屏蔽盖104和204、航空插头105和205的外壳、屏蔽线的屏蔽层和信号采集卡502的模拟地AGND分别连接成一体，电源模块7的COM端和前置放大电路103和203接地端连接为一体，形成有效的屏蔽和接地。信号采集卡502工作于差分模式，采集前置放大电路103和203两个输出端之间的电压信号。通过此种方法可以提取出MHD角速度传感器1和2的整体动态噪声。
信号采集模块对两个MHD角速度传感器1和2(或两个敏感元件101和201，或两个前置放大电路103和203)的连续输出信号X(t)和Y(t)进行采样，得到传感器输出信号有限长样本序列X(n)和Y(n)。X(n)和Y(n)的自相关函数RX和RY分别为：
RX(m)＝E[X(n)X(n+m)]
RY(m)＝E[Y(n)Y(n+m)]
X(n)和Y(n)的互相关函数RXY为：
RXY(m)＝E[X(n)Y(n+m)]
则X(n)和Y(n)的自功率谱SX和SY分别为：
则X(n)和Y(n)的互功率谱SXY为：
相干函数为：
其中
得到两个MHD角速度传感器1和2(或两个敏感元件101和201，或两个前置放大电路103和203)的动态噪声功率谱密度和分别为：
单位为V2/Hz。
已知两个MHD角速度传感器1和2(或两个敏感元件101和201，或两个前置放大电路103和203)的标度因数SFX和SFY，可得两个MHD角速度传感器1和2(或两个敏感元件101和201，或两个前置放大电路103和203)的角速度动态噪声谱密度NERX和NERY分别为
单位为(rad/s)2/Hz，如图5。
如图6，同时可求得两个MHD角速度传感器1和2(或两个敏感元件101和201，或两个前置放大电路103和203)的角位置动态噪声谱密度NEAX和NEAY分别为：
单位为rad2/Hz。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种MHD角速度传感器动态噪声测量装置，其特征在于，由振动发生模块、阻抗匹配变压器模块、信号采集模块、噪声分析模块和电源模块组成，所述振动发生模块上安装有MHD角速度传感器，所述MHD角速度传感器内置有敏感元件和前置放大电路，所述振动发生模块提供微角振动激励，MHD角速度传感器接收振动发生模块提供的微角振动信息并输出电压信号，所述阻抗匹配变压器模块用于测量所述敏感元件的动态噪声，实现敏感元件与信号采集模块之间的阻抗匹配，无附加噪声地放大敏感元件输出信号；所述信号采集模块采集阻抗匹配变压器模块的输出信号，所述噪声分析模块用于分离提取出噪声成分；所述电源模块提供工作电源电压，防止外部噪声由电源路径传导至噪声分析模块，确保噪声测量的精度。
2.根据权利要求1所述一种MHD角速度传感器动态噪声测量装置，其特征在于，所述MHD角速度传感器呈上下分布设置有两个。
3.根据权利要求1所述一种MHD角速度传感器动态噪声测量装置，其特征在于，所述振动发生模块由工装和高精度单轴转台构成，所述高精度单轴转台的转动轴线与所述MHD角速度传感器的敏感轴同轴。
4.根据权利要求1所述一种MHD角速度传感器动态噪声测量装置，其特征在于，所述阻抗匹配变压器模块由阻抗匹配变压器和次级放大器构成。
5.根据权利要求1所述一种MHD角速度传感器动态噪声测量装置，其特征在于，所述信号采集模块由信号转接板和信号采集卡构成。
6.根据权利要求1所述一种MHD角速度传感器动态噪声测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)断开MHD角速度传感器的敏感元件与前置放大电路的电气连接，使用阻抗匹配变压器模块采集MHD角速度传感器敏感元件的输出信号并进行放大，阻抗匹配变压器模块输出并传输信号至信号采集模块的输入端口，通过噪声分析模块解算出MHD角速度传感器敏感元件的动态噪声水平；
(2)在相同的微角振动条件下，将MHD角速度传感器前置放大电路两输入端短接，信号采集模块采集前置放大电路的输出，由噪声分析模块提取动态噪声信息，实现MHD角速度传感器前置放大电路动态噪声的测量；
(3)在相同的微角振动条件下，恢复MHD角速度传感器敏感元件与前置放大电路的电气连接，使用信号采集模块和噪声分析模块，实现MHD角速度传感器动态噪声的测量；上述步骤中，阻抗匹配变压器模块和MHD角速度传感器前置放大电路均采用电源模块进行供电。
7.根据权利要求6所述一种MHD角速度传感器动态噪声测量装置的测量方法，其特征在于，所述阻抗匹配变压器模块和MHD角速度传感器均设置有两个。
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