CN106950400A - 一种mhd角速度传感器静态噪声测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MHD角速度传感器静态噪声测量装置及方法，装置由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，阻抗匹配变压器模块用以实现MHD角速度传感器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；信号采集模块采集阻抗匹配变压器模块输出信号；所述噪声分析模块用于分离提取噪声成分；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，保证噪声测量的精度。该装置及方法可以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；灵活调节信号放大倍数，有效扩展噪声测量带宽。

Description

一种MHD角速度传感器静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角速度传感器静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角速度传感器静态噪声即其处于静态工作状态下的本底噪声，在其使用前需要对该项指标进行测量标定。

发明内容

本发明专利为了解决现有MHD角速度传感器噪声测量装备和方法无法分离MHD角速度传感器敏感元件静态噪声与前置放大电路静态噪声的问题，以及噪声测量精度低、引入噪声大、量程小、带宽窄的问题，提出了一种MHD角速度传感器静态噪声测量装置及方法。该静态噪声测量装置及方法可以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；灵活调节信号放大倍数，有效扩展噪声测量带宽。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种MHD角速度传感器静态噪声测量装置，用于测量内置有敏感元件和前置放大电路的MHD角速度传感器，由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，所述阻抗匹配变压器模块用以实现MHD角速度传感器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输出信号；所述噪声分析模块用于分离提取噪声成分；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，保证噪声测量的精度。

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角速度传感器静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放大MHD角速度传感器敏感元件的静态输出信号，信号采集模块采集阻抗匹配变压器模块的输出信号，通过噪声分析模块分离出MHD角速度传感器敏感元件的静态噪声；

(2)将MHD角速度传感器前置放大电路两输入端短接，前置放大电路输出连接到信号采集模块，并传输至噪声分析模块，实现MHD角速度传感器前置放大电路静态噪声的测量；

(3)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，前置放大电路输出连接到信号采集模块，通过噪声分析模块，实现MHD角速度传感器静态噪声的测量。所述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静态噪声，相比现有技术只能给出MHD角速度传感器整体的静态噪声，实现了MHD角速度传感器不同部分静态噪声的分离，可以提供更加全面详细噪声信息。

2、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静态噪声的测量，解决了现有技术无法单独提取MHD角速度传感器敏感元件静态噪声信息的问题。

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角速度传感器的静态噪声信息，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静态噪声测量原理图。

图2是本发明专利的MHD角速度传感器前置放大电路静态噪声测量原理图。

图3是本发明专利的MHD角速度传感器整体静态噪声测量原理图。

图4是本发明专利的静态噪声提取程序流程图。

图5是本发明专利的有限长静态噪声样本序列分段方法。

图6是本发明专利的MHD角速度传感器静态噪声功率谱密度。

图7是本发明专利的MHD角速度传感器角速度静态噪声谱密度。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述：

图1是本发明专利的MHD角速度传感器1的敏感元件101静态噪声测量原理图，MHD角速度传感器1见图3。MHD角速度传感器1是被测对象，不属于该装置的组成部分。该MHD角速度传感器静态噪声测量装置是由阻抗匹配变压器模块2、信号采集模块3、噪声分析模块4和电源模块5组成。

阻抗匹配变压器模块2由阻抗匹配变压器201和次级放大器202构成。MHD角速度传感器1敏感元件101的内电极102和外电极103之间的电压被传输到阻抗匹配变压器201的输入端，阻抗匹配变压器201的一个输出端连接到次级放大器202，另外一个输出端连接到外壳接地端203。敏感元件101与阻抗匹配变压器模块2之间的连接由同轴线实现。信号采集模块3由信号转接板301和信号采集卡302构成，本实施例中信号采集卡302选用NI公司的信号采集卡PCI6289，阻抗匹配变压器模块2的输出端Vo和接地端GND通过信号转接板301分别连接信号采集卡302的模拟正输入端ai+和模拟地AGND，采集到的信号输入到噪声分析模块4。阻抗匹配变压器模块2的输出与信号采集卡302之间的连接由同轴线实现。噪声分析模块4是利用工控机402的噪声提取程序401来实现的，工控机为IPC-610MB，并计算出噪声功率谱。阻抗匹配变压器模块2的次级放大器202由电源模块5供电。锂电池501的输出电源通过开关变换502和滤波网络，再使用低压差线性稳压调节器503提供纯净稳定电源，正负电源和COM端。电源模块5的COM端、阻抗匹配变压器模块2的次级放大器202的接地端和信号采集卡302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的敏感元件101自身的静态噪声。

图2表示MHD角速度传感器1的前置放大电路105静态噪声测量原理图，MHD角速度传感器1见图3。MHD角速度传感器1的前置放大电路105的两个输入端连接一个1欧姆的电阻104，实现前置放大电路105输入端的短接。前置放大电路105是双端输出模式，两个输出端Vo1+和Vo1-连接信号采集卡302的模拟正负输入端ai+和ai-。前置放大电路105的地连接到信号采集卡302的模拟地AGND。前置放大电路105两个输出端Vo1+和Vo1-均通过一个1千欧姆电阻连接到GND。信号采集卡302工作在差分输入模式。前置放大电路105由电源模块5供电。电源模块5的COM端、前置放大电路105的接地端和信号采集卡302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的前置放大电路的静态噪声。所有连接线皆为屏蔽线缆。

图3表示本发明专利的MHD角速度传感器1的整体静态噪声测量原理图。首先将MHD角速度传感器1的敏感元件101与前置放大电路105连接在一起，即将敏感元件101的内电极102和外电极103连接到前置放大电路105的两个输入端。屏蔽盖106与敏感元件101的外壳有良好的电气连接，敏感元件101的外壳和屏蔽盖106构成了前置放大电路105的屏蔽壳体。航空插头107的外壳与屏蔽盖106有良好的电气连接，屏蔽线的屏蔽层与航空插头107有良好的电气连接，并连接到信号采集卡302的模拟地AGND，这样将敏感元件101的外壳、屏蔽盖106、航空插头107的外壳、屏蔽线的屏蔽层和信号采集卡302的模拟地AGND连接成一体，电源模块5的COM端和前置放大电路105接地端连接为一体，形成有效的屏蔽和接地。信号采集卡302工作于差分模式，采集前置放大电路105两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的整体静态噪声。所有连接线皆为屏蔽线缆。

图4是本发明专利的静态噪声提取程序流程图。

信号采集模块对MHD角速度传感器1的连续静态噪声信号xt进行采样，得到有限长静态噪声样本序列xn。

如图5，首先将N点序列划分为L个数据段，允许数据段重叠。数据段可以表示为：

x_i(n)＝x(n+iD),

n＝0,1,…,M-1

i＝0,1,…,L-1

其中，iD是第i个序列的起始点，M是每段数据的个数，L是数据段数目。

采用Welch方法计算MHD角速度传感器1的静态噪声功率谱密度。在计算周期图之前对数据段进行开窗，开窗的周期图为

其中，w(n)是窗函数，U是窗函数中功率归一化因子，可选择为

得到MHD角速度传感器1的静态噪声功率谱密度为

单位为V²/Hz，如图6所示。

已知MHD角速度传感器1的标度因数SF，可得MHD角速度传感器1的角速度静态噪声谱密度NER(f)为

单位为(rad/s)²/Hz，如图7所示。

根据需要分段计算MHD角速度传感器1的角速度静态噪声均方根值NER_RMS

其中f₁和f₂分别是分段频率的下限和上限。

通常采用角速度静态噪声均方根值评价MHD角速度传感器1的静态噪声水平，如需详细信息，可分析MHD角速度传感器1的角速度静态噪声谱密度和MHD角速度传感器1的静态噪声功率谱密度。

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 (5)

1.一种MHD角速度传感器静态噪声测量装置，用于测量内置有敏感元件和前置放大电路的MHD角速度传感器，其特征在于，由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，所述阻抗匹配变压器模块用以实现MHD角速度传感器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输出信号；所述噪声分析模块用于分离提取噪声成分；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，保证噪声测量的精度。

2.根据权利要求1所述一种MHD角速度传感器静态噪声测量装置，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。

3.根据权利要求1所述一种MHD角速度传感器静态噪声测量装置，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。

4.根据权利要求1所述一种MHD角速度传感器静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放大MHD角速度传感器敏感元件的静态输出信号，信号采集模块采集阻抗匹配变压器模块的输出信号，通过噪声分析模块分离出MHD角速度传感器敏感元件的静态噪声；

(2)将MHD角速度传感器前置放大电路两输入端短接，前置放大电路输出连接到信号采集模块，并传输至噪声分析模块，实现MHD角速度传感器前置放大电路静态噪声的测量；

(3)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，前置放大电路输出连接到信号采集模块，通过噪声分析模块，实现MHD角速度传感器静态噪声的测量。

5.根据权利要求4所述一种MHD角速度传感器静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角速度传感器前置放大电路均采用电源模块进行供电。