CN116087557A - 一种自动优化调整性能状态的静电加速度计 - Google Patents

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陈德璁
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Abstract

本发明公开了一种自动优化调整性能状态的静电加速度计，包括：敏感探头，用于获得检验质量块相对于电容极板框架的位移偏移信号；位移传感电路，用于将电容差信号转化为电压信号；反馈控制电路，用于根据电压信号计算反馈电压；偏置电压控制电路，用于根据当前的偏置电压以及当前的反馈电压，计算下一时期的偏置电压，并将该偏置电压进行数模转换后施加在敏感探头内，调整加速度计的静电刚度和量程；静电执行电路，用于将反馈电压施加在周围极板框架中的极板上，从而产生静电力作用在检验质量块上。本发明能满足在不同外界加速度输入时，均能够处于最优测试效果，即可使得加速度计静电刚度最小，与位移引起的刚度耦合噪声最小。

Description

一种自动优化调整性能状态的静电加速度计
技术领域
本发明属于加速度传感测试技术领域，更具体地，涉及一种自动优化调整性能状态的静电加速度计。
背景技术
加速度计是测量物体视加速度的惯性仪表。加速度计的测量原理基于牛顿第二定律：作用于质量为m的物体上的力F将使该物体产生大小为a＝F/m的加速度。
为保证有足够的测量带宽，加速度计通常设计成具有伺服控制功能。其中静电反馈加速度计的工作原理是：通过和载体固联的电容极板测试检验质量块的位置，经由伺服控制器产生合适的静电力(矩)使检验质量块稳定在极板中间的平衡位置上。质量块和外界载体相对静止，即伺服控制产生的加速度和载体加速度保持一致，最终可通过该伺服控制的相关数据(电压或电流等)获得加速度信息。而静电力是由施加在质量块以及极板上的偏值和反馈电压产生。
作为惯性系统的核心设备，对加速度计的噪声与稳定性都有较高要求。而质量块位置精度，偏值、偏置电压的稳定性都会对上述特征产生影响。通常情况下，加速度计的偏置电压往往是固定或者设置为特定档位进行量程切换。因此，加速度计并不能针对输入加速度调整为最佳状态。因此，需要找到一种设计方案，用于优化加速度计，提高性能。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种自动优化调整性能状态的静电加速度计，能满足在不同外界加速度输入时，均能够处于最优测试效果，即使得加速度计静电刚度最小，与位移引起的刚度耦合噪声最小。
为实现上述目的，本发明提供了一种自动优化调整性能状态的静电加速度计，包括：
敏感探头，包括检验质量块及周围极板框架，用于将所述检验质量块相对于电容极板框架中间的平衡位置的位移转化为电容差信号；
位移传感电路，用于将所述电容差信号转化为电压信号；
反馈控制电路，用于根据所述电压信号计算反馈电压；
偏置电压控制电路，用于根据当前的反馈电压Vf(n)以及当前加载在敏感探头内提供电位的偏置电压Vb(n)，计算下一时期的偏置电压，并将偏置电压Vb(n+1)进行数模转换后施加在所述敏感探头内；
静电执行电路，用于将所述反馈电压施加在敏感探头内，从而产生静电力作用在检验质量块上，所述静电力由施加在所述敏感探头上的偏置电压和反馈电压产生，使所述检验质量块稳定在所述周围极板框架中间的平衡位置上。
本发明提供的自动优化调整性能状态的静电加速度计，根据当前的工作状态以及所测试的外界输入加速度，利用偏置电压控制电路估计出合适的偏置电压，并将其进行数模转换后施加与探头内，可产生最小且最稳定的静电刚度，使得由刚度和传感产生的耦合达到最小，从而实现最佳零偏稳定性的工作状态，同理该状态也是加速度计噪声水平的最优状态。与传统静电加速度计相比，本实施例的核心在于偏置电压控制与转换，在传统静电加速度计上亦可实现优化目的，因此该改进方案能够适用于所有同类型的加速度计。
在其中一个实施例中，所述偏置电压Vb(n+1)进行数模转换后施加在所述检验质量块或周围极板框架中的极板上。
在其中一个实施例中，所述偏置电压控制电路采用偏置电压控制器和DAC转换器。
在其中一个实施例中，所述反馈控制电路用于根据所述电压信号，通过PID或EMC运算后，计算得到所述反馈电压。
在其中一个实施例中，所述反馈控制电路采用FPGA处理器。
在其中一个实施例中，所述位移传感电路采用位移传感器。
在其中一个实施例中，所述静电执行电路采用静电执行机。
附图说明
图1是本发明一实施例提供的自动优化调整性能状态的静电加速度计的原理框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为优化静电加速度计，提高其工作性能，本发明对静电加速度计的噪声和稳定性进行如下分析：
静电加速度计的输出加速度af如下式：
Figure BDA0003996909950000031
式中，ε是介电常数；S是极板面积；m是检验质量块质量；d是极板和检验质量块之间的平衡间距；Vb是偏置电压，Vf是反馈电压；Ha是灵敏度系数(或标度因数)，可在后期整机测试时进行标定，具体可通过倾斜静电加速度计，用重力分量进行标定。
静电加速度计固有零偏主要由静电刚度同质量块位置偏移发生耦合引起。以变间距静电反馈加速度计为例(变面积加速度计可同样作为参考)，其偏值如下：
Figure BDA0003996909950000041
同理，加速度刚度与位置耦合噪声表达式如下：
Figure BDA0003996909950000042
式中，ωe是静电刚度对应的角频率，可通过参数进行自由调节；xb是检验质量块偏移平衡位置的距离；xn是位移检测噪声。
在外界输入偏值稳定性可写作如下形式，
Figure BDA0003996909950000043
式中，δab、δxb、δVb和δVf对应表示静电加速度计固有零偏ab、检验质量块偏移平衡位置的距离xb、偏置电压Vb，反馈电压Vf的稳定性。
由于偏置电压与反馈电压通常使用类似的电路生成，因此两者具有相近稳定特性，当偏置电压满足下式时
Figure BDA0003996909950000044
静电加速度计刚度具有最小值，表达式如下：
Figure BDA0003996909950000045
上述条件使得加速度计具有最佳性能，即零偏、零偏稳定性、刚度与位移耦合噪声均达到极小值。
Figure BDA0003996909950000051
Figure BDA0003996909950000052
Figure BDA0003996909950000053
因此，本发明可通过从当前的偏置电压Vb(n)以及所测试的外界输入加速度(正比于Vf(n))，估计出合适的下一时期的偏置电压Vb(n+1)，如下式所示：
Figure BDA0003996909950000054
将该电压转换为模拟信号后，施加于探头内。根据上述分析，在此状态下可以产生最小且最稳定的静电刚度，使得由刚度和传感产生的耦合达到最小，从而实现最小零偏和最佳零偏稳定性的工作状态。
对此，本发明提供了一种自动优化调整性能状态的静电加速度计，能满足在不同外界加速度输入时，该类加速度计能够处于最优测试效果，即可使加速度计静电刚度最小，与位移引起的刚度耦合噪声最小。
如图1所示，本发明提供的静电加速度计包括敏感探头10、位移传感电路20、反馈控制电路30、静电执行电路40和偏置电压控制电路50。
其中，敏感探头10包括检验质量块TM及周围极板框架，检验质量块与周围极板框架中的极板构成平行板电容器，用于将检验质量块相对于电容极板框架中间的平衡位置的位移转化为电容差信号。
位移传感电路20，可采用位移传感器，用于将敏感探头10检测到的电容差信号转化为电压信号，并发送至反馈控制电路30。
反馈控制电路30，可采用FPGA处理器，用于根据位移传感电路20输出的电压信号，通过PID或EMC运算后，计算得到反馈电压Vf。
偏置电压控制电路50，可采用偏置电压控制器51和DAC转换器52，用于对静电加速度计的工作状态进行调节达到性能优化。具体实现方式为：根据当前的反馈电压Vf(n)及当前加载在敏感探头内为其提供电位的偏置电压Vb(n)，计算下一时期的偏置电压
Figure BDA0003996909950000061
并将偏置电压Vb(n+1)进行数模转换后施加在敏感探头内，调整加速度计的静电刚度和量程。
静电执行电路40，可采用静电执行机，用于将反馈电压施加在周围极板框架中的极板上，从而产生静电力作用在检验质量块TM上，使所述检验质量块稳定在所述周围极板框架中间的平衡位置上。其中，静电力由施加在检验质量块和极板上的偏置电压Vb和反馈电压Vf产生。
在本实施例中，偏置电压控制电路50中偏置电压可根据运用情况进行定时调整，也可自适应调整。同时，可根据静电加速度计针对量程及性能的设计需求来调整偏置电压控制器中的比例关系。
另外，由于对于多自由度共用同一探头的加速度计，如空间加速度计，根据静电力方案，通常偏置电压可施加在检验质量块或者极板上，因此本实施例中偏置电压可加载到检验质量块上，亦可根据实际情况施加在极板上，保证各自由度之间的独立性。
本实施例提供的自动优化调整性能状态的静电加速度计，根据当前的工作状态以及所测试的外界输入加速度，利用偏置电压控制电路估计出合适的偏置电压，并将其进行数模转换后施加与探头内，可产生最小且最稳定的静电刚度，使得由刚度和传感产生的耦合达到最小，从而实现最佳零偏稳定性的工作状态，同理该状态也是加速度计噪声水平的最优状态。与传统静电反馈加速度计相比，本实施例的核心在于偏置电压控制与转换，在传统静电加速度计上亦可实现优化目的，因此该改进方案能够适用于所有同类型的加速度计。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种自动优化调整性能状态的静电加速度计，其特征在于，包括：
敏感探头，包括检验质量块及周围极板框架，用于将所述检验质量块相对于电容极板框架中间的平衡位置的位移转化为电容差信号；
位移传感电路，用于将所述电容差信号转化为电压信号；
反馈控制电路，用于根据所述电压信号计算反馈电压；
偏置电压控制电路，用于根据当前的反馈电压Vf(n)以及当前加载在敏感探头内提供电位的偏置电压Vb(n)，计算下一时期的偏置电压
Figure FDA0003996909940000011
并将偏置电压Vb(n+1)进行数模转换后施加在所述敏感探头内；
静电执行电路，用于将所述反馈电压施加在周围极板框架中的极板上，从而产生静电力作用在检验质量块上，所述静电力由施加在所述敏感探头上的偏置电压和反馈电压产生，使所述检验质量块稳定在所述周围极板框架中间的平衡位置上。
2.根据权利要求1所述的自动优化调整性能状态的静电加速度计，其特征在于，所述偏置电压Vb(n+1)进行数模转换后施加在所述检验质量块或周围极板框架中的极板上。
3.根据权利要求1所述的自动优化调整性能状态的静电加速度计，其特征在于，所述偏置电压控制电路采用偏置电压控制器和DAC转换器。
4.根据权利要求1所述的自动优化调整性能状态的静电加速度计，其特征在于，所述反馈控制电路用于根据所述电压信号，通过PID或EMC运算后，计算得到所述反馈电压。
5.根据权利要求1所述的自动优化调整性能状态的静电加速度计，其特征在于，所述反馈控制电路采用FPGA处理器。
6.根据权利要求1所述的自动优化调整性能状态的静电加速度计，其特征在于，所述位移传感电路采用位移传感器。
7.根据权利要求1所述的自动优化调整性能状态的静电加速度计，其特征在于，所述静电执行电路采用静电执行机。
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CN117805437A (zh) * 2024-02-29 2024-04-02 华中科技大学 一种交直混合降低读出电路1/f噪声的静电加速度计
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