CN117805437B - 一种交直混合降低读出电路1/f噪声的静电加速度计 - Google Patents
一种交直混合降低读出电路1/f噪声的静电加速度计 Download PDFInfo
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Abstract
本申请提供了一种交直混合降低读出电路1/f噪声的静电加速度计，属于加速度传感测量领域；静电加速度计包括：测量控制电路、敏感探头、信号驱动器和数据读出单元；信号驱动器用于提供载波、直流偏置电压和微扰信号，并通过一根金丝施加到检验质量上；极板上施加反馈电压；微扰信号用于将读出加速度的频率调制到高于1/f噪声的拐点频率；数据读出单元用于通过高通滤波器剔除读出电压中的直流分量并于此同时抑制掉1/f噪声，随后对经微扰信号调制后的反馈电压信号进行放大，最终利用模拟数字转换芯片转换为数字信号，通过数字解调获取读出加速度。本申请提高了输入加速度的获取精准度。
Description
技术领域
本申请属于加速度传感测量领域，更具体地，涉及一种交直混合降低读出电路1/f噪声的静电加速度计。
背景技术
基于电容位移传感和静电反馈控制技术的静电悬浮加速度计/惯性传感器具有精度高、结构对称、体积小、能单点实现空间六个自由度的同时测量等优势，在重力场测量、广义相对论检验、等效原理检验和引力波探测等领域都有非常广泛的应用。
加速度计工作中，检验质量受到加速度带来的惯性力，与反馈执行机产生的反馈力达到平衡，检验质量处于平衡位置；当加速度计所处环境的加速度发生变化时，反馈执行机产生的反馈力会随之变化使反馈力与惯性力达到新的平衡，使检验质量保持在平衡位置。这一力平衡关系可用如下表达式描述：
（1.1）
公式（1.1）中，为检验质量，/>为外界加速度，/>为检验质量在标称位置处的极板与检验质量的电容，/>施加到极板上的偏置电压，d为检验质量在标称位置处的差分电容极板间距，/>为反馈执行机施加到极板的控制电压。因此静电执行机的反馈传递函数可以表示为：
（1.2）
为了获取加速度的大小，需要通过读出电路中的ADC读取极板电压。然而，在这个过程中，加速度信号处于低频处，而电子学不可避免地会引入1/f噪声，从而降低读出加速度的分辨率。传统的降低ADC的1/f噪声的方案通常在ADC（模拟数字转换器）之前添加一个斩波器，通过调制信号的方式，在信号采集后通过数据处理解调。上述方法存在以下缺陷：第一、对于反馈执行机的噪声却无法抑制；第二、添加斩波器增加了额外的控制设备，改变了静电加速度原有的控制方法,不利于提升静电加速度计的测量效率。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本申请的目的在于提供一种交直混合降低读出电路1/f噪声的静电加速度计，旨在解决现有加速度计由于测量过程中存在1/f噪声，使得获取的输入加速度测量误差较大的问题。
为实现上述目的，第一方面，本申请提供了一种交直混合降低读出电路1/f噪声的静电加速度计，包括：测量控制电路、敏感探头、信号驱动器和数据读出单元；
信号驱动器的输出端连接敏感探头的一输入端，数据读出单元的输入端连接敏感探头的另一输入端；
敏感探头包括检验质量和极板；信号驱动器用于提供载波、直流偏置电压和微扰信号，并将载波、直流偏置电压和微扰信号施加至检验质量上；极板上施加反馈电压；微扰信号用于将数据读出单元获取的读出加速度的频率调制到高于1/f噪声的拐点频率；1/f噪声包括测量控制电路以及数据读出单元引入的1/f噪声；
所述数据读出单元用于采集经微扰信号调制后的反馈电压信号；同时去除直流反馈电压信号和1/f噪声，对经微扰信号调制后的反馈电压信号进行放大，再通过模拟数字转换，最终通过数字解调获取读出电压，提取读出加速度。
进一步优选地，微扰信号为；其中，/>为偏置直流电压；/>为微扰系数；为微扰信号频率；/>为时间。
进一步优选地，数据读出单元包括顺次相连的读出电路、高通滤波器、放大器、模拟数字转换器和解调器；
所述读出电路用于采集经微扰信号调制后的反馈电压信号；所述高通滤波器用于剔除直流反馈电压信号和1/f噪声；所述放大器用于对经微扰信号调制后的反馈电压信号进行放大；所述模拟数字转换器用于将放大后的经微扰信号调制后的反馈电压信号从模拟信号转换为数字信号，最终通过数字解调获取读出电压信号，提取读出加速度。
进一步优选地，测量控制电路包括电容位移传感器、控制器和反馈执行机；
所述电容位移传感器的输入端连接测量控制极板，其输出端连接所述控制器；所述控制器的输出端连接反馈执行机；所述反馈执行机的输出端连接所述测量控制极板；
所述信号驱动器还用于产生载波；所述载波用于将所述检验质量由于位移产生的电容差信号调制至预设频率处；所述电容位移传感器用于将位移信号转变为电压信号；所述控制器用于将位移信号转化为反馈电压传输至反馈执行机；所述反馈执行机用于将反馈电压施加至各极板上；其中，反馈电压包括直流反馈电压信号和经微扰信号调制后的反馈电压信号。
进一步优选地，读出电压为：
其中，为读出电压；/>为微扰系数；/>为微扰信号频率；/>为时间；/>为反馈执行机的传递函数；/>为输入加速度；/>为反馈执行机的噪声；/>为读出电路的噪声，/>和噪声低频呈1/f噪声形式。
进一步优选地，读出加速度为：
其中，为频率/>处的数据读出单元的噪声；/>为频率/>处的反馈执行机的噪声；其中，频率/>高于其1/f噪声的拐点频率。
第二方面，基于上述提供的交直混合降低读出电路1/f噪声的静电加速度计，本申请提供了相应的静电加速度计的加速度获取方法，包括以下步骤：
将直流偏置电压和微扰信号施加至检验质量上；其中，微扰信号施加至检验质量上以便输入加速度的频率调制到高于1/f噪声的拐点频率；1/f噪声包括测量控制电路以及数据读出单元引入的1/f噪声；
采集经微扰信号调制后的反馈电压信号，同时去除直流反馈电压信号和1/f噪声，对经微扰信号调制后的反馈电压信号进行放大，再通过模拟数字转换，最终通过数字解调获取读出电压，提取读出加速度。
进一步优选地，微扰信号为；其中，/>为偏置直流电压；/>为微扰系数；为微扰信号频率；/>为时间。
进一步优选地，读出电压为：
其中，为读出电压；/>为微扰系数；/>为微扰信号频率；/>为时间；/>为反馈执行机的传递函数；/>为输入加速度；/>为反馈执行机的噪声；/>为读出电路的噪声，/>和噪声低频呈1/f噪声形式。
进一步优选地，读出加速度为：
其中，为频率/>处的数据读出单元的噪声；/>为频率/>处的反馈执行机的噪声；其中，频率/>高于其1/f噪声的拐点频率。
总体而言，通过本申请所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本申请提供了一种交直混合降低读出电路1/f噪声的静电加速度计，其中，在施加到检验质量上的偏置直流电压的基础上，添加微扰的交流信号，使得反馈加速度的一部分/>调制到高频处，而反馈加速度中的/>、/>和/>处于低频处，因此，本申请通过高通滤波，剔除掉读出电压中的直流分量、/>和/>，在一定程度上降低了读出电路的1/f噪声。提高了噪声抑制效果，进而提高了输入加速度的获取精准度。
附图说明
图1是本申请实施例提供的实施极板对控制的静电加速度计的控制示意图；其中，图中各序号分别表示：1-检验质量；2-极板；3-电容位移传感电路；4-控制器；5-反馈执行机；6-读出电路；7-信号驱动器：偏置电压和载波驱动器；
图2是本申请实施例提供的静电加速度计闭环简图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请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用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在本申请实施例中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本申请实施例中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
本申请提供的交直混合降低读出电路1/f噪声的静电加速度计通过在检验质量上施加直流偏置电压并添加微扰正弦信号，实现在维持控制力不变的同时，在读出电路采集的极板电压中引入反馈加速度，并将其调制到高频。这一操作绕过了反馈执行机和数据读出单元的1/f噪声。通过数据处理，可以对该频率处的幅值进行解调滤波，从而有效地消除了数据读出单元引入的1/f噪声。
实施例
如图1所示，本申请提供的交直混合降低读出电路1/f噪声的静电加速度计，包括：检验质量1、极板2、电容位移传感器3、控制器4、反馈执行机5、数据读出单元和信号驱动器7；敏感探头包括检验质量1和极板2；
检验质量1每一面均平行设置两块极板2；电容位移传感器3的输入端连接极板2，其输出端连接控制器4；控制器4的输出端连接反馈执行机5；反馈执行机5的输出端和极板2相连接；信号驱动器7的输出端通过一根金丝和检验质量1相连；数据读出单元和极板2相连接，需指出，这里的数据读出单元包括读出电路6、ADC（模拟数字转换器）、高通滤波器和放大器；读出电路6的输出端连接高通滤波器的输入端；高通滤波器的输出端连接放大器的输入端；放大器的输出端连接ADC的输入端；ADC的输出端连接解调器；其中，读出电路6用于采集经微扰信号调制后的反馈电压信号；高通滤波器用于剔除直流反馈电压信号和1/f噪声；放大器用于对经微扰信号调制后的反馈电压信号进行放大 ；ADC用于将放大后的经微扰信号调制后的反馈电压信号从模拟信号转换为数字信号，最终通过数字解调获取读出电压信号，提取读出加速度；信号驱动器7用于产生直流偏置电压、载波和微扰信号；其中，微扰信号以及直流偏置电压施加在检验质量1上；微扰信号用于将输入加速度调制至频率/>，需指出，这里的调制频率/>高于1/f噪声的拐点频率；载波/>将检验质量由于位移产生的电容差信号调制在100kHz的高频处，通过电容位移传感器3对该信号进行调制，将电容差信号转化为位移信号，再通过控制器4将反馈电压经过反馈执行机5施加到各个极板2上，检验质量在偏置电压作用下产生静电力，将检验质量控制在极板框架的正中心。
现有加速度计的检验质量控制原理如图1和图2所示，通过图2可以得到读出电路的电压可以表示为：
（1.3）
公式（1.3）表示了读出电路的电压表达式，其中，表示反馈执行机的传递函数；表示探头传递函数；/>表示位移传感电路的传递函数；/>表示控制器传递函数；/>为输入加速度；/>为反馈执行机的1/f噪声；/>为读出电路的1/f噪声；将读出电压乘以理论的/>；读取得到输入加速度大小：
（1.4）
从公式中不难得出，读出电路的低频1/f噪声会直接贡献到读出加速度上，因此如图1所示，本申请在直流偏置电压上添加一个微扰，可以得到读出电路的读出电压表达式：
（1.5）
根据公式（1.5）可以得出，输入加速度已经成功调制至频率，避开了低频的1/f噪声；在进行ADC采集之前，可通过使用高通滤波器剔除读出电压中的直流分量和1/f噪声，接着通过运放进行放大，以提高读出加速度的分辨率；最后，通过数字方式进行解调；这一步骤序列有效地优化了信号处理流程，有助于提高系统对读出加速度的准确捕捉和解析；
（1.6）
通过上述解调结果可知，读出电路的噪声主要受频率处的噪声影响；如果频率处的噪声相对于1/f噪声的衰减远远小于微扰系数/>，则将在低频噪声抑制方面呈现出显著的改善效果。
综上所述，本申请为了降低低频加速度噪声，基于传统静电加速度计的基础上，只需在施加到检验质量上的偏置直流电压的基础上添加微扰的交流信号/>；这一操作使得反馈电压的一部分调制在频率/>上，在采集过程中解调该频率，最终获得输入加速度信号，并有效抑制读出电路的1/f噪声。本申请充分利用了静电加速度计的特性，提高了噪声抑制效果。
与传统的ADC降低1/f噪声的方法相比，本申请以静电加速度计的原理为基础，在不改变传统控制方法的基础上，仅在偏置电压上添加微小的交流扰动，使得反馈电压的一部分调制在高频处，而反馈加速度中的/>、/>的1/f噪声和/>的1/f噪声处于低频处，因此，本申请通过高通滤波，剔除掉读出电压中的直流分量、/>的1/f噪声和/>的1/f噪声，从而在一定程度上降低了读出电路的1/f噪声，相比于传统方法，基于静电加速度计的调制方法更为精巧，为有效抑制噪声提供了一种更为优越的途径。
可以理解的是，在本申请的实施例中涉及的各种数字编号仅为描述方便进行的区分，并不用来限制本申请的实施例的范围。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种交直混合降低读出电路1/f噪声的静电加速度计，其特征在于，包括：测量控制电路、敏感探头、信号驱动器和数据读出单元；
所述信号驱动器的输出端连接敏感探头的一输入端；采集单元的输入端连接敏感探头的另一输入端；
所述敏感探头包括检验质量和极板；所述信号驱动器用于提供载波、直流偏置电压和微扰信号，并将载波、直流偏置电压和微扰信号施加至检验质量上；所述极板上施加反馈电压；所述微扰信号用于将所述数据读出单元获取的读出加速度的频率调制到高于1/f噪声的拐点频率；1/f噪声包括测量控制电路以及数据读出单元引入的1/f噪声；
所述数据读出单元用于采集经微扰信号调制后的反馈电压信号；同时去除输入的直流反馈电压信号和1/f噪声，对经微扰信号调制后的反馈电压信号进行放大，再通过模拟数字转换，最终通过数字解调获取读出电压，提取读出加速度；
所述测量控制电路包括电容位移传感器、控制器和反馈执行机；
所述电容位移传感器的输入端连接测量控制极板，其输出端连接所述控制器；所述控制器的输出端连接反馈执行机；所述反馈执行机的输出端连接所述测量控制极板；
所述信号驱动器还用于产生载波；所述载波用于将所述检验质量由于位移产生的电容差信号调制至预设频率处；所述电容位移传感器用于将位移信号转变为电压信号；所述控制器用于将位移信号转化为反馈电压传输至反馈执行机；所述反馈执行机用于将反馈电压施加至各极板上；其中，反馈电压包括直流反馈电压信号和经微扰信号调制后的反馈电压信号；
其中，所述微扰信号为；其中,/>为偏置直流电压；/>为微扰系数；/>为微扰信号频率；/>为时间；
所述读出电压为：
其中，为读出电压；/>为微扰系数；/>为微扰信号频率；/>为时间；/>为反馈执行机的传递函数；/>为输入加速度；/>为反馈执行机的噪声； />为读出电路的噪声，/>和/>噪声低频呈1/f噪声形式。
2.根据权利要求1所述的静电加速度计，其特征在于，所述数据读出单元包括顺次相连的读出电路、高通滤波器、放大器和模拟数字转换器；
所述读出电路用于采集经微扰信号调制后的反馈电压信号；所述高通滤波器用于剔除直流反馈电压信号和1/f噪声；所述放大器用于对经微扰信号调制后的反馈电压信号进行放大；所述模拟数字转换器用于将放大后的经微扰信号调制后的反馈电压信号从模拟信号转换为数字信号，获取读出电压信号，提取读出加速度。
3.根据权利要求1所述的静电加速度计，其特征在于，读出加速度为：
其中，为频率/>处的数据读出单元的噪声；/>为频率/>处的反馈执行机的噪声；其中，频率/>高于其1/f噪声的拐点频率。
4.一种基于权利要求1所述的静电加速度计的加速度获取方法，其特征在于，包括以下步骤：
将直流偏置电压和微扰信号施加至检验质量上；其中，所述微扰信号用于将所述数据读出单元获取的读出加速度的频率调制到高于1/f噪声的拐点频率；1/f噪声包括测量控制电路以及数据读出单元引入的1/f噪声；
采集经微扰信号调制后的反馈电压信号，同时去除直流反馈电压信号和1/f噪声，对经微扰信号调制后的反馈电压信号进行放大，再通过模拟数字转换，最终通过数字解调获取读出电压，提取读出加速度。
5.根据权利要求4所述的加速度获取方法，其特征在于，所述微扰信号为；其中，/>为偏置直流电压；/>为微扰系数；/>为微扰信号频率；/>为时间。
6.根据权利要求5所述的加速度获取方法，其特征在于，读出电压为：
其中，为读出电压；/>为微扰系数；/>为微扰信号频率；/>为时间；/>为反馈执行机的传递函数；/>为输入加速度；/>为反馈执行机的噪声； />为读出电路的噪声，/>和/>噪声低频呈1/f噪声形式。
7.根据权利要求6所述的加速度获取方法，其特征在于，读出加速度为： ；
其中，为频率/>处的数据读出单元的噪声；/>为频率/>处的反馈执行机的噪声；其中，频率/>高于其1/f噪声的拐点频率。
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