CN208282768U - 一种实时优化信噪比的电容位移传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种实时优化信噪比的电容位移传感器，包括机械敏感探头，桥式电路，前置放大器，信号处理电路，相敏检波电路，低通滤波器，信噪比测量装置和载波频率调节装置；桥式电路的输入端连接至机械敏感探头的输出端，前置放大器的输入端连接至桥式电路的输出端，信号处理电路的输入端连接至前置放大器的输出端，相敏检波电路的第一输入端连接至信号处理电路的输出端，相敏检波电路的第二输入端用于连接载波信号，低通滤波器的输入端连接至相敏检波电路的输出端，信噪比测量装置的输入端连接至前置放大器的输出端，载波频率调节装置的输入端连接至信噪比测量装置的输出端，载波频率调节装置的输出端连接至机械敏感探头的输入端。

Description

一种实时优化信噪比的电容位移传感器

技术领域

本实用新型属于电容位移检测领域，更具体地，涉及一种实时优化信噪比的电容位移传感器。

背景技术

高精度电容位移传感器作为一种传统非接触式传感器，主要应用于基于电容变化的惯性测量器件中，如陀螺仪、加速度计等。高精度电容位移传感器组成主要包括电容桥、前端电路、相敏检波及低通电路等。目前基于变压器桥路的高精度电容位移传感器已广泛应用于空间静电加速度计和惯性传感器中。其分辨率已达10^-7pF/Hz^1/2量级，对应位移检测可达皮米量级，接近电路热噪声水平。由于电容位移传感电路的分辨率极高，要求其电路一直处于高信噪比的工作状态，而传统电路研制方式一旦确定了器件型号参数并焊接后，工作频率参数等便固定，实际预期工作参数(如载波频率等)容易受到外界环境的影响，使得电路偏离或未能工作在信噪比最佳的工作状态，从而影响到电容位移传感的分辨率。

实用新型内容

针对现有技术的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种实时优化信噪比的电容位移传感器，旨在解决现有技术中的电路由于时间漂移、工作温度环境变化等因素，导致工作电路不能工作在最初设置的最佳信噪比(工作频率)的状态，从而导致电容位移传感的分辨率变低的问题。

本实用新型提供了一种实时优化信噪比的电容位移传感器，包括：机械敏感探头，桥式电路，前置放大器，信号处理电路，相敏检波电路，低通滤波器，信噪比测量装置和载波频率调节装置；机械敏感探头的输入端用于接收载波信号，桥式电路的输入端连接至机械敏感探头的输出端，前置放大器的输入端连接至桥式电路的输出端，信号处理电路的输入端连接至前置放大器的输出端，相敏检波电路的第一输入端连接至信号处理电路的输出端，相敏检波电路的第二输入端用于连接载波信号，低通滤波器的输入端连接至相敏检波电路的输出端，信噪比测量装置的输入端连接至前置放大器的输出端，载波频率调节装置的输入端连接至信噪比测量装置的输出端，载波频率调节装置的输出端连接至机械敏感探头的输入端。

更进一步地，机械敏感探头包括：惯性物体，第一电容和第二电容；第一电容和第二电容分别接入所述桥式电路的两个输入端，当第一电容和第二电容的大小不相等时，桥式电路输出包含有差分电容位移信息的调制信号。

更进一步地，当机械敏感探头中惯性参考物体在惯性系统中发生位移运动时，其与框架形成的第一电容和第二电容大小发生变化，通过载波信号将缓慢变化的第一电容和第二电容调制在桥式电路中，前置放大器将差分调制信号进一步放大，信号处理电路对放大后的信号进一步进行调理，相敏检波电路解调分离出缓慢变化的第一电容和第二电容差分电容信号，低通滤波器滤除掉高频信号后获得低频差分电容信号，信噪比测量装置对差分电容信号前置放大器后的信号进行信噪比分析并通过载波参数调节装置使整个位移测量系统位于最佳工作点，从而性能达到最优。

更进一步地，信噪比测量装置包括：依次连接的数据采集模块、信噪比最佳工作频率分析模块；数据采集模块的输入端作为所述信噪比测量装置的输入端，所述信噪比最佳工作频率分析模块的输出端作为所述信噪比测量装置的输出端；所述数据采集模块用于采集所述前置放大器输出的电压信号v；所述信噪比最佳工作频率分析模块用于对所述电压信号v进行频谱分析获得电压噪声最低时对应的工作频率。

更进一步地，载波频率调节装置包括：依次连接的控制模块、查找表模块、DAC数模转换模块和滤波器模块；所述控制模块的输入端作为所述载波频率调节装置的输入端，所述滤波器模块的输出端作为所述载波频率调节装置的输出端；所述控制模块用于根据所述信噪比测量装置输出的最佳工作频率控制所述查找表模块输出与最佳工作频率相对应的载波数字信号；DAC数模转换模块用于将所述载波数字信号转换为载波模拟信号；滤波器模块用于对所述载波模拟信号进行带通滤波并输出用于控制所述载波信号工作在所述最佳工作频率处的载波控制信号。

本实用新型主要通过增加实时测量电容位移传感电路最佳信噪比(工作频率)测量装置，通过最佳信噪比对应工作频率的实际测量，进而通过载波频率调节装置，实时调整优化电容位移传感的载波信号的幅值、频率和相位，使得该电路不受时间漂移、温度等外界环境干扰影响，实时工作在电路的最佳状态，保证电容位移传感噪声不发生变化，进而满足长期超高精度的位移检测要求。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种实时优化信噪比的电容位移传感装置的示意图。

图2为本实用新型实施例提供的实时优化信噪比的电容位移传感装置中信噪比测量装置的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的实时优化信噪比的电容位移传感装置中载波参数调节装置的结构示意图。

其中，1是载波信号；2是机械敏感探头，21是机械敏感探头中的惯性参考物体，22是第一电容，23是第二电容，22和23形成一对电容；3是桥式电路；4是前置放大器；5是信号处理电路；6是相敏检波电路；7是低通滤波器；8是信噪比测量装置，9是载波参数调节装置。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型提供了一种动态调整并提高差分电容传感器信噪比的装置，适用于需求高精度电容位移传感电路的各个领域，如加速度计、空间惯性传感器等惯性仪表或地球物理测量及观测仪器中。本实用新型结合信噪比测量装置实现电容位移传感电路的预期工作状态，进而实现高精度位移检测，从而保证整机的性能。

图1示出了本实用新型实施例提供的实时优化信噪比的电容位移传感装置，为了便于说明仅示出了与本实用新型实施例相关的部分，详述如下：

实时优化信噪比的电容位移传感装置包括：机械敏感探头2，桥式电路3，前置放大器4，信号处理电路5，相敏检波电路6，低通滤波器7，信噪比测量装置8和载波频率调节装置9；机械敏感探头2的输入端用于接收载波信号1，所述桥式电路3的输入端连接至所述机械敏感探头2的输出端，前置放大器4的输入端连接至桥式电路3的输出端，信号处理电路5的输入端连接至前置放大器4的输出端，相敏检波电路6的第一输入端连接至信号处理电路5的输出端，相敏检波电路6的第二输入端用于连接载波信号1，低通滤波器7的输入端连接至相敏检波电路6的输出端，信噪比测量装置8的输入端连接至前置放大器4的输出端，载波频率调节装置9的输入端连接至信噪比测量装置8的输出端，载波频率调节装置9的输出端连接至机械敏感探头2的输入端。

机械敏感探头2包括：机械敏感探头2包括：惯性物体21，第一电容22和第二电容23，第一电容22和第二电容23分别接入桥式电路3的两个输入端，当第一电容22和第二电容23不相等时，桥式电路3输出包含有差分电容位移信息的调制信号。

当机械敏感探头2中惯性参考物体21在惯性系统中发生位移运动时，其与框架形成的第一电容22和第二电容23大小发生变化，通过载波信号1将缓慢变化的第一电容22和第二电容23调制在桥式电路3中，前置放大器4将差分调制信号进一步放大，信号处理电路5对放大后的信号进一步进行调理，如滤波等，相敏检波电路6主要用于解调分离出缓慢变化的第一电容22和第二电容23差分电容信号，低通滤波器7最终滤除掉高频信号，从而得到低频差分电容信号，即实现了电容位移传感测量，信噪比测量装置8对差分电容信号前置放大器4后的信号进行信噪比分析并寻找最佳工作点，然后通过载波参数调节装置9使整个位移测量系统位于最佳工作点，从而性能达到最优。

在本实用新型实施例中，前置放大器4可以为低噪声运算放大器；信号处理电路5可以为低通滤波器和高通滤波器的组合电路；相敏检波电路6可以采用开关解调或者乘法解调电路实现。

在本实用新型实施例中，信噪比测量装置8包括：依次连接的数据采集模块81和信噪比最佳工作频率分析模块82，数据采集模块81用于采集前置放大器4输出的电压信号v，其中，采集频率能力需达到百kHz；信噪比最佳工作频率分析模块82用于对电压信号v进行频谱分析后获得电压噪声最低时对应的工作频率，即信噪比最佳工作频率；其中频谱分析具体可以为傅立叶频谱分析。在本实用新型实施例中，载波频率调节装置9包括：依次连接的控制模块90、查找表模块91、DAC数模转换模块92和滤波器模块93，控制模块90的输入端作为载波频率调节装置9的输入端，滤波器模块93的输出端作为载波频率调节装置9的输出端；控制模块90用于根据信噪比测量装置8输出的最佳工作频率控制查找表模块91输出与最佳工作频率相对应的载波数字信号；DAC数模转换模块92用于将载波数字信号转换为载波模拟信号；滤波器模块93用于对载波模拟信号进行带通滤波并输出用于控制载波信号1工作在最佳工作频率处的载波控制信号。

本实用新型主要通过增加实时测量电容位移传感电路最佳信噪比(工作频率)测量装置，通过最佳信噪比对应工作频率的实际测量，进而通过载波频率调节装置，实时调整优化电容位移传感的载波信号的幅值、频率和相位，使得该电路不受时间漂移、温度等外界环境干扰影响，实时工作在电路的最佳状态，保证电容位移传感噪声不发生变化，进而满足长期超高精度的位移检测要求。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种实时优化信噪比的电容位移传感器，其特征在于，包括：机械敏感探头(2)，桥式电路(3)，前置放大器(4)，信号处理电路(5)，相敏检波电路(6)，低通滤波器(7)，信噪比测量装置(8)和载波频率调节装置(9)；

机械敏感探头(2)的输入端用于接收载波信号(1)，所述桥式电路(3)的输入端连接至所述机械敏感探头(2)的输出端，前置放大器(4)的输入端连接至桥式电路(3)的输出端，信号处理电路(5)的输入端连接至前置放大器(4)的输出端，相敏检波电路(6)的第一输入端连接至信号处理电路(5)的输出端，相敏检波电路(6)的第二输入端用于连接载波信号(1)，低通滤波器(7)的输入端连接至相敏检波电路(6)的输出端，信噪比测量装置(8)的输入端连接至前置放大器(4)的输出端，载波频率调节装置(9)的输入端连接至信噪比测量装置(8)的输出端，载波频率调节装置(9)的输出端连接至机械敏感探头(2)的输入端。

2.如权利要求1所述的电容位移传感器，其特征在于，所述机械敏感探头(2)包括：惯性物体(21)，第一电容(22)和第二电容(23)；所述第一电容(22)和所述第二电容(23)分别接入所述桥式电路(3)的两个输入端，当所述第一电容(22)和所述第二电容(23)的大小不相等时，所述桥式电路(3)输出包含有差分电容位移信息的调制信号。

3.如权利要求1-2任一项所述的电容位移传感器，其特征在于，信噪比测量装置(8)包括：依次连接的数据采集模块(81)、信噪比最佳工作频率分析模块(82)；

所述数据采集模块(81)的输入端作为所述信噪比测量装置(8)的输入端，所述信噪比最佳工作频率分析模块(82)的输出端作为所述信噪比测量装置(8)的输出端；所述数据采集模块(81)用于采集所述前置放大器(4)输出的电压信号v；所述信噪比最佳工作频率分析模块(82)用于对所述电压信号v进行频谱分析获得电压噪声最低时对应的工作频率。

4.如权利要求1-2任一项所述的电容位移传感器，其特征在于，载波频率调节装置(9)包括：依次连接的控制模块(90)、查找表模块(91)、DAC数模转换模块(92)和滤波器模块(93)；

所述控制模块(90)的输入端作为所述载波频率调节装置(9)的输入端，所述滤波器模块(93)的输出端作为所述载波频率调节装置(9)的输出端；

所述控制模块(90)用于根据所述信噪比测量装置(8)输出的最佳工作频率控制所述查找表模块(91)输出与最佳工作频率相对应的载波数字信号；所述DAC数模转换模块(92)用于将所述载波数字信号转换为载波模拟信号；所述滤波器模块(93)用于对所述载波模拟信号进行带通滤波并输出用于控制所述载波信号(1)工作在所述最佳工作频率处的载波控制信号。