高分辨率充放电式差分电容传感器研究

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高精度电容位移传感技术是高精度静电悬浮加速度计/惯性传感器的关键技术之一。本文对面向空间惯性传感器应用的充放电式差分电容传感电路进行研究,给出了充放电式电容传感电路的设计原理,计算了充放电式传感电路各项噪声的来源,详细分析了各个元器件的性能及参数对传感电路性能的影响,建立了完整的电路噪声模型,对实际传感电路进行了灵敏度标定与噪声测试,在0.1Hz处实测电容分辨率达到了约6×10-7 pF/Hz1/2,达到预期分辨率的数量级。首先,本文对充放电式差分电容传感电路的基本原理进行了介绍。充放电式差分电容传感电路主要包括载波发生器模块、传感探头模块、跨阻放大器模块。本文对各模块的工作原理进行了详细的分析,给出了该电路的理论灵敏度系数。其次,本文对充放电式电容位移传感电路的噪声进行了详细计算。充放电式电容位移传感电路的噪声主要来源分为充放电电流噪声与跨阻放大器的噪声,本文分别对这两部分的噪声进行了详细的计算,对寄生电容对理论灵敏度系数的影响进行了评估,给出了传感电路的理论电容分辨率。最后,对电容传感电路的实际性能进行了详细的测试。对电压基准源、采样系统的噪声本底、电路灵敏度系数、电容分辨率等做了详细的测试。测试数据表明电压基准源、采样系统的噪声可以满足目前电路的需求,传感电路的灵敏度系数标定结果在误差范围内与理论预期基本一致,而电容分辨率与理论分辨率虽然还存在一定差距,但已通过实验确定其噪声主要受限于载波信号的不稳定性。
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