静电负刚度谐振式加速度计数字化控制电路设计方法研究

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静电负刚度谐振式加速度计(Electrostatic Frequency Modulation Accelerometer,EFMA)是一种新型微机电(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)加速度计,它集主流的谐振式加速度计和电容式加速度计两种加速度计的优势于一身,具有精度高、长期稳定性好、温度特性好、噪声低的特点,有非常好的应用前景。然而,由于静电刚度对应的极板位移具有明显的非线性效应,这使得EFMA在大量程应用时表现出较差的线性,成为制约EFMA发展的重要因素。本文针对EFMA非线性问题进行分析,设计了基于力平衡控制方式的EFMA数字化控制电路并开展了实验验证。本文首先介绍了EFMA及其相关测控电路的研究现状,基于EFMA特殊的通过位移变化导致频率变化来检测加速度的工作特点,明确了力平衡闭环检测控制方式的可行性。其次,根据EFMA敏感结构及工作原理,建立了谐振器及机电接口理论等效模型。然后,对EFMA闭环驱动电路进行分析,设计了低噪声两级模拟前端放大电路、锁相环(Phase-locked loop,PLL)解调环路和自动幅度控制(Auto Amplifier Control,AAC)调制环路。之后,对EFMA力平衡闭环检测电路进行分析,通过对敏感结构的力学推导找到力平衡控制量并开展了正弦波频率测量电路与力平衡控制环路的设计与研究。最后结合EFMA敏感器件完成了实验室样机的调试,并进行性能测试,对比了有、无力平衡闭环检测电路的量程与标度因数非线性,在保证其它关键性能如零偏稳定性、标度因数稳定性不受影响的情况下将EFMA标度因数从6.03Hz/g提升到了25.3Hz/g,量程(标度因数非线性小于1000ppm的最大测量范围)从±1.6g提升到了±25g,验证了基于频率检测的力平衡闭环检测控制方式的可行性和优越性。
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