一种交直混合降低读出电路1/f噪声的静电加速度计

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：

1、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。

2、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：

3、（1.1）

4、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：

5、（1.2）

6、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。

技术实现思路

1、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。

2、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；

3、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；

4、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；

5、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。

6、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。

7、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；

8、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。

9、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；

10、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；

11、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。

12、进一步优选地，读出电压为：

13、

14、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。

15、进一步优选地，读出加速度为：

16、

17、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。

18、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：

19、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；

20、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。

21、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。

22、进一步优选地，读出电压为：

23、

24、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。

25、进一步优选地，读出加速度为：

26、

27、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。

28、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：

29、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。

技术特征：

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；

2.根据权利要求1所述的静电加速度计，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。

3.根据权利要求1或2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；

4.根据权利要求2所述的静电加速度计，其特征在于，测量控制电路包括电容位移传感器、控制器和反馈执行机；

5.根据权利要求4所述的静电加速度计，其特征在于，所述读出电压为：

6.根据权利要求5所述的静电加速度计，其特征在于，读出加速度为：

7.一种基于权利要求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：

8.根据权利要求7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。

9.根据权利要求8所述的加速度获取方法，其特征在于，读出电压为：

10.根据权利要求9所述的加速度获取方法，其特征在于，读出加速度为：

技术总结
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。

技术研发人员：胡明,卢劲峰,欧阳超丽,史梦迪,白彦峥,周泽兵
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/7