硅挠性加速度计检测电路设计

　　1　硅挠式加速度计的工作原理

　　硅挠性加速度计的工作原理见图1,图1为硅挠性加速度

　　计的系统框图。

　　当沿敏感轴方向有加速度时,加速度a作用于加速度计传感器摆组件的摆片(敏感质量块)上,产生惯性力Fz=ma.同时,在惯性力Fa的作用下,摆组件质量块沿加速度方向上产位移z,位移检测器检测到其微小的位移,引起互感系数的变化,并且产生一个输出电压,这个电压经伺服电路的前置放大器、解调器、低通滤波器、控制器以及功率放大器(V/I转换器)等进行适当的波形加工并且转换成电流,作用在力矩器(伺服执行机构)上形成反馈力Fb(Fb=Bδ·i·l,其中Bδ·l为力矩器的机电耦合常数)。由于力矩器产生的反馈力Fb与惯性力Fz的方向相反,同时由于深度负反馈的作用,使加在敏感质量块上的不平衡力ΔF的值很小,因此反馈力与惯性力几乎相等,即Fb=Fz.因此,ma=Bδ·i·l,即i=ma/(Bδ·l),即电流i的大小正比于加速度a的大小,从而实现了力平衡传感器对加速度的测量。

　　2　伺服电路的设计思想

　　伺服电路的构成如图2与图3所示。

　　硅挠性加速度计的伺服电路包括平衡线圈、前置放大器、解调器、控制器和功率放大器。位移检测器的设计是在假设两个位移敏感线圈一致的条件下进行的。然而,在实际设计的时候,这两个线圈不可能具有完全一样的特性;为了对此补偿,就要使用平衡线圈。前置放大器是个带通滤波器,其中心频率与检测的正弦激励电流的频率相同。解调器与低通滤波器产生一个相应于前置放大器输出的DC电压。尽管硅挠性加速度计的阻尼系数值被设计得很高,由于闭环增益很大,所以硅挠性加速度计的控制器应给加速度计的闭环系统提供一个阻尼因子。硅挠性加速度计在低频范围内相应于高灵敏度阀值也必须应有高的增益。为了满足上述要求,需要使用一个滞后-超前补偿器.

　　3　伺服电路的设计

　　3.1　前置放大器电路设计

　　图4所示电路是20 kHz有源带通滤波电路[1]。电路增益Kv=-1,中心频率f₀=20 kHz,品质因数Q=10,波形失真系数≤0. 1%。

　　3.2　解调电路设计

　　图5是解调电路原理图[2]。其中使用双路模拟开关和双高阻高速运算放大器。两路模拟开关分别由参考激励信号从X1端输入进行控制。当开关导通时,电容器接地放电;当开关断开的时候,电容器通过两个电阻进行充电。就这样两路分别对C₆和C₇进行充放电达到对测量信号解调的目的。