静电悬浮微加速度计高灵敏度电容检测通道设计

高灵敏度电容式位移检测是实现静电悬浮微加速度计闭环测控的关键技术之一.针对微加速度计径向悬浮检测的特点及指标要求,设计了高灵敏度、高精度电容式微位移检测通道.该通道主要由前置RC隔离网络与C/V转换、高共模抑制比差动放大器、二级运放、二阶压控电压源有源带通滤波、相敏解调(含模拟乘法器与四阶Butterworth低通滤波...     

硅微加速度计六自由度悬浮控制系统设计

六轴静电悬浮的硅微加速度计以其低量程、高分辨率和多轴集成等特点,在微小航天器的无拖曳控制、微重力测量等方面有着独特而重要的用途.本文针对外带梳齿式长方体检测质量的表头结构,依据带宽、量程、刚度等指标要求,经位移检测解耦变换与加力控制耦合变换后,分别设计出六轴稳定悬浮控制器.在地面大气环境下的仿真分析结果表明,阻尼最小的...     

地面静电加速度计的位移检测电路设计

高精度静电悬浮加速度计可作为海空重力测量仪器中的核心传感器,检验质量的位移检测电路是加速度计控制系统的核心,其精度直接影响了加速度计零偏和标度因数的稳定性,因此需要研究分辨率高、噪声小的位移检测系统。针对高精度静电悬浮加速度计的地面应用需求,以大表面积质量比的敏感探头结构为测量对象,设计了基于差动电容的位移检测电路,建立了电容检测电路的数学模型,对电路误差源进行了系统分析。实验结果表明,该电路能够有效地抑制悬浮高压引入的耦合误差,减小电路噪声。当电路工作在零点附近,20kHz内的噪声小于2×10-6V/Hz1/2,对应电容检测分辨率为2.93×10-5pF/Hz1/2,能够满足地面应用静电加速度计对位移测量精度的要求。     

硅微静电悬浮陀螺微位移检测电路噪声分析

硅微静电悬浮惯性仪表主要面向空间应用,如卫星无拖曳控制,星载重力测量等,具有潜在分辨率高、功耗低、体积小、多轴集成等特点。仪表的高分辨率实现对检测电路的噪声提出了较高要求。本文以硅微静电悬浮陀螺仪单频调幅电容式微位移检测电路为例,从电路外部干扰噪声耦合机理及抑制、电路内部噪声分析及优化两个方面,给出了电源耦合噪声、电路温度特性以及放大器电路噪声分析优化等方面的理论推导、仿真及实验验证。     

微米光栅加速度计力反馈系统设计

针对高分辨率微米光栅加速度计中存在的输出非线性和动态范围小的问题,提出了一种基于静电驱动的静电力反馈方法.该方法一方面将质量块位移锁定在最佳工作点,提高加速度计的线性度;同时利用静电力反馈实现微米光栅加速度计的力反馈控制,提高它的动态范围.给出了微米光栅加速度计的力反馈检测原理,建立了静电力反馈控制模型和基于力反馈的微米光栅加速度计系统的数学模型,在此基础上优化了PI控制单元,搭建了微米光栅加速度计力反馈系统,实现了力反馈控制.实验结果显示:当质量块位移锁定在最佳工作点处时,微米光栅加速度计的量程比未加力反馈时增大了33.4倍,非线性度抑制了6.4倍.     

静电悬浮微加速度计气膜阻尼分析

气膜阻尼对静电悬浮微加速度计系统的动态特性有着重要的影响。本文首先根据流体力学理论,构建了描述微加速度计内部气体压膜阻尼特性的线性Reynolds方程和描述微加速度计内部气体滑膜阻尼特性的线性Navier-Stokes方程,推导出悬浮质量块在轴向和径向运动时的气膜阻尼系数,并进行比较。然后采用ANSYS软件进行仿真分析,结果表明,解析误差在10%以内。     

精密检测器高稳定正弦波激励电压源

电磁式、电容式一类精密位移检测器信息传递质量与其采用的激励源质量密切相关。本文以电感式位移检测器为例,试推导出正弦波激励电压源幅值稳定度、频率稳定度与检测器测输出量稳定度之间的数量关系,并涉及正弦波激励源波形失真的影响。重点介绍了相应于精密检测器及检测线路的要求,它研制成了可满足不同需求的高质量正弦波激励电压源。     

无轴承异步电机研究与实现

 对无轴承异步电机中悬浮力产生原理, 以及如何实现电枢转矩和悬浮力解耦控制的工作原理做了简要介绍, 并提出了以功能强大的高速数字信号处理器(TMS320F240) 为控制核心的数模混合控制电路。对原理样机的悬浮实验分析表明, 提出的悬浮系统能够在稳速和变速过程中满足悬浮要求, 并且转轴的径向位移不超过50Lm。     

无轴承开关磁阻电机平均悬浮力控制策略

 无轴承开关磁阻电机是一个复杂的非线性系统,因此其控制策略的研究非常重要。高速时由于反电势的增加,使悬浮绕组开通时刻电流难以跟踪,导致瞬时悬浮力难以控制,因此有必要研究基于平均悬浮力和平均转矩的无轴承开关磁阻电机控制策略。根据无轴承开关磁阻电机的悬浮原理和数学模型,设计平均悬浮力和平均转矩的控制策略。主绕组电流和悬浮绕组电流均采用方波控制。推导了平均悬浮力与绕组电流之间的关系,以及主绕组电流和悬浮绕组电流的计算公式。给出了超前角和绕组电流的计算流程。针对12/8结构的无轴承开关磁阻电机,设计了以数字信号处理器TMS320C2812为核心的控制系统。通过实验给出了绕组电流波形和转子位移波形。实验结果显示了电机的稳定悬浮,验证了此控制策略的可行性。     

一种航空发动机用双定子无轴承电机研究

为了消除摩擦阻力并简化系统结构,实现多电航空发动机的稳定悬浮运行,本文研究了一种具有独立的转矩和悬浮力极的双定子无轴承开关磁阻电机.推导了电机悬浮力的数学模型,通过与有限元计算结果的对比证明所建立解析表达式的正确性.搭建了实验平台,实验结果证明了电机在运行过程中转子能够稳定地悬浮在中心位置,并且转矩控制与悬浮力控制可以自然解耦,实现独立可控的磁悬浮运行.     

面向悬浮光力系统的集成化反馈控制器研究

悬浮光力系统具有高灵敏度、高稳定性和低耗散等特点,有望发展成为新型高性能力学传感器。针对目前悬浮光力系统存在的反馈控制器兼容性差、软硬件成本高、集成度低等问题,提出了一种兼容多种反馈控制模式的软硬件设计方案,并研制了一套高度集成的反馈控制器,在160 mm×170 mm×42 mm的尺寸上集成了六通道模数/数模转换器、滤波器、现场可编程门阵列+微处理器(FPGA+ARM)等功能模块,并且开发了基于数字锁相环和比例积分微分(PID)控制器的控制算法,最终在同一套硬件系统上实现了跨尺度微粒的运动信息采集和反馈控制,以及数十赫兹至亚兆赫兹的感知带宽。实验结果表明,该集成反馈控制器能够实现超高真空(10^-6 Pa量级)下亚微米及微米尺度微粒的稳定悬浮和运动控制。在扩展系统感知带宽的同时减小了整体体积,为悬浮光力传感技术的器件化奠定了基础。     

基于模态局部化效应的微机械加速度计研究进展

模态局部化效应是安德森局部化在结构动力学中的一种具体表现形式,其利用振动模态的能量局部集中效应实现了灵敏度的大幅度提高。因此,模态局部化效应近年来逐渐被用于研制高精度的谐振式传感器。介绍了模态局部化效应的基本原理及发展历程,及其在各类谐振式传感器中的应用及研究现状,包括质量传感器、电荷传感器、位移传感器以及刚度传感器。最后,着重介绍了模态局部化效应在惯性敏感器件加速度计中的应用及研究现状。     

石英谐振加速度传感器芯片设计与仿真

分体式石英谐振加速度传感器在性能提升上受到装配误差等因素的影响较大，故提出一种全石英谐振加速度计芯片结构，包括下层的硅结构和上层的石英结构。下层的硅基底仅作为支撑结构进行加工制作，敏感单元为全石英材料，硅结构与石英结构键合到一起，结构加工完成后去除硅材料，以释放石英敏感单元。整体结构为中心对称，包括质量块、音叉结构、微杠杆结构和应力分配梁，芯片通过微杠杆结构来增大传感器的灵敏度，并通过应力分配梁使石英音叉两根振梁上的内应力均匀一致。通过仿真验证了设计的有效性，仿真的差动灵敏度为35Hz/g。     

微传感器最新发展

近年来，微传感器受到国际传感技术界的广泛关注，本文介绍十多个微传感器，包括三轴加速度计，单，双轴加速度计片，表面微机械陀螺（角速度传感器），微惯性导航系统，微磁通门传感器，磁阻传感器，纳米皮拉尼压力传感器，微科氏质量流量计，毫米波图像传感器，GPS手表（1cm^3)，二氧化碳传感器和微/超微角位移传感器，文事简要介绍它们的基本结构。敏感机理，特点等，从中可以看出微传感器已成为传感技术中有重要应用前景的组成部分。     

印刷电路板振动模态的精确测试方法

印刷电路板的动力学特性直接影响机载电子设备在振动和冲击环境下的工作可靠性,有必要在设计阶段对其进行动力学分析.印刷电路板为薄壁结构,质量一般较小,在使用传统的加速度传感器测量时,传感器的附加质量会对模态测试结果造成影响.通过加速度传感器与激光测振仪测试数据的对比,分析了加速度传感器附加质量对模态测试结果的影响,验证了传感器附加质量消除方法的效果,结论认为传感器附加质量对印刷电路板模态测试的结果影响明显且这种影响不能被完全消除;使用扫描式激光测振仪可以得到精确详细的模态参数.     

Micromechanical gyros & accelerometers for digital navigation & control systems

There is no general consensus of opinion about the future of micromechanical gyroscopes and accelerometers. According to the pessimistic estimation, micromechanical gyroscopes and accelerometers have attained the limit of their accuracy. However, optimists believe that micromechamical gyroscopes will soon occupy the niche of fiber-optical gyroscopes and the latter will press laser gyroscopes. The present-day development of micromechanical gyroscopes and accelerometers is aimed at improving the basic and minor parameters: sensitivity, bias, offset, drift, resolution, scale factor, and its non-linearity. High level of performance is provided by application of high technology. This is devoted to the development and manufacturing of "silicon-glass" micromechanical sensors of encapsulated-type with digital output processing. The key technological processes allowing production of micromechanical encapsulated sensors with vacuum insides are considered and the features of their design are described. The methods for maintaining high reliability of encapsulated micromechanical gyroscopes with inner getter structure are discussed. ASIC designs for control and processing of micromechanical sensor outputs allow their accuracy, which is part of modern integrated systems, to be considerably improved. Also considered are various assemblies and packaging of the ASIC and micromechanical sensor as a single product.