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。     

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...     

静电悬浮微机械加速度计检测电路设计

静电悬浮微机械加速度计通过静电力把质量块无接触的悬浮起来,具有极高的分辨率.一般采用差动电容式位移检测的方式来精确检测质量块在电极腔内的运动,然后在通过悬浮控制系统来实现六自由度的有源悬浮.针对该电容的检测,本文介绍了一种基于环形二极管解调的单频载波公共激励电极电容式多路位移检测方案,并进行了设计仿真与实验测试,实验测...     

一种新型的低噪声硅微机械陀螺电容读出电路

陀螺系统的微机械敏感结构部分的性能提升受到成本、工艺的限制，有较高难度，故提升接口电路的各项性能成为提升整个系统性能的关键。因此，电容读出电路作为微机械陀螺系统中非常重要的组成部分，该电路性能的优劣直接决定着陀螺的测量精度。为实现硅微陀螺高精度检测，设计了一款低噪声的电容读出电路。在陀螺与读出电路之间设计斩波开关，基于斩波技术进行低噪声设计，采用相关双采样技术用来降低关键的第一级放大电路的低频闪烁噪声和开关噪声。采用了一种简化的陀螺测试模型，用于读出电路的独立测试。读出电路在0.18μm CMOS工艺下设计流片，测试结果表明，该电容读出电路输出噪声为-122.8dBV/Hz1/2，可实现0.06aF/Hz1/2的电容分辨率。     

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...     

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。     

基于高灵敏超导探测器的新型脉冲光高精度光纤陀螺技术研究

高精度光纤陀螺的精度主要由光纤陀螺检测噪声决定,一般可用角随机游走系数来表征,光纤陀螺的角随机游走主要由光路干涉信号的信噪比和信号处理引入的噪声决定。提出了基于高灵敏超导探测器的脉冲光高精度光纤陀螺技术方案和精度提升方法,实现了陀螺光信号的高灵敏检测,显著降低了光纤陀螺的热噪声,降低了相对强度噪声,并避免了连续光因调制切换引入的尖峰脉冲误差的影响,有效提升了光纤陀螺的精度水平。通过仿真分析,可将光纤陀螺的随机游走系数检测极限从3.53×10-5(°)/h1/2降低至1.6×10-5(°)/h1/2,减小了约54.7%。     

High Resolution Differential Capacitance Detection Scheme for Micro Levitated Rotor Gyroscope

给出了一种用于新型悬浮结构的使用差分电容进行角度检测的电路分析。为了确保电路具有较小的非线性和高分辨率,进行了电路的噪声分析和和输出信号的非线性度仿真。在电容检测接口中,使用了电荷积分放大器作为前置级以消除由于电容接线引起的寄生电容。分析了当存在耦合电容时差分电容桥的输出以及输出信号的非线性误差,分析结果显示该检测电路可以实现高分辨率和低非线性的角度检测。使用 PSpice 仿真并制作了电容检测印刷电路板。实际实验中,该电路可以检测的最小角度分辨率为 0.04o,非线性误差为 2.3%。     

高精度加速度计阈值的重力二次细分测试方法

高精度导航系统和微重力测量系统对于加速度计有高精度的阈值指标需 求,传统测试方法难以完成高精度加速度计的阈值测试。对此,提出了一种新的加速度 计阈值测试方法。采用对重力加速度二次细分的方法,激励出微小的加速度输入,通过 将加速度计实际输出的微小加速度测量结果和理论值进行对比,得出加速度计的阈值指 标,并结合理论分析给出了此阈值测试方法的测试精度。最后,对此加速度计阈值测试 方法进行了仿真与实验验证,仿真结果表明此方法采用姿态精度2″的转台可以实现指标 为5.7685×10-8g 的加速度计阈值测试;实验结果证明此测试方法有效。     

电容探测系统在宇航加速度计中的应用

本文描述未来太空飞行器中的加速度计，采用的高灵敏度位置传感器的结构和性能，其机电转换机构的原理是一种电容位置传感结构，它在静电加速度计中探测“质量块”的移动。有一种所谓“面积变化电容器”的系统，在质量块上的反作用力很小，位置传感器分辨率在0－1Hz频带宽度范围内达到十分之几的皮米（10^-12米），用δ-△转换器把位置数字化后反馈给加速度计控制器。     

宇航用小型化超稳晶振（USO）设计与实现

在分析高稳定晶体振荡器(OCXO)工作原理的基础上,提出了一种改善晶体振荡器相位噪声的方法.通过低噪声主振电路设计、高精度控温电路设计及机电一体化设计等措施,设计研制了一种宇航用小型化超稳定晶体振荡器(USO),尺寸为99mm×88mm×55mm.经测试,产品短期频率稳定度为2.11×10-13/1s、3.28×10-13/10s、8.61×10-13/100s(Allan方差),相位噪声为-129.4dBc/Hz@1Hz和-147.0dBc/Hz@10Hz.     

基于锁相环的光电振荡器频率稳定化研究

通过构建小数分频锁相环,将一个工作于X波段的OEO(OptoElectronic Oscillator,光电振荡器)与OCXO(Oven-Controlled Crystal Oscillator,恒温晶体振荡器)进行锁相,得到了输出信号相位噪声和长期频率稳定度的提升。从PLL(Phase-Locked Loop,锁相环)环路传输特性出发,理论分析了PLL输出信号环路带宽内相位噪声水平和作用范围。为降低OEO整体的相位噪声,采用SIL(Self-Injection-Locking,自注入锁定)使OEO在10Hz~10kHz频偏处的相位噪声得到20dB以上的抑制。在此基础上将此SIL OEO与一个频率为100 MHz的OCXO锁相,获得了频率为9.95GHz、相位噪声为-55dBc/Hz@10Hz和-124dBc/Hz@10kHz的微波信号输出,其频率的重叠阿伦方差在100s平均时间内达到1.14×10~(-11),证明了提出的方案对提升OEO频率稳定性具有一定的实际意义。     

核磁共振陀螺信号仿真及噪声分析

核磁共振陀螺具有体积小、精度高、功耗低等优势,有望成为下一代惯性导航系统的核心部件,目前正受到人们的广泛关注。比较全面的介绍了核磁共振陀螺的基本理论,在此基础上利用时间离散化方法推导并建立了能够充分考虑核磁共振陀螺系统动态特性的仿真模型。利用该模型研究分析了锁相环相位、磁场、温度以及探测光强在1×10-5均方根幅度下均匀白噪声对陀螺信号的影响,发现它们对角随机游走、零偏不稳定性影响依次减小,且都具有自身独特的频率响应特性。其中,锁相环相位噪声引起的角随机游走与零偏不稳定性分别为5.1985×102(°)/h1/2、3.4593×103(°)/h,而探测光强噪声引起的角随机游走与零偏不稳定性分别为3.1623×10-1(°)/h1/2、4.7603×10-1(°)/h。该研究对深入分析核磁共振陀螺动力学机理、寻找主要噪声来源、提高陀螺性能具有重要意义。     

电子回旋共振推力器C/C复合材料栅极的力学性能

为了研究电子回旋共振推力器在搭载火箭升空过程中,过载和振动环境对栅极带来的影响,采用有限元分析软件建立了10 cm C/C复合材料栅极的有限元分析模型,计算分析了不同C/C复合材料栅极的力学性能、频率响应和振动模态。结果表明:20g过载下,栅极的最大变形量为6.12×10-4mm;在5~800 Hz激振下,栅极频率响应的最大位移为2.3×10-6mm;过载对栅极的影响要大于振动对它的影响,但是这两个值都在安全门限内;综合分析栅极频响和模态分析的计算结果,栅极仅在其第一阶模态处于外界激振发生共振。     

Challenges in the Measurement and Data-Processing Chain of the LISA Mission

The LISA Mission (Laser Interferometer Space Antenna) is currently under mission formulation with a launch date planned in 2020. The purpose of the mission is the observation of gravitational waves at frequencies between 0.1 mHz and 1 Hz by measuring distance fluctuations between inertial reference points, represented by cubic proof masses. In order to provide a sufficient sensitivity of the instrument, distance fluctuations between two inertial reference points must be measured with a strain accuracy of around 10^?20 Hz^?1/2. This is achieved by setting up a laser interferometer with a base-length of 5?10⁶ km and a path-length measurement noise in the order of 10 pm?Hz^?1/2. For a correct evaluation of the data on the ground, it is essential that the science data telemetry preserves all required frequency domain information. That is, any on-board data-processing and down-sampling must be done with great care in order not to introduce aliasing or other artifacts into the data stream. As an additional complication, most of the optical metrology data is dominated by laser phase noise which is about eight orders of magnitude larger than the required instrument sensitivity. However, by applying a method called “time-delayed interferometry” during the ground data processing, this laser phase noise can be eliminated from the data. This method has already been demonstrated in a detailed simulation environment, but it requires a very careful filtering, synchronization, and interpolation of the individual data streams. Last but not least, a calibration of system parameters is necessary in many areas of the LISA measurement system. The system design must therefore ensure that all data required for these calibrations is available on-ground in a quality that allows a successful computation of the calibration coefficients within a reasonable time-frame. The data streams do not only include data from the optical metrology system, but also from the drag-free and attitude control system which are used to derive other information, such as the charge state of the proof mass. This yields a strong coupling between the different disciplines since data that is only used for housekeeping purposes in other missions becomes an essential part of the science data stream for the LISA mission. This paper gives an overview of the LISA measurement and data-processing chain. It highlights the most challenging areas that have been identified so far and describes the intended solution methods.     

金属橡胶-钢丝绳索型减摆阻尼器动力学建模与参数识别

研制了一种直升机旋翼系统金属橡胶—钢丝绳索减摆阻尼器,对其建立了非对称弹性黏性阻尼双折线迟滞恢复力模型,利用Fourier级数展开法对模型作线性化处理,基于力—位移迟滞回线中恢复力各个成分关于位移的对称关系,设计了一种参数分离的物理参数识别算法,数值仿真显示算法精度和抗噪性高,采用振幅3.2mm,频率3Hz的正弦位移载荷激励减摆器时,实测结果的计算表明模型及算法可用于实际研究。     

尾缘锯齿降低叶栅噪声的数值模拟

采用大涡模拟与声类比的方法研究了尾缘锯齿对涡轮叶栅噪声的影响.设计了两种不同的尾缘锯齿,对比了Re=3.3×105(基于叶片弦长与叶栅出口速度)下两种不同结构锯齿尾缘叶栅与直尾缘叶栅的声功率.结果表明:尾缘锯齿可以降低叶片吸力面边界层分离噪声约5dB,降低尾缘涡脱落噪声约10dB.进一步的研究表明,尾缘锯齿可以降低叶片尾缘附近表面的压力脉动幅值约50%,将展向相关尺度较大的涡破碎成展向相关尺度较小的涡,并消除尾缘脱落涡,这三者的综合作用使噪声得到降低.      

从探测概率的角度评价飞机的隐身性能

采用雷达散射截面(RCS)均值来衡量飞机的隐身性能并不能给出足够充分的信息,从信号检测概率的角度来衡量飞机的可探测性可以提供更完整的信息。本文从探测概率的角度详细分析了4种典型隐身飞机RCS起伏数据与虚警概率、探测概率、探测距离、信噪比(SNR)等参数间的关系,并给出了完整的推导过程,采用此方法可以对任意飞机目标在给定雷达参数下的可探测性进行准确计算。一般在雷达性能评估中需要用到RCS起伏模型,本文对飞机目标回波信号进行检测分析时采用数值计算方法,信号的概率密度函数(PDF)直接来源于原始回波起伏信号,避免了模型拟合带来的回波特性失真,且不会产生大的计算误差。通过对比分析计算结果发现:单脉冲检测下回波信号均值中值比越大,回波取值范围越小,则信号的检测概率越小,其中均值中值比一般相差3倍以上时可以得到明显不同的检测概率;在快起伏假设下,非相参积累检测的积累脉冲数Nin即便较小,也能得到较大的信噪比增益,此增益可能大于Nin。