【技术实现步骤摘要】
本申请属于加速度传感测量领域，更具体地，涉及一种基于环内双调制降低读出电路1/f噪声的静电加速度计。
技术介绍
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、体积小以及能单点实现空间六个自由度的同时测量等优势，在重力场测试、广义相对论检验、等效原理检验、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、其中，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之间的电容，为施加到检验质量上的偏置电压， 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反馈电压。因此，反馈执行机的反馈传递函数可以表示为：
5、（1.2）
6、在实际过程中，得到科学数据的方法是将施加在测量控制极板上的反馈电压和用读出电路读取出来，通过和公式（1.2）相乘得到外界的加速度信号。首先在这个过程中由于读出的反馈电压是一个直流信号，此时读出电路中的1/f噪声会直接贡献到最终的电压输出，对最终的读出加速度带来较大的影响；而生成的反馈电压施加在测量控制极板上时，经过反馈执行机也会带来相应电子元器件的1/f噪
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基于环内双调制降低读出电路1/f噪声的静电加速度计，旨在解决加速度计读出的加速度精准度易受1/f噪声影响，传统降低1/f噪声的方法是在读出电路之前增加斩波器，该方法无法对反馈执行机的噪声进行有效抑制的问题。
2、为实现上述目的，第一方面，本申请提供了基于环内双调制降低读出电路1/f噪声的静电加速度计，包括：敏感探头、控制单元和频率调节单元；
3、所述频率调节单元用于调节施加在敏感探头上直流偏置电压和反馈电压的频率，使得施加在敏感探头上的电压频率大于1/f噪声的拐点频率；其中，所述1/f噪声由所述控制单元提供反馈电压至测量控制极板的过程中以及测量加速度相关电压信息过程中引入；敏感探头包括检验质量和测量控制极板；直流偏置电压施加在检验质量上；反馈电压施加至测量控制极板上；
4、所述控制单元用于对包含加速度信息的读出电压进行解调滤波，以便滤除所述1/f噪声，获取实际读出加速度值；其中，加速度信息由敏感探头反馈。
5、进一步优选地，所述控制单元包括电容位移传感器、控制器、反馈执行机、数据采集单元和信号驱动器；
6、所述电容位移传感器的输入端连接测量控制极板，其输出端连接控制器；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和所述测量控制极板相连接；所述信号驱动器的输出端通过一根金丝和检验质量相连；所述数据采集单元和所述测量控制极板相连；；
7、所述信号驱动器用于产生直流偏置电压和载波，并将直流偏置电压和载波加载在检验质量上；载波用于将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电容差信号转变为位移信号；所述控制器用于将位移信号转化为反馈电压传输至所述反馈执行机；所述反馈执行机用于将反馈电压施加至各个测量控制极板上；所述数据采集单元用于采集反馈电压，读取包含加速度信息的读出电压。
8、进一步优选地，所述频率调节单元为斩波开关调制器，设置在所述控制器前端或后端；用于将施加在检验质量上的直流偏置电压和施加在测量控制极板上的反馈电压调制成方波。
9、进一步优选地，所述1/f噪声包括反馈电路噪声和读出电路噪声；其中，反馈电路噪声包括信号驱动器和反馈执行机支路引入的噪声；读出电路噪声为读出电路读取读出电压信息引入的噪声；其中，数据采集单元包括读出电路和模拟数字转换器；读出电路用于读出包含加速度信息的读出电压。
10、进一步优选地，直流偏置电压调制成方波的表达式为：
11、
12、其中，为调制前反馈执行机的传递函数；是50%为1和50%为-1的方波；是调制后实际的反馈执行机的传递函数；为检验质量在标称位置处的测量控制极板与检验质量之间的电容；为检验质量； d为检验质量在标称位置处的差分电容极板间距；为施加到测量控制极板上的偏置电压；
13、反馈电压调制成方波的表达式为：
14、
15、其中，是调制前控制器的传递函数；是调制后实际的控制器的传递函数。
16、进一步优选地，所述读出电压表达式为：
17、
18、其中，是读出电压；是外界输入的加速度；是检验质量由于存在加速度产生位移的传递函数；是电容位移传感器的传递函数；是控制器的传递函数；是静电加速度计的开环增益，是读出电路噪声；是50%为1和50%为-1的方波。
19、进一步优选地，实际读出加速度为：
20、
21、其中，表示将读出电压的数据进行解调低通滤波后的实际读出加速度。 lpf为低通滤波器；将读出电压和相乘进行解调和低通滤波，最终得到外界输入加速度，即实际读出加速度。
22、第二方面，基于上述提供的静电加速度计，本申请提供了相应获取加速度的方法，包括以下步骤：
23、调节敏感探头上施加的直流偏置电压和反馈电压的频率，使得施加在敏感探头上的电压频率大于1/f噪声的拐点频率；其中，所述1/f噪声由所述控制单元提供反馈电压至测量控制极板的过程中以及测量加速度相关电压信息过程中引入；其中，所述直流偏置电压施加在检验质量上；所述反馈电压由反馈执行机传递至测量控制极板上；
24、对读取的包含加速度信息的读出电压进行解调滤波，以便滤除1/f噪声，获取实际读出加速度值；其中，加速度信息由敏感探头反馈。
25、进一步优选地，直流偏置电压被调制成方波，具体表达式为：
26、
27、其中，为调制前反馈执行机的传递函数；是50%为1和50%为-1的方波；是调制后实际的反馈执行机的传递函数；为检验质量在标称位置处的测量控制极板与检验质量之间的电容；为检验质量； d为检验质量在标称位置处的差分电容极板间距；为施加到测量控制极板上的偏置电压；
28、反馈电压被调制成方波，具体表达式为：
29、
30、其中，是调制前控制器的传递函数；是调制后实际的控制器本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于环内双调制降低读出电路1/f噪声的静电加速度计，其特征在于，包括：敏感探头、控制单元和频率调节单元；
2.根据权利要求1所述的静电加速度计，其特征在于，所述控制单元包括电容位移传感器、控制器、反馈执行机、数据采集单元和信号驱动器；
3.根据权利要求1或2所述的静电加速度计，其特征在于，所述频率调节单元为斩波开关调制器，设置在所述控制器前端或后端；用于将施加在检验质量上的直流偏置电压和施加在测量控制极板上的反馈电压调制成方波。
4.根据权利要求2所述的静电加速度计，其特征在于，1/f噪声包括反馈电路噪声和读出电路噪声；其中，反馈电路噪声包括信号驱动器和反馈执行机支路引入的噪声；读出电路噪声为读出电路读取读出电压信息引入的噪声；其中，数据采集单元包括读出电路和模拟数字转换器；读出电路用于读出包含加速度信息的读出电压。
5.根据权利要求3所述的静电加速度计，其特征在于，直流偏置电压被调制成方波的表达式为：
6.根据权利要求5所述的静电加速度计，其特征在于，所述读出电压表达式为：
7.根据权利要求6所述的静电
8.一种基于如权利要求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：
9.根据权利要求8所述的加速度获取方法，其特征在于，直流偏置电压被调制成方波，具体表达式为：
10.根据权利要求9所述的加速度获取方法，其特征在于，读出电压表达式为：
...【技术特征摘要】
1.基于环内双调制降低读出电路1/f噪声的静电加速度计，其特征在于，包括：敏感探头、控制单元和频率调节单元；
2.根据权利要求1所述的静电加速度计，其特征在于，所述控制单元包括电容位移传感器、控制器、反馈执行机、数据采集单元和信号驱动器；
3.根据权利要求1或2所述的静电加速度计，其特征在于，所述频率调节单元为斩波开关调制器，设置在所述控制器前端或后端；用于将施加在检验质量上的直流偏置电压和施加在测量控制极板上的反馈电压调制成方波。
4.根据权利要求2所述的静电加速度计，其特征在于，1/f噪声包括反馈电路噪声和读出电路噪声；其中，反馈电路噪声包括信号驱动器和反馈执行机支路引入的噪声；读出电路噪声为读出电路读取读出电压信息...
【专利技术属性】
技术研发人员：胡明，卢劲峰，欧阳超丽，史梦迪，白彦峥，周泽兵，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：
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