石英撓性擺式加速度計具有精度高、體積小,、長期穩(wěn)定性好等優(yōu)點,，廣泛應用于高精度慣性導航以及國民經(jīng)濟各個領域[1-2],。與微機械（MEMS）加速度傳感器相比，其精度更高(已達到10-6 g),。

    在既定石英表頭的情況下,，電容檢測是決定加速度計最小分辨力的關鍵因素。之前國內(nèi)的石英加速度計閉環(huán)回路廣泛采用某型號集成檢測芯片實現(xiàn),，但是隨著對加速度計分辨力要求的不斷提高,，需要開發(fā)更高精度的再平衡回路，同時,，傳統(tǒng)的回路是一個固定的設計,，不易根據(jù)實際應用調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)指標。目前,，國內(nèi)設計高精度電容檢測芯片還有一定難度,，而市場上的電容檢測芯片(如AD公司)也很難應用在石英表頭上。國內(nèi)某科研單位采用分立器件開發(fā)的電容閉環(huán)電路達到了很好的效果,。本單位展開這方面的研究,，試圖繼續(xù)挖掘采用分立器件的閉環(huán)電路的潛力。
    本論文采用了單載波調(diào)制的電容檢測方法,，分析了檢測電路的噪聲特性,，設計了信號放大電路以及驅(qū)動回路。最后,，對加速度計表頭進行了重力場測試,，并給出了測試結(jié)果。
1 石英撓性加速度計電容檢測原理
    如圖1所示,，石英加速度計采用差動電容的信號傳感形式,，石英擺在外界加速度作用下會發(fā)生一定的偏角，使得△C≠0,，對此微小電容信號放大后，利用加矩電路將撓性擺實時拉回平衡位置,，以減小非線性,，提高分辨力，增大加速度計的量程和動態(tài)范圍,。力矩器平衡時的電流即代表被測加速度,。

    電容檢測電路主要有開關型和交流電橋調(diào)制解調(diào)法[3-4]。開關型電路對電子器件要求高,，并且有較大的開關噪聲,。而調(diào)制解調(diào)法具有檢測精度高、信噪比高等優(yōu)點,，廣泛應用于精密電容測量領域,。對于差動電容的檢測,，調(diào)制解調(diào)法又分為單載波和雙載波型，鑒于雙載波檢測對兩載波信號的對稱要求很高,，本文最終選擇單載波調(diào)制來實現(xiàn)電容檢測,。
    單載波調(diào)制法又可分為全橋和半橋檢測法，本設計采用半橋檢測,，即雙路積分型(圖2),。參考文獻[4]對其進行了詳細的噪聲分析,該部分電路噪聲主要包括電壓噪聲、電流噪聲以及電阻熱噪聲,。要減小檢測電路的噪聲且保證兩路放大的一致性,，需采用低噪聲低漂移的精密運算放大器[3-4]。同時,，為減小大反饋電阻的熱噪聲,，采用T型網(wǎng)絡代替單個電阻Rf（圖2）[4]。

2 閉環(huán)檢測電路的硬件實現(xiàn)
    圖2所示電路輸出Vo1為經(jīng)放大后的微小電容調(diào)制信號,，需要對其解調(diào)以得到與電容變化對應的直流信號,，信號解調(diào)電路主要包括乘法器與低通濾波部分。電容檢測部分與驅(qū)動網(wǎng)絡共同組成加速度計閉環(huán)電路（結(jié)構(gòu)見圖3）,。

2.1 移相電路
    由于載波激勵信號通過差動電容調(diào)制放大電路后會產(chǎn)生相角偏移,，從而降低解調(diào)電路的輸出幅值，為使信號經(jīng)過乘法器后幅值為最大,，采用移相器使兩個要相乘的信號相位保持一致,。
    移相器電路增益定為1，放大器采用B-B公司的UAF42濾波器芯片自帶的運算放大器,，該放大器偏置電流低,，帶寬滿足激勵信號，符合作為移相器的運算放大器要求,。
2.2 乘法器
    乘法器相敏解調(diào)具有線性度好,、失真小的特點，適合對微弱信號的解調(diào),。本方案乘法器選用AD公司的AD734,，其精度高（0.1%）、噪聲性能優(yōu)良以及帶寬為10 MHz,，成為本設計的首選,。同時，大的帶寬也有助于選擇更合適的調(diào)制信號頻率,。電路結(jié)構(gòu)見參考文獻[6],，采用正弦波調(diào)制，則由式(1)得到乘法器輸出見式(2)[5-6]。
 
2.4 驅(qū)動電路
    驅(qū)動電路將電容檢測輸出的微弱電壓信號放大,，驅(qū)動表頭內(nèi)的線圈使擺片重新回到擺角為零的狀態(tài),，使加速度計系統(tǒng)成為一個鎖定回路。為滿足加速度計的動靜態(tài)指標,，閉環(huán)回路必須引入校正環(huán)節(jié),，根據(jù)回路各部分傳遞函數(shù)，利用Matlab計算出各阻容參數(shù),，使回路具有一定的幅值和相角裕度,。本設計采用PID校正電路。功放芯片采用OPA548,，另外,，在力矩器線圈下端串接一精密采樣電阻，便于將平衡電流轉(zhuǎn)換為電壓讀出來,，電路結(jié)構(gòu)見圖4,。

3 實驗及討論
3.1 電容檢測電路部分
    乘法器輸出電壓與輸入差值電容之比，即為電容檢測部分的線性度,見圖5,。 實驗中,取反饋電容Cf為100 pF,，輸入激勵信號分別為50 kHz、80 kHz和100 kHz的正弦波,，輸入電容為固定大小的貼片陶瓷電容,。
    檢測電路輸出電壓與電容關系曲線(圖5)并不經(jīng)過原點，這是由于所選的兩個電容盡管標稱值相等,，但實際上是有微小差別的,，導致經(jīng)過電路放大后電壓不為零。曲線基本保持線性,，當輸入的電容差值達到7 pF以上時,，儀用放大輸出有一定的失真，且在80 kHz的失真度最小,。

    電容檢測電路可檢測的上限差值電容約為7 pF,，輸出信號可穩(wěn)定在0.1 mV，代入式(3),，對應分辨率可達10-16 F量級[3],。根據(jù)式(3)可知，激勵信號,、反饋電容Cf 以及電路增益均會影響電容檢測。由于激勵信號幅值增大,，噪聲不能增大,，所以提高激勵信號信噪比可以提高電路分辨力；降低Cf,、提高電路增益可以提高電路靈敏度,，但信噪比不會改善,，分辨力亦不能提高。
3.2 重力場翻滾測試
    將表頭接入閉環(huán)檢測電路放在隔振精密分度頭上進行翻滾測試,。采用6位半萬用表,，測出回路中采樣電阻的電壓，換算成表頭在不同重力加速度分量作用下的力矩平衡電流,。由于試驗時作用在加速度計敏感軸的重力加速度分量為ai=g·sinθ(g為重力加速度,，θ為擺片與豎直方向的夾角)，則對應采樣電阻兩端電壓也應符合正弦規(guī)律變化,，實驗所測結(jié)果見圖6,。

    采用四點法[8]對加速度計進行標定。加速度計在重力場中,，采用下面數(shù)學模型進行測試[8] ,。
    
    測試結(jié)果表明加速度計標度因數(shù)為1.211 20 mA/g，符合表頭廠家給出的1.2 mA/g左右,，一定程度上證明了所設計回路的有效性,。
    本文初步研究了用于石英撓性加速度計的閉環(huán)檢測電路，包括電容檢測和伺服回路兩部分,。電容檢測電路基于單載波調(diào)制原理,，通過分析電路的噪聲特性選擇合適的器件。由于解調(diào)后的電容信號很弱,，不能直接驅(qū)動加速度計內(nèi)的力矩線圈,，故設計了加矩電路，采用PID校正調(diào)節(jié),，提高了伺服回路的穩(wěn)定性以及動靜態(tài)性能,。最后利用精密分度頭對表頭和閉環(huán)回路進行了測試，取得了較好的效果,。該閉環(huán)回路結(jié)構(gòu)簡單,，穩(wěn)定性好，由于采用分立器件,，可方便地根據(jù)不同的應用改變系統(tǒng)參數(shù),。
參考文獻
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