资料振动传感器的中文说明Word文档下载推荐.docx
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图3-3是本系统选用的M3022型压阻式硅加速度计的实物图。
该传感器由
图3-3M3022型加速度传感器实物图
Figure3-3RealobjectofM3022accelerometer
美国ICSensor公司生产,采用表贴封装,内部结构由悬挂于硅架复合横梁上的微小硅芯片组成,上下表面的硅帽提供了超量程保护能力。
表3-1中为3022型压阻式硅加速度计主要的技术指标。
表3-1M3022型加速度传感器主要参数
Table3-1PrimaryparametersofM3022accelerometermodel
参数
单位
最小值
典型值
最大值
注释
量程
G
±
2
——
500
多种量程可选
零位误差
mV
5.0
25.0
非线性度
%量程
0.5
1.0
这里的量程是指传感器满量程输出电压信号范围,单位为V或mV
横向灵敏度
3.0
零点温度系数
2.0
满量程温度系数
电源电压
VDC
10.0
输出噪声
μVp-p
输出负载电阻
MΩ
5
加速度过载
40
2000
和量程有关
重量
g
6.5
1.2.2补偿电路设计
为提高测量精度,需要为传感器提供补偿电路以提高其输出精度,补偿电路的设计包括如下几个方面的考虑[61]:
(1)加速度计输出的零位偏移补偿;
(2)压阻式硅微加速度计输出受温度影响较大,需要温度补偿;
(3)为传感器提供高稳定、高精度、低噪声的恒定电源。
压阻式硅微加速度计内部电路可以等效成一个桥式电路,如图3-4所示。
输入输出关系式如下
(3-1)
理论上当传感器在加速度为0时
,这时电桥处于平衡状态,输出等于0。
但工程中无法做到绝对相等,输出并不为0,这就是零位偏移误差,补偿的方法很简单,调节电桥桥臂电阻值使
与
尽量相等,比如当
大于
时,可增大
或减小
来减小零位偏移误差。
图3-4传感器等效电阻电桥
Figure3-4Accelerometer’sequivalentresistancebridge
M3022加速度计出厂时各桥臂电阻为固定值,无法调整,但可以通过在引脚间并接电阻或直接在引脚上串联电阻的方法来改变
、
的电阻值。
当温度发生变化时,各桥臂电阻也会发生变化,设电阻
~
的温度系数分别为
,
,相对于25oC变化的温度为
,公式(3-1)就呈现出如下形式
(3-2)
式中
——各桥臂电阻在25oC下的标准阻值
根据公式(3-2)可知,在输入
不变的情况下,由于
发生了变化,输出也会变化,这就是由温度变化引起的温度漂移。
分析上面的公式,若温度系数
,则温度系数因子可以全部消去,公式(3-2)变成(3-1),输出将不受温度的影响。
对于M3022而言,内部的桥臂电阻是由同一硅基片蚀刻而成,其温度系数可以匹配得很好,外部电路不需要也不能改变其温度系数,但要注意,传感器外部有用于零位补偿的电阻,这些电阻的温度系数选择应尽量与传感器内部电阻的温度系数一致,才能保证最小的温度漂移系数。
温度的另一个影响是通过改变悬臂梁应变电阻的压阻系数改变传感器的灵敏度。
压阻系数会随温度升高而减小,因此传感器灵敏度也随温度升高变小,称之为灵敏度温度漂移。
其补偿方法是改变电桥的有效桥压:
当温度升高时灵敏度下降,对输出的影响就是输出电压减小,而增加
可以使输出电压增大,若调整得当,使增大的数值与灵敏度下降引起减小的数值相等,就可以达到灵敏度温度补偿的目的。
除温度引起的误差外,传感器供电电源
的误差也会引起输出误差,这从公式(3-1)可以看出来,
的误差将以一定的比例系数折合到输出上。
普通的电源无论是开关电源抑或是纹波系数较小的三端电源器件都无法提供足够精度和稳定性的电源,这里选择由精密基准源做电源,因为基准源驱动能力较弱,应在送入传感器前增加驱动电路。
该电源方案具有很高的稳定性和很小的噪声,可以保证传感器输出信号的良好特性。
图3-5是传感器补偿电路原理图,中间虚线内为加速度计,外围是补偿电路。
和
是零位及温度失调补偿电阻,
为不同基准源电压提供合适的电源放大倍数,
设置电压梯度补偿由于温度产生的灵敏度误差,右侧虚线框是放大电路,相关内容参见后续内容。
图3-5传感器补偿电路
Figure3-5Accelerometercompensationcircuit
1.3信号调理电路
传感器输出信号是微弱的毫伏级信号,我们的目的是得到信号的数字描述形式,再通过数学运算解算出导航信息。
现有的ADC模数转换器件(Analog-to-DigitalConverter)典型输入范围是0~5V,显然直接将传感器信号接入ADC是不合适的,因为这样做既不能充分利用ADC的量程,也大大降低了信号信噪比。
通常的做法是让信号先经调理电路预处理后,再送往后级电路使用。
信号调理电路包括放大、滤波、ADC输入缓冲和电源部分。
1.3.1电源方案
电源供电方案的选择直接影响整个电路的设计,是调理电路设计的第一步。
系统只有一个+9V电源,由电池提供,因为电池电源具有很小的噪声,可以直接作为调理电路的供电电源,这种单电源供电方案的优点是几乎不用考虑电源的设计,但要求调理电路的所有芯片都必须是单电源供电,单电源供电芯片的性能较同等级的双电源供电芯片性能有所下降,且输入输出范围比较小,为保证调理电路性能,应选择精度较高、输入输出满摆幅的芯片,因此在芯片选型上比较困难。
还可以用+9V变换出双电源供电,这种方案简化了调理电路芯片选型,不过由于调理电路功耗较大,精度要求较高,在+9V变换出负电源时必须用PWM调制的开关电源,其高频脉冲对地的冲击很大,对电路精度的影响不可忽视,因此电源设计上很困难,复杂的电源设计以及大功率要求带来的体积增大也不能够忍受的,毕竟炮弹内部空间有限。
综合考虑以上两种方案的利弊,系统决定采用第一种的单电源直接供电方案。
1.3.2放大电路设计
由3.3.1节的表3-1可知,传感器电桥输出为差分方式,在标准+5V供电情况下,差分信号的共模电压为2.5V,差模电压范围为±
50mV,传感器驱动能力较弱,要求负载电阻大于5MΩ;
根据这些要求,用仪用运算放大器搭建放大电路显然是最佳方案。
这里选择的是AD公司的AD623AR仪用运放,这是一款单电源、满摆幅输出、高精度、低成本仪用运算放大器,通过改进的三运放电路,电阻激光校准等技术使该款运算放大器具有很高的交直流共模抑制比,提高了其抑制噪声能力,且具有很小的零漂;
此外,它还是专门针对单电源电池供电方案而设计的,具备可贵的满摆幅输出能力,输入虽不是满摆幅,但其宽输入范围足以满足传感器输出范围的要求,其放大倍数通过一只外接电阻可调,AD623AR是同类产品中性价比很高的一款芯片,表3-2为其主要的性能参数[62]。
用仪用运算放大器设计的放大电路如图3-6所示。
需要注意的是AD623驱动能力弱,后续电路作为其负载电路在设计时应考虑到这一点。
表3-2仪用运算放大器AD623AR主要参数
Table3-2PrimaryparametersofAD623ARinstrumentamplifier
电源
V
+2.7
+12
单电源供电模式
输入范围
-0.15
7.5
9V供电
输出范围
0.01
8.5
9V供电,负载10KΩ
输入电阻
GΩ
放大倍数(G)
1
1000
外部电阻调节
共模抑制比(CMRR)
DB
90
100
G=10
105
110
G=100
带宽
KHz
10
输出漂移
μV
200
输入漂移
25
图3-6放大电路原理图
Figure3-6Schematiccircuitofsignalamplification
1.3.3滤波电路设计
传感器信号中不仅包含有用信息,还包含各种频率的噪声成分,放大电路将它们都放大了,放大后的信号幅度范围虽然已经能充分利用ADC的转换量程,但受信号中噪声的影响测量精度不会很高,因此有必要进行去噪处理。
考虑到被测量是炮弹线加速度、角速度,根据设计指标及实际情况,它们都属于低频信号,有用信号的频率最高只有500Hz,可以利用低通有源滤波器抑制高频噪声,滤波器另一
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