本發明涉及加速度計噪聲測試,具體的說,涉及了一種電阻過剩噪聲檢測裝置及方法。
背景技術:
1、加速度計作為一種能夠將外界加速度變化轉化為電學量的裝置,廣泛應用于國計民生、工業生產領域。此外加速度計在科研領域同樣有著不俗的表現,廣泛應用于地球重力場測量、微震監測及引力波測量領域,為實現上述微弱信號的測量,需要深入分析加速度計整機系統中各個噪聲源的影響,進而采取相應的改進措施。
2、在對加速度計的噪聲分析當中,對電阻而言只是考慮熱噪聲對于整體的影響程度,也即當輸入端接地時電阻內部分子熱運動的影響。但是在實際動態環境應用中,外界加速度處于變化狀態,意味著電阻內部必然存在電流。而對于電阻而言,流過電阻內部的電流會由于電阻內部結構缺陷而存在微放電現象,而此種放電則會造成電流不穩定,引入過剩噪聲,此類噪聲有明顯的1/f趨勢,因此也稱之為電阻的1/f噪聲。結合過剩噪聲特性可得其表達式erex為:
3、
4、其中,kex為一個與電阻結構、材料和類型相關的常數,vdc為電阻兩端施加的直流電壓。
5、結合上述電阻過剩噪聲表達式可得,電阻過剩噪聲存在其影響程度與所加載反饋電壓的幅值成正比的現象,會造成加速度計本底噪聲隨輸出增大而抬升,限制加速度計在動態環境中的應用,因此實現低噪聲加速度計的設計,需要對應用于加速度計中的電阻過剩噪聲進行有效評估。傳統的過剩噪聲評估裝置一般是通過外加直流電壓,進而通過搭建惠斯通電橋的方式,實現電阻過剩噪聲的測量,此種方式雖然可以有效測量,但是除去上述裝置外,還需搭建高精度測控電路,同樣會引入額外的噪聲,且此種方式無法直接反應其對加速度計的影響程度,因此通過惠斯通電橋的方式進行過剩噪聲測試的方法則不再適用于加速度計的噪聲評估,需要研發適用于加速度計電阻過剩噪聲評估裝置及方法。
6、為了解決以上存在的問題,人們一直在尋求一種理想的技術解決方案。
技術實現思路
1、本發明的目的是針對現有技術的不足,從而提供一種電阻過剩噪聲檢測裝置及方法,本發明旨在解決現有通過搭建惠斯通電橋的方式測量電阻過剩噪聲時,需要搭建裝置及電路結構復雜,且無法直觀反映其對加速度計噪聲影響程度的問題。
2、為了實現上述目的,本發明所采用的技術方案是:一種電阻過剩噪聲檢測裝置,包括待測電阻、直流電源模塊、底座、驅動線圈、具有氣隙磁場的力-位移轉換模塊、驅動臂、外框架、簧片結構、電容動極板和角度位移檢測模塊;
3、驅動線圈和外框架間隔安裝在底座上;
4、直流電源模塊、待測電阻和驅動線圈通過電路串聯連接形成回路,直流電源模塊用于在工作時施加直流偏執電壓至待測電阻,以激發待測電阻的電阻過剩噪聲;
5、驅動線圈處于力-位移轉換模塊的氣隙磁場中,工作時驅動線圈通入直流偏執電壓,與氣隙磁場相互作用產生安培力,用于將驅動線圈內流過電流的變化量轉化為力-位移轉換模塊受到的安培力擾動量;
6、驅動臂與力-位移轉換模塊固連,驅動臂通過簧片結構連接在外框架上并以簧片結構為支點進行轉動,用于將力-位移轉換模塊受到的安培力擾動量轉化為驅動臂繞支點轉動的角度變化量;
7、電容動極板與驅動臂固連并構成以簧片結構為支點的杠桿機構,電容動極板的長度大于驅動臂的長度,將驅動臂轉動的角度變化量轉化為電容動極板轉動的角度變化量,用于放大驅動臂轉動的角度變化量;
8、角度位移檢測模塊設置在電容動極板的一側,用于測量電容動極板轉動的角度變化量。
9、基于上述,角度位移檢測模塊包括電容位移檢測電路和兩塊電容定極板,兩塊電容定極板分別設置在電容動極板的兩側并固定安裝在底座上,電容動極板與兩塊電容定極板呈正對狀排布以組成差分電容,電容位移檢測電路分別與電容動極板和兩塊電容定極板連接;當電容動極板產生角度變化量時,電容動極板與電容定極板間所形成的差分電容信號就會被電容位移檢測電路檢測,得到電壓信號,從而將電容動極板轉動的角度變化量轉化為電壓信號。
10、基于上述,力-位移轉換模塊由內部永磁體及外圍的厄鐵塊構成,永磁體為圓柱形,永磁體沿左右方向水平設置,永磁體與厄鐵塊之間形成有環形間隙,永磁體的中部與厄鐵塊的內孔中部固定連接,環形間隙內部具有所述的氣隙磁場,氣隙磁場為勻強磁場。
11、基于上述,驅動線圈設置有兩組,兩組驅動線圈前后間隔布置在厄鐵塊的兩側并均通過支架固定在底座上,前側的驅動線圈的后端部插接在環形間隙的前端口中并套在永磁體的前端部,后側的驅動線圈的前端部插接在環形間隙的后端口中并套在永磁體的后端部,兩組驅動線圈通過飛線串聯為線圈模塊;直流電源模塊的正極與待測電阻的一端連接,待測電阻的另一端與線圈模塊的一端連接,線圈模塊的另一端與直流電源模塊的負極連接。
12、基于上述,驅動臂沿左右方向水平設置在外框架的左側,驅動臂的左端固定連接在厄鐵塊的右側面上,電容動極板沿左右方向豎直設置在外框架的右側,電容動極板的右側邊中部設有與驅動臂的右端一體成型固定連接的凸起,驅動臂的右端與凸起的連接處上部和下部均連接有豎向設置的簧片結構,上側的簧片結構的上端連接在外框架上,下側的簧片結構的下端支撐在底座上。
13、基于上述,驅動線圈通過漆包線繞制的方式制成。
14、基于上述,簧片結構采用鈹銅材料制成。
15、本發明還提供一種電阻過剩噪聲檢測方法,采用上述的電阻過剩噪聲檢測裝置進行檢測,包括以下步驟:
16、通過直流電源施加直流偏置電壓給待測電阻和驅動線圈,使待測電阻內部流過電流,激發待測電阻過剩噪聲,同時電流會流過驅動線圈并疊加待測電阻過剩噪聲;
17、驅動線圈內流過電流,通過與力-位移轉換模塊的氣隙磁場相互作用,產生安培力,將驅動線圈內流過電流的變化量轉化為力-位移轉換模塊受到的安培力擾動量,力-位移轉換模塊帶動驅動臂以簧片結構為支點進行轉動,進而將力-位移轉換模塊受到的安培力擾動量轉化為驅動臂繞支點轉動的角度變化量;
18、由于驅動臂與電容動極板構成以簧片結構為支點的杠桿機構,則電容動極板同樣繞支點進行轉動,而且電容動極板得長度大于驅動臂的長度,因此電容動極板會產生更大的角度變化量,放大驅動臂轉動的角度變化量;
19、電容動極板產生角度變化量時,電容動極板與電容定極板就會產生差分電容信號,通過電容位移檢測電路檢測差分電容信號,得到電壓信號,從而將電容動極板轉動的角度變化量轉化為電壓信號,實現對電容動極板的角度變化的測量并記錄,通過相關法對電流導致的角度變化量進行扣除,從而實現電阻過剩噪聲的量化評估。
20、本發明相對現有技術具有突出的實質性特點和顯著的進步,具體的說,本發明與現有技術相比,實現了將不易測量的電阻過剩噪聲轉化為具有多種測量手段的角度變化量,在此轉化過程中,通過杠桿放大效應,將電阻過剩噪聲帶來的影響進一步放大,提高信噪比,最終借助當前常用的電容位移檢測電路及數據相關法處理,實現電阻過剩噪聲的量化評估。相對于現有的電阻過剩噪聲檢測方法而言,在高精度加速度計領域,可以通過本發明提供的檢測方法量化電阻過剩噪聲引起的等效加速度噪聲,從而進一步降低加速度計的本底噪聲。