IEPE加速度计本底噪声特性的研究

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IEPE加速度计作为测量振动加速度的首选传感器在许多领域占据着重要的地位,尤其是低频振动测量领域。随着科技的不断进步,对于低频振动信号的测量越来越受到人们的重视。无论是工业市场还是军事应用都希望加速度计具有更低的测量频段以满足对低频振动信号检测的需要。由于低频振动信号非常微弱,必须利用低噪声加速度计进行测量才能保证有用信号不被加速度计的本底噪声淹没。因此,研究IEPE加速度计的本底噪声特性对于指导加速度计的低噪声设计,提高加速度计的信噪比具有十分重要的意义。本文以IEPE加速度计两个重要组成部分——压电变换器和电荷放大器为研究对象,对IEPE加速度计的本底噪声进行系统的分析。首先,从压电变换器的工作原理出发,建立压电变换器单自由度弹簧-质量-阻尼机械谐振系统力学模型和压电元件的电学模型,并以此为基础分析压电变换器的两个主要噪声源:机械热噪声和电热噪声,分别对其进行噪声建模,推导出压电变换器的噪声谱密度表达式。其次,以结型场效应管(JFET)为核心元件,设计符合IEPE加速度计技术规范的电荷放大器电路,研究电路中的主要噪声源:电阻热噪声、散粒噪声、沟道热噪声和1f噪声,建立各自的噪声模型。利用E n In噪声模型构建方法将电路内部噪声源等效到输入端,同时将Y-变换原理引入T型偏置网络的噪声分析中,降低噪声分析难度,推导出电荷放大器电路的噪声谱密度表达式。最后,将压电变换器部分和电路部分的噪声叠加,最终获得IEPE加速度计的本底噪声表达式。同时对IEPE加速度计本底噪声进行实验研究,并将获得的实验数据与利用表达式得到的理论计算值进行对比,验证理论表达式的有效性与正确性。利用推导出的理论表达式分析影响加速度计噪声的关键因素,总结出一些加速度计低噪声设计原则,为提高加速度计的信噪比提供理论基础。
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