本發(fā)明屬于噪聲電子學和微弱信號檢測技術領域，具體的說，是涉及一種mhd角速度傳感器動態(tài)噪聲測量裝置及方法。

背景技術：

隨著現(xiàn)代航天器的發(fā)展，尤其是以高分辨率對地觀測遙感衛(wèi)星、深空探測遙感航天器、深空激光通信衛(wèi)星為代表的高精度航天器，對微振動擾動效應極為敏感，空間結構的微振動擾動問題已成為限制高精度航天器姿態(tài)控制精度和穩(wěn)定性進一步提高的一個主要因素。

磁流體動力學(magnetohydrodynamics，mhd)角速度傳感器兼具低噪聲、寬頻帶、小型化、長壽命等特點，對加速度沖擊不敏感。相比于加速度計、陀螺儀、激光雷達及光通信終端等方法，mhd角速度傳感器是目前在軌測量航天器及有效載荷微角振動信息的最直接、有效和可靠的儀器。

mhd角速度傳感器相比于陀螺等測量角速度的慣性敏感元件，其低頻特性較差，但具有良好的高頻特性，因此可以測量幾赫茲到一千赫茲的寬頻微角振動信息。mhd角速度傳感器通常由敏感元件部分和前置放大電路部分組成。mhd角速度傳感器主要評估指標是噪聲水平，分為靜態(tài)噪聲和動態(tài)噪聲。mhd角速度傳感器動態(tài)噪聲即其處于測量寬頻微角振動工作狀態(tài)下的噪聲水平，在使用前需要對該項指標進行測量標定。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有mhd角速度傳感器噪聲測量裝備和方法無法獨立評估m(xù)hd角速度傳感器敏感元件動態(tài)噪聲的問題，無法分離mhd角速度傳感器敏感元件動態(tài)噪聲與前置放大電路動態(tài)噪聲的問題，以及動態(tài)噪聲測量精度低、引入噪聲大的問題，提出了一種mhd角速度傳感器動態(tài)噪聲測量裝置及方法。該動態(tài)噪聲測量裝置及方法可以獨立測量mhd角速度傳感器敏感元件動態(tài)噪聲，從mhd角速度傳感器動態(tài)噪聲中準確分離敏感元件的動態(tài)噪聲和前置放大電路的動態(tài)噪聲，并有效抑制測量過程中的耦合噪聲，優(yōu)化測量的噪聲系數(shù)，提高了噪聲的測量精度。

本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的：

一種mhd角速度傳感器動態(tài)噪聲測量裝置，由振動發(fā)生模塊、阻抗匹配變壓器模塊、信號采集模塊、噪聲分析模塊和電源模塊組成，所述振動發(fā)生模塊上安裝有mhd角速度傳感器，所述mhd角速度傳感器內(nèi)置有敏感元件和前置放大電路，所述振動發(fā)生模塊提供微角振動激勵，mhd角速度傳感器接收振動發(fā)生模塊提供的微角振動信息并輸出電壓信號，所述阻抗匹配變壓器模塊用于測量所述敏感元件的動態(tài)噪聲，實現(xiàn)敏感元件與信號采集模塊之間的阻抗匹配，無附加噪聲地放大敏感元件輸出信號；所述信號采集模塊采集阻抗匹配變壓器模塊的輸出信號，所述噪聲分析模塊用于分離提取出噪聲成分；所述電源模塊提供工作電源電壓，防止外部噪聲由電源路徑傳導至噪聲分析模塊，確保噪聲測量的精度。

所述mhd角速度傳感器呈上下分布設置有兩個。

所述振動發(fā)生模塊由工裝和高精度單軸轉(zhuǎn)臺構成，所述高精度單軸轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動軸線與所述mhd角速度傳感器的敏感軸同軸。

所述阻抗匹配變壓器模塊由阻抗匹配變壓器和次級放大器構成。

所述信號采集模塊由信號轉(zhuǎn)接板和信號采集卡構成。

一種mhd角速度傳感器動態(tài)噪聲測量裝置的測量方法，包括以下步驟：

(1)斷開mhd角速度傳感器的敏感元件與前置放大電路的電氣連接，使用阻抗匹配變壓器模塊采集mhd角速度傳感器敏感元件的輸出信號并進行放大，阻抗匹配變壓器模塊輸出并傳輸信號至信號采集模塊的輸入端口，通過噪聲分析模塊解算出mhd角速度傳感器敏感元件的動態(tài)噪聲水平；

(2)在相同的微角振動條件下，將mhd角速度傳感器前置放大電路兩輸入端短接，信號采集模塊采集前置放大電路的輸出，由噪聲分析模塊提取動態(tài)噪聲信息，實現(xiàn)mhd角速度傳感器前置放大電路動態(tài)噪聲的測量；

(3)在相同的微角振動條件下，恢復mhd角速度傳感器敏感元件與前置放大電路的電氣連接，使用信號采集模塊和噪聲分析模塊，實現(xiàn)mhd角速度傳感器動態(tài)噪聲的測量；上述步驟中，阻抗匹配變壓器模塊和mhd角速度傳感器前置放大電路均采用電源模塊進行供電。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的技術方案所帶來的有益效果是：

1、本發(fā)明創(chuàng)造性地使用阻抗變壓器模塊實現(xiàn)了mhd角速度傳感器敏感元件動態(tài)噪聲的測量，解決了現(xiàn)有技術由于mhd角速度傳感器敏感元件輸出信號幅值過小，提取模塊噪聲相比過大，而無法單獨提取mhd角速度傳感器敏感元件動態(tài)噪聲信息的問題。

2、本發(fā)明創(chuàng)造性地采用分步測量噪聲的方案，這是現(xiàn)有技術沒有采用的方案。分步測量噪聲可以分別給出mhd角速度傳感器敏感元件、前置放大電路和傳感器整體的動態(tài)噪聲，相比現(xiàn)有技術只能給出mhd角速度傳感器整體的動態(tài)噪聲，實現(xiàn)了mhd角速度傳感器不同部分動態(tài)噪聲的分離，可以提供更加全面詳細噪聲信息。

3、本發(fā)明中的阻抗匹配變壓器模塊、信號采集模塊、噪聲分析模塊和電源模塊的噪聲信息均為已知，且采用阻抗匹配、屏蔽、接地及純凈電源技術，優(yōu)化測量裝置的噪聲系數(shù)，引入噪聲小，接近不附加噪聲地采集信號。因此本發(fā)明可以準確提取mhd角速度傳感器的動態(tài)噪聲信息，噪聲測量精度高。

4、本發(fā)明阻抗匹配變壓器模塊設計靈活可調(diào)，可根據(jù)需要調(diào)整mhd角速度傳感器靜態(tài)噪聲測量量程和帶寬，有效解決了現(xiàn)有技術噪聲測量量程小、帶寬窄的問題。

附圖說明

圖1是本發(fā)明專利的mhd角速度傳感器敏感元件動態(tài)噪聲測量原理圖。

圖2是本發(fā)明專利的mhd角速度傳感器前置放大電路動態(tài)噪聲測量原理圖。

圖3是本發(fā)明專利的mhd角速度傳感器整體動態(tài)噪聲測量原理圖。

圖4是本發(fā)明專利的動態(tài)噪聲提取程序流程圖。

圖5是本發(fā)明專利的mhd角速度傳感器角速度動態(tài)噪聲譜密度。

圖6是本發(fā)明專利的mhd角速度傳感器角位置動態(tài)噪聲譜密度。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的描述：

本實施例中選用兩個mhd角速度傳感器1和2(見圖3)，圖1是本發(fā)明專利的mhd角速度傳感器1和2的敏感元件101和201的動態(tài)噪聲測量原理圖。兩個mhd角速度傳感器1和2的敏感元件101和201分別輸出的電壓是被測對象，mhd角速度傳感器1和2并不屬于該裝置的組成部分。該mhd角速度傳感器動態(tài)噪聲測量裝置是由兩個阻抗匹配變壓器模塊3和4、一個信號采集模塊5、一個噪聲分析模塊6、一個電源模塊7和一個振動發(fā)生模塊8組成。

振動發(fā)生模塊8由工裝801和高精度單軸轉(zhuǎn)臺802組成。mhd角速度傳感器1和2的敏感元件101和201通過工裝801固定在高精度單軸轉(zhuǎn)臺802上(見圖3)，敏感元件101和201上下分布，且兩個敏感元件的敏感軸皆與高精度單軸轉(zhuǎn)臺802的轉(zhuǎn)動軸線同軸，這是由工裝801來保證的。敏感元件101和201的輸出電壓信號通過同軸線傳輸?shù)阶杩蛊ヅ渥儔浩髂K3和4的輸入端的阻抗匹配變壓器301和401，阻抗匹配變壓器301和401的一個輸出端分別連接次級放大器302和402，另外一個輸出端分別接外殼接地端303和403。阻抗匹配變壓器模塊3和4的輸出端vo1和vo2以及接地端gnd通過信號轉(zhuǎn)接板501分別連接信號采集卡502的模擬正輸入端ai1+和ai2+以及模擬地agnd，本實施例中信號采集卡502選用ni公司的信號采集卡pci6289，采集到的兩路信號輸入到噪聲分析模塊6。噪聲分析模塊6是利用工控機602的噪聲提取程序601來實現(xiàn)的，并計算出噪聲功率譜，工控機選用ipc-610mb。阻抗匹配變壓器模塊3和4的次級放大器302和402由電源模塊7供電。鋰電池701的輸出電源通過開關變換702和濾波網(wǎng)絡，再使用低壓差線性穩(wěn)壓調(diào)節(jié)器703提供純凈穩(wěn)定電源，正負電源和com端。電源模塊7的com端、阻抗匹配變壓器模塊3和4的次級放大器302和402的接地端和信號采集卡502的模擬接地端agnd連接為一體，由屏蔽線纜實現(xiàn)。由于阻抗匹配變壓器模塊和信號采集模塊的噪聲已知，因此通過此方法可以提取出mhd角速度傳感器1和2的敏感元件101和201的靜態(tài)噪聲。

圖2表示mhd角速度傳感器1和2的前置放大電路103和203的動態(tài)噪聲測量原理圖。mhd角速度傳感器1和2的前置放大電路103和203均置于高精度角振動臺802上(見圖3)，保持角振動激勵信號與測量敏感元件101和201動態(tài)噪聲時一致。前置放大電路103和203的輸入端分別連接兩個1歐姆的電阻102和202，實現(xiàn)前置放大電路103和203輸入端的短接。前置放大電路103和203均是雙端輸出模式，兩個輸出端vo1+和vo1-以及vo2+和vo2-分別連接信號采集卡502的兩個模擬正負輸入端ai1+和ai1-以及ai2+和ai2-。前置放大電路103和203的地連接到信號采集卡502的模擬地agnd。前置放大電路103和203輸出端vo1+和vo1-以及vo2+和vo2-均通過一個1千歐姆電阻連接到gnd。信號采集卡502工作在差分輸入模式。前置放大電路103和203由電源模塊7供電。電源模塊7的com端、前置放大電路103和203的接地端和信號采集卡502的模擬接地端agnd連接為一體。通過此種方法可以提取出mhd角速度傳感器1和2的前置放大電路103和203的動態(tài)噪聲。

圖3表示本發(fā)明專利的mhd角速度傳感器1和2的整體動態(tài)噪聲測量原理圖。mhd角速度傳感器1和2通過工裝801和803固定在高精度單軸轉(zhuǎn)臺802上，mhd角速度傳感器1和2上下分布，且兩個傳感器的敏感軸皆與高精度單軸轉(zhuǎn)臺802的轉(zhuǎn)動軸線同軸，這是由工裝801和803來保證的。首先將mhd角速度傳感器1和2的敏感元件101和201與前置放大電路103和203分別連接在一起，即將敏感元件101和201的內(nèi)電極和外電極分別連接到前置放大電路103和203的輸入端。屏蔽蓋104和204分別與敏感元件101和201的外殼有良好的電氣連接，敏感元件101和201的外殼和屏蔽蓋104和204分別構成了前置放大電路103和203的屏蔽殼體。航空插頭105和205的外殼分別與屏蔽蓋104和204有良好的電氣連接，屏蔽線的屏蔽層與航空插頭105和205有良好的電氣連接，并連接到信號采集卡502的模擬地agnd，這樣將敏感元件101和201的外殼、屏蔽蓋104和204、航空插頭105和205的外殼、屏蔽線的屏蔽層和信號采集卡502的模擬地agnd分別連接成一體，電源模塊7的com端和前置放大電路103和203接地端連接為一體，形成有效的屏蔽和接地。信號采集卡502工作于差分模式，采集前置放大電路103和203兩個輸出端之間的電壓信號。通過此種方法可以提取出mhd角速度傳感器1和2的整體動態(tài)噪聲。

信號采集模塊對兩個mhd角速度傳感器1和2(或兩個敏感元件101和201，或兩個前置放大電路103和203)的連續(xù)輸出信號x(t)和y(t)進行采樣，得到傳感器輸出信號有限長樣本序列x(n)和y(n)。x(n)和y(n)的自相關函數(shù)rx和ry分別為：

rx(m)＝e[x(n)x(n+m)]

ry(m)＝e[y(n)y(n+m)]

x(n)和y(n)的互相關函數(shù)rxy為：

rxy(m)＝e[x(n)y(n+m)]

則x(n)和y(n)的自功率譜sx和sy分別為：

則x(n)和y(n)的互功率譜sxy為：

相干函數(shù)為：

其中

得到兩個mhd角速度傳感器1和2(或兩個敏感元件101和201，或兩個前置放大電路103和203)的動態(tài)噪聲功率譜密度和分別為：

單位為v²/hz。

已知兩個mhd角速度傳感器1和2(或兩個敏感元件101和201，或兩個前置放大電路103和203)的標度因數(shù)sfx和sfy，可得兩個mhd角速度傳感器1和2(或兩個敏感元件101和201，或兩個前置放大電路103和203)的角速度動態(tài)噪聲譜密度nerx和nery分別為

單位為(rad/s)²/hz，如圖5。

如圖6，同時可求得兩個mhd角速度傳感器1和2(或兩個敏感元件101和201，或兩個前置放大電路103和203)的角位置動態(tài)噪聲譜密度neax和neay分別為：

單位為rad²/hz。

本發(fā)明并不限于上文描述的實施方式。以上對具體實施方式的描述旨在描述和說明本發(fā)明的技術方案，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，并不是限制性的。在不脫離本發(fā)明宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，本領域的普通技術人員在本發(fā)明的啟示下還可做出很多形式的具體變換，這些均屬于本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。