中文摘要：

电容位移传感器被广泛应用于地球物理学探测仪器中，如空间加速度计、重力仪和地震仪等。电容位移传感器的性能直接影响这些探测仪器的性能。由于受到电子系统中普遍存在的低频1/f噪声的影响，电容传感器的噪声谱密度随着频率的降低而升高，噪声频谱曲线的转折频率通常在10Hz左右。因此，如何提高电容传感器在低频段的检测水平是地球物理学探测仪器研究中的关键问题之一。本项目利用模拟电子技术中的低频噪声抑制技术（例如相关双采样技术和斩波稳定技术），开展电容传感器低频噪声抑制的方法和技术研究。利用开关调制与解调、数字滤波与抽样等处理，对差分电容传感器中的前置电荷放大器、模数转换器环节的低频噪声进行抑制，降低电容传感器的1/f噪声谱密度（在1mHz附近降低20dB以上），提高其低频分辨率，满足静电悬浮加速度计、重力仪和地震仪等高精度地球物理学探测仪器研制的需求。

结论摘要：

电容位移传感器被广泛应用于地球物理学探测仪器中，如空间加速度计、重力仪和地震仪等。电容位移传感器的性能直接影响这些探测仪器的性能。由于电子系统中普遍存在低频1/f噪声，电容传感器在低频段的分辨率受到限制，如何提高电容传感器在低频段的检测水平是地球物理学探测仪器研究中的关键问题之一。本项目首先对基于电容充放电原理的差分电容传感器电荷放大电路的噪声特性进行了理论分析和实际测试。通过电路原理分析，建立了电路灵敏度、噪声的理论模型。通过数值计算，分析给出了电路中的各个噪声源对整个电路输出噪声的贡献。项目组设计制作了基于充放电原理的差分电容传感器电路，并测试了本项目中的电容传感电路的灵敏度和噪声特性。测试结果表明，该电容传感电路的灵敏度约为14V/pF，忽略载波信号不稳定的影响时，0.1Hz附近电路输出的本底噪声谱密度对应的电容分辨率约为1.3*10^-7pF/Hz^1/2。本项目对空间惯性传感器中所用的基于差分式变压器桥路的电容传感器也进行了低频噪声特性的理论分析与计算。差分式变压器桥路电容位移传感器的低频噪声受到前置电荷放大器、交流放大器、相敏检波器、低通滤波器以及数据采集系统的噪声限值，同时受到调制载波信号的低频噪声的影响。本项目对上述各环节的噪声进行了计算分析和实测，确定了系统的低频噪声主要受限于调制载波信号的影响，为下一步降低系统的低频噪声确定了方向。项目组采用高精度24位模数转换器AD7712和现场可编程逻辑门阵列（FPGA）器件，设计、研制了数据采集系统，并进行了性能测试，下一步拟用于空间惯性传感器电路中。利用相关双采样技术的原理，根据AD7712的噪声谱特性和输出采样率的需求，确定了采集系统低频噪声抑制处理的关键参数。使用FPGA器件进行数字信号处理（数字CDS解调、滤波及抽取），设计和研制了相关的硬件电路和软件程序，并对系统的功能和噪声谱等特性进行了测试。该采集系统的电压噪声分辨能力目前已达到优于1μV水平，相关工作为下一步提高空间惯性传感器的分辨率打下了良好的基础。