微加速度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄧立新， 馬幫軍， 葉凌云

(浙江大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程與儀器學(xué)院，浙江 杭州 310027)

0 引 言

慣性導(dǎo)航是導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的重要分支，其導(dǎo)航定位的原理主要是通過測(cè)量載體本身的加速度與姿態(tài)來完成導(dǎo)航任務(wù)，如何提高加速度的測(cè)量精度一直是慣性導(dǎo)航領(lǐng)域研究的重點(diǎn)[1,2]。2009年，浙江大學(xué)進(jìn)行了深海慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的加速度測(cè)量技術(shù)研究，設(shè)計(jì)了一種六加速度計(jì)的慣性測(cè)量單元，加速度測(cè)量精度達(dá)到了3×10-4gn[3]。

地球重力場(chǎng)是地球的基本物理場(chǎng)之一，它反映了地球內(nèi)部物質(zhì)分布、運(yùn)動(dòng)與變化狀態(tài)，并制約地球本身及其鄰近空間的一切物理事件，研究重力場(chǎng)具有重要意義，重力場(chǎng)測(cè)量對(duì)高精度微小加速度測(cè)量技術(shù)有很高的要求。美國LaCoste & Romberg公司于2001年推出了航空—海洋重力儀II，其實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)重復(fù)性達(dá)到0.05 mgn，動(dòng)態(tài)重復(fù)性達(dá)到0.25 mgn，月漂移率小于3 mgn，測(cè)量范圍±50 mgn。2002年11月，由總參西安測(cè)繪研究所等單位研制的我國首臺(tái)航空重力測(cè)量系統(tǒng)，重力測(cè)量精度優(yōu)于±5 mgn[4～6]。

目前,國內(nèi)常規(guī)慣導(dǎo)系統(tǒng)加速度測(cè)量精度普遍偏低，而重力儀雖有很高的測(cè)量精度，但其測(cè)量范圍很小，為了實(shí)現(xiàn)大量程高精度微小加速度測(cè)量，本文設(shè)計(jì)了一種基于石英撓性加速度計(jì)的微加速度測(cè)量系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:本系統(tǒng)具有測(cè)量精度高、量程寬、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

加速度測(cè)量系統(tǒng)總體框圖如圖1。系統(tǒng)的工作過程如下：石英撓性加速度計(jì)輸出的電流信號(hào)通過取樣電阻器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再通過信號(hào)調(diào)理電路輸入高精度A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)多通道AD采樣控制和通信邏輯，解算DSP實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波和加速度信息解算，溫控DSP通過溫控驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)多路溫度控制，通信接口采用RS—422。加速度計(jì)和測(cè)量電路是系統(tǒng)精度的主要影響因素，為提高兩者的測(cè)量精度，為其專門設(shè)計(jì)了磁屏蔽結(jié)構(gòu)和多級(jí)精密溫控。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 石英撓性加速度計(jì)精度提升方案

本系統(tǒng)選用石英撓性加速度計(jì)作為加速度測(cè)量傳感器。國內(nèi)常用的慣性級(jí)石英撓性加速度計(jì)不能直接滿足要求，為實(shí)現(xiàn)高精度加速度測(cè)量，需要對(duì)加速度計(jì)進(jìn)行誤差分析與補(bǔ)償。石英撓性加速度計(jì)的測(cè)量誤差主要來自2個(gè)方面：一方面是加速度計(jì)自身結(jié)構(gòu)的不完善，比如：質(zhì)量不平衡、結(jié)構(gòu)的彈性變形、不等彈性等；另一方面，一些物理因素的影響，如變化的溫度場(chǎng)、儀表內(nèi)部的雜散磁場(chǎng)或外部干擾磁場(chǎng)等。對(duì)于前者，只能通過改進(jìn)制造工藝來提高加速度計(jì)的測(cè)量精度；而對(duì)于后者，可以通過改善加速度計(jì)工作環(huán)境，為加速度計(jì)建立嚴(yán)格電磁屏蔽和精密溫控的環(huán)境，提高石英撓性加速度計(jì)的穩(wěn)定性，從而提高測(cè)量精度[7,8]。

由于系統(tǒng)工作環(huán)境復(fù)雜，外界溫度變化范圍大，為有效地實(shí)現(xiàn)加速度計(jì)高精度溫度控制，設(shè)計(jì)了二級(jí)溫控結(jié)構(gòu)。為有效抑制外界低頻磁場(chǎng)干擾，設(shè)計(jì)了二級(jí)磁屏蔽結(jié)構(gòu)，理論上屏蔽的總效果在50 dB以上，完全能滿足石英撓性加速度計(jì)對(duì)磁場(chǎng)屏蔽結(jié)構(gòu)的要求。圖2為本系統(tǒng)加速度計(jì)磁屏蔽和兩級(jí)溫控結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 加速度計(jì)磁屏蔽和兩級(jí)溫控結(jié)構(gòu)示意圖

第一級(jí)溫控結(jié)構(gòu)采用數(shù)字溫度傳感器作為溫度測(cè)量傳感器，半導(dǎo)體制冷器(TEC)作為溫度控制件，改變控制電流大小和流向可以實(shí)現(xiàn)不同功率的制冷或制熱，將溫度控制在30 ℃，精度控制為±0.5 ℃。第二級(jí)溫控結(jié)構(gòu)采用Pt電阻器作為溫度測(cè)量傳感器，采用薄膜加熱片作為溫度控制件，改變控制電流的大小實(shí)現(xiàn)不同功率的加熱，將溫度控制在50 ℃，與第一級(jí)溫控環(huán)境保持一定溫差，實(shí)現(xiàn)±0.1 ℃的控制精度。

溫度控制芯片采用TI C2000系列DSP，控制算法采用積分分離的PI控制。當(dāng)系統(tǒng)剛開機(jī)工作時(shí)，由于偏差較大，容易產(chǎn)生積分飽和，因此,取消積分作用，只采用比例控制，以加快系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間；當(dāng)系統(tǒng)溫度接近設(shè)定值時(shí)，加入積分作用，以消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高精度。增量式PI控制算法如下

Un=Un-1+KP(En-En-1)+KIEn.

(1)

其中，KP為比例系數(shù)，KI為積分系數(shù)，Un為PI的輸出控制量，En為溫度誤差。

最后，建立加速度計(jì)的誤差模型，在軟件上進(jìn)行誤差補(bǔ)償，以提高加速度計(jì)的精度。

石英撓性加速度計(jì)靜態(tài)數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)化后為[9]

kopaoap+kipaiap),

(2)

式中a為加速度計(jì)的實(shí)際輸出；ai為平行于輸入軸的外加速度；ao為平行于輸出軸的外加速度；ap為平行于擺軸的外加速度；k0為零位偏值；k1為標(biāo)度因數(shù)；k2為二階非線性系數(shù)；k3為三階非線性系數(shù)；ko，kp為交叉軸靈敏度；kio，kop，kip為交叉耦合系數(shù)。

雖然各誤差系數(shù)與諸物理參數(shù)有確定的函數(shù)關(guān)系，但誤差系數(shù)并不是通過這些函數(shù)關(guān)系計(jì)算出來的，而是通過實(shí)驗(yàn)室條件下的測(cè)試確定出來的。所以，安裝好加速度計(jì)后需要通過實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試出各誤差系數(shù)，對(duì)加速度計(jì)輸出數(shù)學(xué)模型進(jìn)行誤差補(bǔ)償。

3 測(cè)量電路設(shè)計(jì)

3.1 測(cè)量電路模擬部分設(shè)計(jì)

石英撓性加速度計(jì)輸出信號(hào)為微弱電流信號(hào)，需要高精度電流測(cè)量電路將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出。整個(gè)加速度測(cè)量誤差主要包括加速度計(jì)誤差和電路測(cè)量誤差兩部分，為充分體現(xiàn)加速度計(jì)性能，要求測(cè)量電路的精度高于加速度計(jì)。

本系統(tǒng)電流測(cè)量靜態(tài)精度需要達(dá)到1 nA，這已經(jīng)接近電子元器件的精度上限，任何微小的噪聲都會(huì)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生很大的影響。因此，要達(dá)到本系統(tǒng)測(cè)量精度的要求，需要仔細(xì)分析各種噪聲產(chǎn)生的原因，從電路和結(jié)構(gòu)兩方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最大程度地抑制各種噪聲，從而有效提高測(cè)量精度。

圖3為本系統(tǒng)前端模擬測(cè)量通道原理示意圖。加速度計(jì)輸出的電流信號(hào)進(jìn)入測(cè)量電路的輸入通道，首先通過采樣電阻器將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，由輸入信號(hào)調(diào)理電路對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行濾波并調(diào)整幅值到A/D轉(zhuǎn)換器的輸入范圍，最后通過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。本系統(tǒng)選用低噪聲低溫漂運(yùn)放作為信號(hào)調(diào)理電路，并采用32位∑-Δ型高分辨率A/D轉(zhuǎn)換器，降低電路噪聲，提高測(cè)量精度。同時(shí)，為降低外部干擾影響，為前端模擬測(cè)量通道安裝屏蔽殼并進(jìn)行恒溫控制。

本系統(tǒng)選用的石英撓性加速度計(jì)標(biāo)度因數(shù)約1.3 mA/gn，測(cè)量電路電流測(cè)量量程設(shè)計(jì)為-2.6～+2.6 mA，等效加速度測(cè)量量程-2～2gn。

圖3 前端模擬測(cè)量通道原理示意圖

3.2 測(cè)量電路數(shù)字部分設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用FPGA+DSP作為數(shù)字部分主控系統(tǒng)，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)8路AD同步采樣控制和通信邏輯，DSP實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波和加速度信息解算。數(shù)字部分原理框圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)數(shù)字部分原理框圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

完成系統(tǒng)測(cè)量電路和加速度計(jì)的標(biāo)定后，將系統(tǒng)放置于隔振地基平臺(tái)，對(duì)重力加速度的測(cè)量精度進(jìn)行測(cè)試。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部各項(xiàng)溫度數(shù)據(jù)，待系統(tǒng)模擬測(cè)量通道溫度為(50±0.5)℃，加速度計(jì)溫度為(50±0.1)℃，開始采集系統(tǒng)測(cè)量到的重力加速度數(shù)據(jù)。圖5為溫度穩(wěn)定后加速度計(jì)溫度數(shù)據(jù)圖，由測(cè)試數(shù)據(jù)可知加速度計(jì)溫度穩(wěn)定性優(yōu)于0.1 ℃，有效地提高了加速度計(jì)的穩(wěn)定性。

圖5 加速度計(jì)溫度數(shù)據(jù)

系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試：連續(xù)采集6 h數(shù)據(jù)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，6 h數(shù)據(jù)峰峰值約為2.1 μgn，標(biāo)準(zhǔn)差約為0.3 μgn。圖6為系統(tǒng)6 h采集到的數(shù)據(jù)抽點(diǎn)圖。

圖6 穩(wěn)定性測(cè)試數(shù)據(jù)

系統(tǒng)重復(fù)性測(cè)試：每天采集30 min靜態(tài)加速度數(shù)據(jù)，測(cè)完后關(guān)閉系統(tǒng)，第2天開機(jī)重復(fù)測(cè)試，共測(cè)7天，7次詳細(xì)數(shù)據(jù)如表1所示，系統(tǒng)7次測(cè)量到的重力加速度均值標(biāo)準(zhǔn)差為6.1 μg。

從以上測(cè)試數(shù)據(jù)可知，本加速度測(cè)量系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性和重復(fù)性，各項(xiàng)指標(biāo)都處于μgn級(jí)別，已充分發(fā)揮了現(xiàn)有石英撓性加速度計(jì)的測(cè)量性能，達(dá)到了高精度加速度測(cè)量要求。

表1 重復(fù)性測(cè)試數(shù)據(jù)

5 結(jié) 論

本文針對(duì)μgn級(jí)的高精度微小運(yùn)動(dòng)加速度測(cè)量要求，設(shè)計(jì)了一種基于石英撓性加速度計(jì)的高精度微加速度測(cè)量系統(tǒng)。通過磁屏蔽結(jié)構(gòu)和多級(jí)精密溫控有效地提高了加速度計(jì)的測(cè)量精度，并針對(duì)加速度計(jì)信號(hào)采集設(shè)計(jì)了高精度電流測(cè)量電路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量范圍為-2～2gn，測(cè)量誤差小于2.1 μgn，滿足高精度微小加速度測(cè)量要求，為高精度加速度測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)提供參考。

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