石英撓性加速度計輸出噪聲特性分析*

侯文超 劉曉東 吳 畏 王得信

(天津航海儀器研究所 天津 300131)

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石英撓性加速度計輸出噪聲特性分析*

侯文超 劉曉東 吳 畏 王得信

(天津航海儀器研究所 天津 300131)

論文針對高精度加速度計的輸出噪聲特性進行分析,包括加速度計表體、線路、檢測儀表及測試環境。通過分析闡明加速度計輸出噪聲產生的根源,給出加速度計表體具有的分辨能力以及采取相應措施滿足系統對分辨率的需求。

高分辨率; 加速度計; 噪聲分析

Class Number V241.622

1 引言

加速度計是慣性導航與制導系統的核心元件,隨著系統對其精度的需求越來越高,重力無源輔助導航是必不可少的,它需要精確測量地球重力場加速度[1]。同時地球物理勘探、礦物資源開發也需要精確測量地球重力場加速度梯度的變化。這也是目前國內研究的重點。重力場加速度及加速度梯度測量的關鍵指標之一是分辨率。分辨率是靜態指標,測試時需要小的加速度輸入,通過輸出信號判斷是否能敏感這個加速度。進行超高分辨率測試時,對環境的要求是比較苛刻的,包括隔振地基、穩定的環境溫度、均衡的磁場等。噪聲是動態指標,是對環境條件、測試平臺進行評估,看是否滿足分辨率對應的輸出指標要求。噪聲用頻譜及功率譜密度表示,依據測試結果,選擇功率譜密度低的頻段進行分辨率測試,才能挖掘加速度計表體本身具有的分辨率潛力。當然噪聲低并不代表具有高的分辨率,但它是一個前提。分辨率與噪聲的關系如下:

(1)

式中,D為分辨率;An為噪聲功率譜密度;Bw為帶寬。

2 加速度計工作原理及輸出特性

本文選用的加速度計類型為石英撓性加速度計。石英撓性加速度計由檢測質量、磁鋼、位置傳感器、感應線圈和反饋回路所組成[2～4]。如圖1所示。

圖1 石英撓性加速度計結構

石英撓性擺組件包括石英擺片和上下力矩器線圈。力矩器線圈外圍石英擺片盤面上下沉積有金屬電極,與磁鋼組件的端面形成差動電容敏感器。石英撓性擺組件夾持在上下磁鋼組件之間。磁鋼組件提供所需的氣隙磁場。當有加速度輸入時,由石英擺片和力矩器線圈組成的檢測質量相對平衡位置發生偏轉,擺片端部的變距離差動電容的橋路容抗發生變化,輸出反映擺偏角的電信號,伺服放大器把電信號轉換成電流信號,輸入到力矩器線圈,兩個力矩器推挽式工作,使舌形擺片重新回到平衡位置[5～7]。

其工作原理[8～9]可以用圖2所示的方框圖表示,圖中R為標準采樣電阻。

圖2 石英撓性加速度計輸出特性方框圖

輸出特性方程:

(2)

3 輸出噪聲

從特性方程(2)可以看出KF反饋放大系數大可降低a0交叉加速度對輸出的影響,但線路輸出的信噪比也相對增大,因此合理選擇回路參數及器件對降低噪聲至關重要。

為了降低環境對加速度計測試性能的影響,通常選擇隔振基座和恒溫恒壓條件,隔振基座減震水平要高于加速度計要測試的分辨力精度。現有的實驗室隔振基座精度為10-6g量級,恒溫恒壓條件為T±3℃/d,在此基礎上對研制的石英撓性加速度計進行噪聲測試。測試儀表為八位半的agillent-3458A,采用不同的積分時間得到不同頻段的輸出特性,利用頻譜分析和功率譜密度表征噪聲特征及大小。積分時間2E-3對應采集頻率430Hz,2E-2對應采集頻率43Hz,2E-1對應采集頻率4.9Hz。通過對采集數據的移動濾波處理,窗口寬度為10,可得到相應的噪聲特性,如圖3所示。

(a) 2E-1噪聲測試

(b) 2E-2噪聲測試

(c) 2E-3噪聲測試圖3 噪聲測試

從頻譜圖可以看出,在6Hz～8Hz、10Hz～12Hz、20Hz、40Hz、60Hz、80Hz頻率附近噪聲相對比較大,對多只石英撓性加速度計進行測試后發現都有相同特性。采用相同實驗室不同的基座或不同實驗室的基座進行測試,發現在上述頻段或附近仍具有較大的噪聲共性。不同頻段輸出噪聲功率譜密度如表1所示。

表1 加速度計不同頻段輸出噪聲

4 噪聲特性分析

要降低噪聲,就要了解噪聲產生的根源,本文主要從加速度計表體本身、力反饋回路、檢測儀表和測試環境進行噪聲特性分析。

4.1 表體本身

加速度計工作采用模擬力反饋回路,工作時石英擺組件不是靜止不動的,從電容敏感偏移到電磁力反饋拉到中心是有時間差的,這個時間是力反饋回路工作的時間,一般比較短在幾百微秒,相對頻率在幾百赫茲,然而從測試結果看并不存在這個頻率。并且石英擺組件運動會帶動周圍氣體運動,對擺組件產生擠壓,其頻率與擺組件運動頻率一致。

另外,為了驗證擺組件固有頻率是否會帶來噪聲,對其采取了有限元模態分析[10～11],如圖4所示。

(a) 一階陣型

(b) 二階陣型

模態分析主要包括基頻、扭頻。扭頻主要是擺不平衡運動產生扭轉所致。

為進一步驗證石英擺組件運動可能帶來的噪聲干擾,對石英擺組件進行了固有頻率、扭頻及衰減特性測試。測試方法為對石英擺組件檢測質量中心短暫吹氣,檢測擺組件運動特性,測其基頻和扭頻。測試結果如表2所示,測試裝置如圖5所示。

表2 擺片組件模態分析和測試結果

4.2 力反饋回路及檢測儀表

力反饋回路主要包括電容敏感、交流放大、帶通濾波、相敏解調、校正網絡、低通濾波和電流放大。測試時回路不接加速度計表體,將輸入短路測輸出噪聲。測試結果如圖6所示。

圖5 擺片組件固有頻率測試裝置

(a) 2E-1短接測試

(b) 2E-2短接測試

(c) 2E-3短接測試圖6短接測試結果

由圖6(c)可知,在頻率20Hz、40Hz、60Hz、80Hz上噪聲比較大,與加速度計輸出噪聲頻率能對應上,說明在該頻率上產生的噪聲不是表體引起的。然而這種測試還不能說明噪聲是力反饋回路引起的,因為檢測儀表也在檢測線路中,為了驗證是否由其引起,對檢測儀表也進行了噪聲測試。測試方法將3458A輸入短路進行噪聲測試,結果與圖6(c)對應積分時間噪聲相同,可以說明20Hz、40Hz、60Hz、80Hz上的噪聲不是力反饋回路所致,而是由檢測儀表所引起。并且由圖6(b)可以給出在6Hz～8Hz、10Hz～12Hz上的噪聲與加速度計表體有關,但是與表體本身有關還是與環境輸入震動加速度有關,還需要進一步分離試驗。

4.3 隔振基座

隔振基座是加速度計性能測試的關鍵。其是否能滿足10-8～10-9g量級的需求沒有檢測驗證過,為此借助三分向寬頻帶地震計CMG-3ESPC對隔振基座進行了震動測試,用上述噪聲分析法對采集數據進行分析,采集頻率為50Hz,其結果如圖7所示。

圖7 隔震基座噪聲測試

由圖7可知,在頻率6Hz～8Hz、10Hz～12Hz、17Hz～23Hz上的噪聲比較大,與加速度計輸出噪聲頻段基本能對上,因地震計采集頻率相對加速度計采集頻率高,所以反映出了在17Hz～23Hz處也有大的噪聲。

綜上試驗噪聲分析,可以確定加速度計輸出在20Hz、40Hz、60Hz、80Hz、6Hz～8Hz、10Hz～12Hz上的噪聲是由檢測儀表,表體固有頻率及隔振基座引起。但在6Hz～8Hz、10Hz～12Hz上的噪聲是否就由隔振基座引起,是否有表體的噪聲疊加在其上,還不能斷論,希望有更好的隔振基座來試驗分離。

4.4 山洞實驗

山洞遠離城市繁雜活動,具有安靜恒溫的條件。本試驗借助了山洞的超凈環境,其隔振基座減震能達到10-9～10-10g量級,最有利的是不需要通風保持恒溫,通過防風措施,使溫度保持在T±0.01℃/h。在此條件下對加速度計輸出噪聲進行了測試,測試結果如圖8所示。

表3 山洞中加速度計不同頻段輸出噪聲

(a) 2E-1噪聲測試

(b) 2E-2噪聲測試

(c) 2E-3噪聲測試圖8 噪聲測試結果

由圖8(c)可知,20Hz、40Hz、60Hz、80Hz的噪聲還是存在的,說明是檢測儀表引起的。而由圖8(b)可知在6Hz～8Hz、10Hz～12Hz上的噪聲不存在了,可以確定加速度計表體不會產生此頻段噪聲。從功率譜密度來看,山洞高頻噪聲在2E-2、2E-3頻段沒有太大的差別,但較中心實驗室低1～2個數量級,在低頻段2E-1及2E-1(濾波)噪聲只降低了1倍,說明山洞對高頻隔振效果好。從長時間穩定性測試看(10s采集),輸出噪聲帶寬要低于實驗室1個數量級,這有利于分辨率測試。

5 結語

本文通過噪聲測試及試驗分析,闡明了噪聲產生的根源,提出了高分辨率加速度計測試必須注重檢測儀表及環境因素,尤其是隔振基座和周圍環境的溫度、風阻、磁場等。也挖掘了加速度計具有的最低噪聲和高的分辨能力。對后期系統使用可提出建設性意見。

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Output Noise Characteristics Analysis of the Quartz Flex Accelerometer

HOU Wenchao LIU Xiaodong WU Wei WANG Dexin

(Tianjin Institute of Navigation Instrument, Tianjin 300131)

Analysis were made in the paper aiming at the output noise characteristics of high precision accelerometer, including accelerometer itself, circuit, testing instrument and testing environment. The reasons which lead to produce the noise through the analysis are found out to provide the resolution of the accelerometer and take some measures to meet the system’s need of the resolution.

high precision, accelerometer, noise analysis

2014年9月11日,

2014年10月31日

國家863計劃項目(編號:2006AA06A203)資助。

侯文超,男,碩士研究生,研究方向:慣性導航元件噪聲。劉曉東,女,研究員,碩士生導師,研究方向:慣性導航器件的結構與性能。吳畏,男,工程師,研究方向:慣性元件技術。王得信,男,高級技師,研究方向:石英撓性加速度計工藝。

V241.622

10.3969/j.issn1672-9730.2015.03.012