高精度單晶硅撓性擺式加速度計組件的工程化實現

趙 虎，王淞立，劉海斌，張堯舜，李鵬飛

（中航工業西安飛行自動控制研究所，西安 710065）

高精度單晶硅撓性擺式加速度計組件的工程化實現

趙 虎，王淞立，劉海斌，張堯舜，李鵬飛

（中航工業西安飛行自動控制研究所，西安 710065）

針對單晶硅撓性擺式加速度計的高精度工程化應用需求，設計了加速度計組件及溫控系統。針對大多數溫控系統工作時的瞬時電流較大問題，設計了一種帶抽頭的加熱片，將溫控分為粗溫控和精溫控兩個階段，不同階段采用不同的加熱電阻。測試結果表明，設定目標溫度為60℃，當外界環境溫度從5℃到55℃變化時，溫控系統到溫時間小于15 min，控溫精度小于±0.1℃，精溫控時的最大電流為粗溫控時的33.4%。連續15天通電實驗表明，該組件的加速度計刻度系數K1穩定性小于10×10-6，偏值K0穩定性小于10 μg，滿足各類高精度、工程化的應用需求。

撓性擺式加速度計組件；帶抽頭加熱片；高精度溫控系統；工程化

加速度計是慣性導航系統最為常見的一類慣性器件。工作環境溫度變化對加速度計輸出的影響是慣性導航系統的一個主要誤差來源[1]，采用各類模型的溫度補償[2-5]以及溫度控制[6-9]一直是國內外慣性行業關注的一個重要方向。溫度補償方案需要根據不同的環境，建立復雜的模型，很難有一種補償方法適應任何復雜的環境變化，而采用溫度控制方案可以避免建立復雜的溫度補償模型，為慣性元件提供良好的工作環境，是提升撓性擺式加速度計精度的有效方式，但采用溫度控制方案也存在一些問題。

首先，慣導系統供電電壓一般為28 V，常用的溫控方案通過控制PWM波占空比調節加熱功率，該方案在工程化應用中存在瞬時電流大的缺點，即當組件到溫后，僅需要較小的占空比就能夠滿足控溫要求，但此時慣導系統的電源電流變化與PWM波一致，這一方面會向慣導系統的其它器件和電路引入噪聲，另一方面也會增加系統電源的瞬時功率。其次，撓性擺式加速度計組件體積較大，僅進行單點的溫度測量和控制不足以反映整體組件的溫度變化，在上電過程中，即便監測點的溫度已經非常穩定，其他部位的溫度還在緩慢上升，這也會影響慣性元件的輸出精度。再者，在工程化應用中，采用溫控方案，預熱時間通常較長，一般在15 min以上[10-11]，縮短預熱時間可減小導航系統的準備時間。

本文針對特殊應用背景下，彈類產品5℃～35℃的使用環境溫度需求，設計并實現了一種面向高精度、小體積、低價格應用的單晶硅撓性擺式加速度計工程化組件。針對傳統溫控系統存在的問題，該方案提出了一種帶抽頭的加熱片結構，在粗溫控和精溫控階段分別采用不同的加熱電阻，從而克服了采用PWM波控制的瞬時電流過大問題。將三個熱敏電阻布置在加速度計組件的不同位置，溫控系統采集三個點的平均溫度進行溫度測量和反饋控制。加計組件的測試結果表明，設定目標溫度為60℃，室溫環境下啟動，該組件可在10 min內到溫，其溫控精度為±0.05℃，精溫控時的電流峰值降為粗溫控時的33.4%。系統環境溫升8℃/h模擬實驗結果顯示，當外界環境溫度從5℃變化到55℃時，加速度計溫度變化0.15℃，由溫度波動帶來的加速度計誤差小于1.2μg。連續15 d通電實驗表明，該組件的加速度計刻度系數小于10×10-6，輸出精度小于10μg，該設計可在慣性導航系統中推廣使用。

1 加速度計組件的結構設計

加速度計組件的結構如圖1所示，主要包括三個部分：底座、蓋板、加速度計安裝座。加速度計被螺釘緊固在加速度計安裝基座上。為了進行隔熱，盡可能地減小加速度計組件與外部環境的熱交換，采用導熱率極低的墊片固定在安裝基座與底座之間。為了盡量減輕整個加速度計組件的重量，對組件底座多處進行掏空，并采用非金屬材料尼龍制作蓋板。整個加速度計組件與系統的安裝基準面之間通過熱導率較低的鈦合金螺釘固定，其余空間用絕熱棉填充。圖1（a）為加計組件的整體效果圖，1（b）為沒有蓋板的斜視圖，圖1（c）為加速度計模型。

圖1 加速度計組件的結構設計Fig. 1 Structure design of the accelerometer triad

2 溫控方案設計

我所生產的撓性擺式加速度計的溫度系數為全溫1mg，約為8μg/℃，因此當溫控精度為±0.1℃時，加速度計由溫度波動帶來的誤差小于2μg，滿足高精度應用的需求，因此溫控系統的設計目標值為60±0.1℃。

2.1 溫控策略

整體溫控的策略如圖2（a）所示，控制的目標溫度為60℃，上電后滿功率從室溫加熱到55℃。這個過程的時間t1越短越好，稱之為粗溫控；接下來采用PID算法進行溫控，稱之為精溫控。時間t2之后，達到控溫精度。溫控所采用的加熱片如圖2（b）所示，不同于大多數只有兩個抽頭的加熱片，該加熱片AB之間的電阻為165Ω，BC之間的電阻為55Ω，B端可看作是兩個普通加熱片AB和BC的公共端。

圖2(a) 整體溫控策略Fig.2(a) Temperature control strategy

圖2(b) 三抽頭加熱片示意圖Fig.2(b) Three-electrode heater

將這種帶抽頭的加熱片纏繞在加速度計的圓柱面上（圖1（c）），所有的加熱片并聯，則BC之間的總電阻為18.3 Ω，AB之間的總電阻為55 Ω。滿功率加熱時，BC接28 V直流電平，得到粗溫控時的功率為42.8 W，電流恒定為1.5 A。精溫控時，取AB之間的電阻進行加熱，得到精溫控的瞬時最大功率為14.3 W，瞬時最大電流為0.5 A。總體說來，精溫控的最大瞬時功率和最大瞬時電流都是粗溫控的33.4%。

2.2 溫控硬件設計

圖3為整個溫控系統的硬件設計方案，主控制器為C8051f單片機，控制算法為普通PID算法。單片機的兩個端口輸出PWM波給固態繼電器1和2，分別對加熱片在不同控溫階段進行加熱。在粗溫控階段，由于被控溫度距離目標溫度值較遠，采用較小阻值的加熱電阻進行加熱；在精溫控階段，采用較大阻值的加熱電阻進行加熱。安裝在加速度計基座上的PT1000熱敏電阻采集組件的實時溫度信息，并通過電阻電壓轉換電路，將溫度轉換為電壓，輸入到單片機，形成閉環。

圖3 溫控系統的硬件方案Fig.3 Hardware design of the temperature control system

由于組件體積較大，若采用單個PT1000熱敏電阻作為溫度反饋點，該反饋點的溫度會較快達到目標值，但整個系統達到熱平衡的時間依然需要比較久。為了盡量減少系統熱平衡的時間，將三個PT1000熱敏電阻布置在相互之間距離較遠的位置，取三個采集點溫度的平均值作為被控對象。溫控電路板及加速度計組件安裝在系統框架的實物圖如圖4所示。

圖4 帶有加計的IMU組件及溫控電路板實物圖Fig.4 The flexure accelerometer triad and temperature control circuit board

3 測試結果及分析

測試主要分為三個部分：第一部分為控溫指標測試，包括溫控精度和到溫時間；第二部分為環境適應性測試，主要模擬在有系統環境溫升的情況下，溫控的精度能否滿足要求；第三部分為加速度計長期穩定性測試，通過連續15 d的通電，對加速度計的輸出特性進行測試。

3.1 溫控指標測試

加速度計表面貼有AD590溫度傳感器，用于監測加速度計的溫度變化，測試結果如圖5所示。

圖5 室溫下溫控測試結果Fig.5 Measurement results of temperature control system in room temperature

剛上電時，進入粗溫控階段，溫升速率為0.1℃/s，到55℃后，進入精溫控。由于AD590和PT1000安裝部位的不同，當加熱片的溫度為60℃時，PT1000檢測到的溫度略低于60℃，因此PID反饋控制使其溫度繼續升高，待加熱到60.7℃左右，此時PT1000檢測到的溫度達到60℃，PID調節使得功率下降，對應圖中的溫度從60.7℃下降到59.3℃附近，直到被控溫度點達到熱平衡。穩定工作時，溫度的波動在59.313℃～59.221℃之間，波動范圍為0.092℃。該溫度與目標溫度60℃的差距主要來自于PT1000采樣電路理論值與實際值的差異。從測試結果可以看出，室溫條件下啟動，該溫控系統在10 min內可以穩定。

3.2 模擬系統溫升條件下的測試

在實際使用過程中，慣導系統中的其他電路和器件都會產生熱量，測試結果表明該系統的溫升速率約為10℃/h，根據系統要求，系統的放置環境溫度為5℃～35℃。將加速度計組件放置在溫箱中，設定溫箱為5℃，保溫2 h，然后進行溫控實驗。實驗過程中，設定溫箱從5℃以10℃/h的升溫速率升溫至55℃，得到如圖7(1)所示的結果。從圖中可以看出，隨著外界環境溫度的升高，采集到的溫度也逐漸升高，外界環境溫度變化50℃，帶來的加速度計表面溫度變化0.67℃。這是由于PT1000電阻電壓變換網絡的溫度系數造成的，PT1000的阻值通過電路轉換為電壓值輸入到8051單片機進行采集，從而得到反饋點的溫度，該轉換電路的數學表達式為

其中，V1=1.25 V、V2=2.5 V為參考電壓，R1=1100Ω，R3=4640Ω，RT為PT1000的電阻值。

為了估算溫度漂移帶來的影響，當外界環境溫度為5℃時，RT的阻值為1019.25Ω，可計算出VT=1.6677 V；當外界環境溫度為55℃時，控溫60℃時，RT的阻值為1231.00Ω，可計算出VT=688.9 mV。從數據手冊可以得到，電壓與電阻的溫度系數約為50×10-6/℃，設外界環境溫度變化50℃時，參考電壓與電阻都變化Δ，若考慮溫度變化，則式(1)可寫為：

帶入數據進行計算得ΔVT=13.5mV，因此當外界環境溫度為55℃時，PT1000電阻電壓變換網絡的輸出電壓702.4 mV，可以解算出RT=1227.48Ω，對應溫度為59.08℃，與目標溫度有0.92℃的差距，這與實際測量得到的0.67℃基本符合。為了使得溫控在外界環境溫度變化時依然能夠滿足60±0.1℃的控溫要求，必須對PT1000電阻電壓變換網絡的溫度系數進行補償。

圖6(a) 模擬系統溫升未補償溫控效果Fig.6(a) Temperature control results with no compensation in system temperature simulations

圖6(b) 模擬系統溫升補償后溫控效果Fig.6(b) Temperature control results with compensation in system temperature simulations

將圖4所示的加速度計組件和系統框架放入溫箱，在5℃～55℃的溫度范圍內，以10℃為步進，進行保溫測試，得到如表1所示的數據。其中，目標溫度為程序設定的控制溫度，8051溫度為單片機集成溫度傳感器測量得到的溫度，監測點溫度為加速度計表面溫度傳感器AD590采集得到的溫度，電源電流為28 V恒壓電源的輸出電流值。閉環控制所采用的控制策略為PID，理想的PID控制可以使得目標值與實際值近似相等，但對于該溫控系統，I值不宜過大，這主要是因為該溫控系統可通過調節占空比調節升溫速率，但降溫只能依靠環境的熱交換，而熱交換與系統與外界的環境溫差關系密切，當I值過大，外界環境溫度較低時，可以帶來非常小的靜差，但當外界環境溫度升高后，溫控系統容易積分飽和，導致溫度下降緩慢，影響調節精度。從表2可以看出，隨著溫箱溫度的升高，由于PT1000電阻電壓變換網絡存在溫度系數，反饋點溫度、8051溫度以及監測點的溫度都不斷升高，溫控的目的是讓反饋點的溫度在外界環境溫度變化時依然趨于穩定。可以看出8051溫度傳感器大體能夠反映外部環境溫度的變化情況，因此可通過8051的溫度傳感器對目標溫度進行修正。以溫箱5℃時的監測點溫度60.00℃為參考，近似認為目標溫度與監測點溫度為線性關系，可以得到補償目標溫度與8051溫度的關系，例如當環境溫度為45℃，目標溫度應為60.00℃-0.47℃=59.53℃，以此類推，可以得到補償目標溫度與8051溫度的關系如表2所示。另外，8051測得的溫度與溫箱設定溫度近似線性，因此可以將8051的溫度視為環境溫度進行溫度補償。

表1 加速度計組件的變溫測試結果Tab.1 Test results of accelerometer triad under variable temperature

表2 補償目標溫度與8051溫度關系Tab.2 Relationship between compensation target temperature and 8051 temperature

用三次多項式y=A+Bx+Cx2+Dx3對8051溫度與補償目標溫度進行擬合，得到如圖7所示的擬合曲線。

圖7 補償目標溫度與8051溫度的曲線擬合Fig.7 The target compensation temperature and 8051 temperature polynomial fitting

從圖7可以看出，補償目標溫度與8051溫度曲線基本符合三次多項式關系，擬合效果理想。將8051采集得到的溫度作為輸入，利用擬合公式計算得到溫度作為目標溫度進行PID控制，可以很好地對PT1000電阻電壓變換網絡的溫度系數進行補償。同樣，設定溫箱從5℃以10℃/h的升溫速率升溫至55℃，得到如圖7(2)所示的結果，當外界環境溫度變化50℃，監測點溫度僅變化0.15℃，符合60±0.1℃的精度要求。

3.3 加速度計長期穩定性測試結果

給加速度計組件通電，在溫控條件下進行連續通電15 d的測試，每8 h進行一次標定，最終的結果如圖8(a)和圖8 (b)所示。

圖8 連續通電15 天加速度計測試結果Fig.8 Accelerometer measurement results with 15 d continuous experiments

從圖8可以看出，在連續通電15 d的情況下，三軸加速度計的刻度系數變化小于10×10-6，其輸出偏值穩定性在10 μg以內，可以滿足高精度的應用要求。

4 總結與展望

本文針對單晶硅擺式撓性加速度計的高精度、工程化應用，設計了加速度計組件，針對大部分溫控系統普遍存在的溫控瞬時電流過大問題，提出了一種帶抽頭的加熱片結構，將溫控過程分為兩個階段，即粗溫控和精溫控，不同的溫控階段采用不同阻值的加熱電阻，解決了瞬時電流過大問題。最終測試結果表明，該系統的溫控精度為60±0.1℃，到溫時間小于15 min。該溫控方案具有很好的環境適應性，該方法可推廣至任何需要進行高精度溫控的場合。連續通電15 d測試實驗表明，三軸加速度計的刻度系數K1變化小于10×10-6，輸出殘差在10 μg以內，可以推廣至各類高精度的應用場合。

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Engineering realization of high-precision silicon flexure accelerometer triad

ZHAO Hu, WANG Song-li, LIU Hai-bin, ZHANG Yao-shun, LI Peng-fei
(AVIC Xi’an Flight Automatic Control Research Institute, Xi’an 710065, China)

In view of the engineering application requirements of high-precision silicon flexure accelerometer, an accelerometer triad and its temperature control system are designed and fulfilled. To solve the problem that most PWM-based temperature control systems have too large instantaneous current, a tapped heater with three electrodes is designed, in which the temperature control process is divided into the coarse temperature controlling phase and the precise one, and the electrodes used in the two phases are different.Measurement results show that, when the target temperature value is set to 60℃, and the surrounding temperature is changed from 5℃ to 55℃, the temperature stable time is less than 15 min, the temperature control precision is within ±0.1℃, and the instantaneous current of the precise temperature controlling phase is 33.4% of the coarse temperature controlling phase. The 15 days continuous experiments show that the K1is less than 10×10-6, and the K0is less than 10μg, meeting the high-precision engineering applications.

flexure accelerometer triad; three-electrode heater; temperature control system; engineering

U666.1

：A

1005-6734(2017)03-0360-05

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2017.03.015

2017-03-16；

：2017-05-27

火箭軍武器裝備（高精度慣性平臺技術）（30401030302）

趙虎（1987—），男，博士研究生，從事擺式加速度計研究、微機電機械系統研究。E-mail: zhaohu870126@163.com

聯 系 人：李鵬飛（1980—），男，高級工程師，從事單晶硅擺式加速度計研究。E-mail: 618gdb104@facri.com