高精度全數(shù)字式超低頻石英撓性加速度計(jì)研制.pdf

1、石英撓性加速度計(jì)以其高分辨力、高穩(wěn)定性和高準(zhǔn)確度等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于低頻振動(dòng)校準(zhǔn)、慣性導(dǎo)航等涉及加速度的測(cè)控系統(tǒng)中。傳統(tǒng)石英撓性加速度計(jì)輸出模擬電流量，需要IV轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的配合才能在測(cè)控系統(tǒng)中有效發(fā)揮功能，而這些轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)會(huì)引入額外的誤差分量，造成了系統(tǒng)測(cè)量精度的損失；此外，模擬伺服回路控制器設(shè)計(jì)完成后無法進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，而機(jī)械加工裝配誤差的存在不可避免的會(huì)使實(shí)際獲得的表頭特性與設(shè)計(jì)值不一致，這意味著按理論需求設(shè)計(jì)的模擬伺服回路控制器

2、的參數(shù)無法與實(shí)際加工得到的加速度計(jì)表頭的特性良好匹配，也就是說，性能參數(shù)固定的伺服回路無法保證加速度計(jì)伺服系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的性能指標(biāo)，在批量化生產(chǎn)過程中這一問題尤為顯著。
　　本課題針對(duì)模擬石英撓性加速度計(jì)存在的上述問題，設(shè)計(jì)了一種全數(shù)字式石英撓性加速度計(jì)。首先對(duì)表頭內(nèi)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和優(yōu)化，然后設(shè)計(jì)了全數(shù)字式伺服回路，通過系統(tǒng)模型辨識(shí)的方法獲得加速度計(jì)表頭的數(shù)學(xué)模型及特性參數(shù)，然后再針對(duì)性地調(diào)整數(shù)字控制器的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的校正補(bǔ)

3、償，使得表頭和控制器之間獲得良好的參數(shù)匹配，最后對(duì)全數(shù)字式石英撓性加速度計(jì)的性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。
　　課題主要完成以下幾部分工作：
　　針對(duì)石英擺片二階扭轉(zhuǎn)模態(tài)在加速度測(cè)量中引入交叉干擾影響加速度計(jì)穩(wěn)定性的問題，建立了石英擺片懸臂梁模型，分析了石英擺片結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)加速度計(jì)性能的影響，并采用ANSYS模態(tài)和靜力學(xué)仿真對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而提高了加速度計(jì)的穩(wěn)定性。針對(duì)線圈工作氣隙內(nèi)磁場(chǎng)分布不均勻影響加速度計(jì)穩(wěn)定性的問題，建立了力矩

4、器磁路模型，并且采用Maxwell仿真了力矩器磁路結(jié)構(gòu)內(nèi)磁場(chǎng)分布情況，根據(jù)線圈工作氣隙內(nèi)磁場(chǎng)分布情況，進(jìn)一步優(yōu)化了力矩器結(jié)構(gòu)。
　　針對(duì)模擬伺服回路與數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)兼容時(shí)轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生額外的精度損失問題，以及數(shù)字脈沖伺服回路由于器件的精度、穩(wěn)定性和對(duì)稱性的限制，性能難以提高的問題，設(shè)計(jì)了全數(shù)字伺服回路。其中，采用交流不平衡電橋?qū)崿F(xiàn)加速度計(jì)內(nèi)差動(dòng)電容信號(hào)的檢測(cè)，減小了寄生電容的影響；通過相敏檢波的方法提取加速度信號(hào)，提高了信號(hào)的抗干擾能

5、力；在伺服回路中增加了模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制環(huán)節(jié)的全數(shù)字化，從而直接數(shù)字化測(cè)量加速度；最后，通過功率放大提高反饋電壓的驅(qū)動(dòng)能力，提高了加速度計(jì)的量程。
　　針對(duì)石英撓性加速度計(jì)伺服回路由于無法對(duì)每個(gè)加速度計(jì)表頭的系統(tǒng)函數(shù)進(jìn)行特定的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)而影響最終加速度測(cè)量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的問題，采用電激勵(lì)法進(jìn)行了加速度計(jì)開環(huán)系統(tǒng)辨識(shí)實(shí)驗(yàn)并且獲得準(zhǔn)確的加速度計(jì)表頭傳遞函數(shù)，之后根據(jù)加速度計(jì)動(dòng)態(tài)特性設(shè)計(jì)指標(biāo)設(shè)計(jì)了數(shù)字補(bǔ)償控制器，從而

6、改善加速度計(jì)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。
　　完成了全數(shù)字石英撓性加速度計(jì)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的測(cè)試。通過重力場(chǎng)中標(biāo)定的方法建立了加速度計(jì)的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加速度計(jì)的測(cè)量分辨力達(dá)到20μg，穩(wěn)定性優(yōu)于100μg，非線性為0.37％，測(cè)量帶寬為198Hz。
　　本文的研究成果改進(jìn)了傳統(tǒng)模擬石英撓性加速度計(jì)信號(hào)輸出和控制器的形式，解決了由機(jī)械加工裝配誤差和伺服回路參數(shù)不可調(diào)整而引起的表頭和伺服回路參數(shù)不能良好匹配的問題，針對(duì)每一