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微加速度测量系统设计论文范文

时间:2022-10-10 03:52:00

微加速度测量系统设计论文

1石英挠性加速度计精度提升方案

本系统选用石英挠性加速度计作为加速度测量传感器。国内常用的惯性级石英挠性加速度计不能直接满足要求,为实现高精度加速度测量,需要对加速度计进行误差分析与补偿。石英挠性加速度计的测量误差主要来自2个方面:一方面是加速度计自身结构的不完善,比如:质量不平衡、结构的弹性变形、不等弹性等;另一方面,一些物理因素的影响,如变化的温度场、仪表内部的杂散磁场或外部干扰磁场等。对于前者,只能通过改进制造工艺来提高加速度计的测量精度;而对于后者,可以通过改善加速度计工作环境,为加速度计建立严格电磁屏蔽和精密温控的环境,提高石英挠性加速度计的稳定性,从而提高测量精度[7,8]。由于系统工作环境复杂,外界温度变化范围大,为有效地实现加速度计高精度温度控制,设计了二级温控结构。

为有效抑制外界低频磁场干扰,设计了二级磁屏蔽结构,理论上屏蔽的总效果在50dB以上,完全能满足石英挠性加速度计对磁场屏蔽结构的要求。图2为本系统加速度计磁屏蔽和两级温控结构示意图。第一级温控结构采用数字温度传感器作为温度测量传感器,半导体制冷器(TEC)作为温度控制件,改变控制电流大小和流向可以实现不同功率的制冷或制热,将温度控制在30℃,精度控制为±0.5℃。第二级温控结构采用Pt电阻器作为温度测量传感器,采用薄膜加热片作为温度控制件,改变控制电流的大小实现不同功率的加热,将温度控制在50℃,与第一级温控环境保持一定温差,实现±0.1℃的控制精度。温度控制芯片采用TIC2000系列DSP,控制算法采用积分分离的PI控制。当系统刚开机工作时,由于偏差较大,容易产生积分饱和,因此,取消积分作用,只采用比例控制,以加快系统的响应时间;当系统温度接近设定值时,加入积分作用,以消除稳态误差,提高精度。虽然各误差系数与诸物理参数有确定的函数关系,但误差系数并不是通过这些函数关系计算出来的,而是通过实验室条件下的测试确定出来的。所以,安装好加速度计后需要通过实验室转台测试出各误差系数,对加速度计输出数学模型进行误差补偿。

2测量电路设计

2.1测量电路模拟部分设计石英挠性加速度计输出信号为微弱电流信号,需要高精度电流测量电路将其转换为数字信号输出。整个加速度测量误差主要包括加速度计误差和电路测量误差两部分,为充分体现加速度计性能,要求测量电路的精度高于加速度计。本系统电流测量静态精度需要达到1nA,这已经接近电子元器件的精度上限,任何微小的噪声都会对测量精度产生很大的影响。因此,要达到本系统测量精度的要求,需要仔细分析各种噪声产生的原因,从电路和结构两方面进行优化设计,最大程度地抑制各种噪声,从而有效提高测量精度。图3为本系统前端模拟测量通道原理示意图。加速度计输出的电流信号进入测量电路的输入通道,首先通过采样电阻器将电流信号转换为电压信号,由输入信号调理电路对电压信号进行滤波并调整幅值到A/D转换器的输入范围,最后通过A/D转换为数字信号。本系统选用低噪声低温漂运放作为信号调理电路,并采用32位∑-Δ型高分辨率A/D转换器,降低电路噪声,提高测量精度。同时,为降低外部干扰影响,为前端模拟测量通道安装屏蔽壳并进行恒温控制。本系统选用的石英挠性加速度计标度因数约1.3mA/gn,测量电路电流测量量程设计为-2.6~+2.6mA,等效加速度测量量程-2~2gn。

2.2测量电路数字部分设计本系统采用FPGA+DSP作为数字部分主控系统,FP-GA实现8路AD同步采样控制和通信逻辑,DSP实现数字滤波和加速度信息解算。数字部分原理框图如图4所示。

3实验结果

完成系统测量电路和加速度计的标定后,将系统放置于隔振地基平台,对重力加速度的测量精度进行测试。监测系统内部各项温度数据,待系统模拟测量通道温度为(50±0.5)℃,加速度计温度为(50±0.1)℃,开始采集系统测量到的重力加速度数据。图5为温度稳定后加速度计温度数据图,由测试数据可知加速度计温度稳定性优于0.1℃,有效地提高了加速度计的稳定性。系统重复性测试:每天采集30min静态加速度数据,测完后关闭系统,第2天开机重复测试,共测7天,7次详细数据如表1所示,系统7次测量到的重力加速度均值标准差为6.1μg。从以上测试数据可知,本加速度测量系统具有很好的稳定性和重复性,各项指标都处于μgn级别,已充分发挥了现有石英挠性加速度计的测量性能,达到了高精度加速度测量要求。

4结论

本文针对μgn级的高精度微小运动加速度测量要求,设计了一种基于石英挠性加速度计的高精度微加速度测量系统。通过磁屏蔽结构和多级精密温控有效地提高了加速度计的测量精度,并针对加速度计信号采集设计了高精度电流测量电路。实验结果表明:该测量系统测量范围为-2~2gn,测量误差小于2.1μgn,满足高精度微小加速度测量要求,为高精度加速度测量系统应用设计提供参考。

作者:邓立新马帮军叶凌云单位:浙江大学生物医学工程与仪器学院

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