微加速度测量系统设计论文范文

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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