高精度全數(shù)字式超低頻石英撓性加速度計研制.pdf

1、石英撓性加速度計以其高分辨力、高穩(wěn)定性和高準確度等優(yōu)點被廣泛應用于低頻振動校準、慣性導航等涉及加速度的測控系統(tǒng)中。傳統(tǒng)石英撓性加速度計輸出模擬電流量，需要IV轉換和模數(shù)轉換電路的配合才能在測控系統(tǒng)中有效發(fā)揮功能，而這些轉換環(huán)節(jié)會引入額外的誤差分量，造成了系統(tǒng)測量精度的損失；此外，模擬伺服回路控制器設計完成后無法進行參數(shù)調整，而機械加工裝配誤差的存在不可避免的會使實際獲得的表頭特性與設計值不一致，這意味著按理論需求設計的模擬伺服回路控制器

2、的參數(shù)無法與實際加工得到的加速度計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伺服系統(tǒng)達到預期的性能指標，在批量化生產過程中這一問題尤為顯著。
　　本課題針對模擬石英撓性加速度計存在的上述問題，設計了一種全數(shù)字式石英撓性加速度計。首先對表頭內的機械結構進行了分析和優(yōu)化，然后設計了全數(shù)字式伺服回路，通過系統(tǒng)模型辨識的方法獲得加速度計表頭的數(shù)學模型及特性參數(shù)，然后再針對性地調整數(shù)字控制器的參數(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)的校正補

3、償，使得表頭和控制器之間獲得良好的參數(shù)匹配，最后對全數(shù)字式石英撓性加速度計的性能進行了實驗測試。
　　課題主要完成以下幾部分工作：
　　針對石英擺片二階扭轉模態(tài)在加速度測量中引入交叉干擾影響加速度計穩(wěn)定性的問題，建立了石英擺片懸臂梁模型，分析了石英擺片結構參數(shù)對加速度計性能的影響，并采用ANSYS模態(tài)和靜力學仿真對其進行優(yōu)化設計，從而提高了加速度計的穩(wěn)定性。針對線圈工作氣隙內磁場分布不均勻影響加速度計穩(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構內磁場分布情況，根據(jù)線圈工作氣隙內磁場分布情況，進一步優(yōu)化了力矩器結構。
　　針對模擬伺服回路與數(shù)字測量系統(tǒng)兼容時轉換電路產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)定性和對稱性的限制，性能難以提高的問題，設計了全數(shù)字伺服回路。其中，采用交流不平衡電橋實現(xiàn)加速度計內差動電容信號的檢測，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，提高了信號的抗干擾能

5、力；在伺服回路中增加了模數(shù)轉換和數(shù)模轉換電路，實現(xiàn)了閉環(huán)控制環(huán)節(jié)的全數(shù)字化，從而直接數(shù)字化測量加速度；最后，通過功率放大提高反饋電壓的驅動能力，提高了加速度計的量程。
　　針對石英撓性加速度計伺服回路由于無法對每個加速度計表頭的系統(tǒng)函數(shù)進行特定的補償網絡設計而影響最終加速度測量系統(tǒng)動態(tài)特性的問題，采用電激勵法進行了加速度計開環(huán)系統(tǒng)辨識實驗并且獲得準確的加速度計表頭傳遞函數(shù)，之后根據(jù)加速度計動態(tài)特性設計指標設計了數(shù)字補償控制器，從而

6、改善加速度計的靜態(tài)和動態(tài)特性。
　　完成了全數(shù)字石英撓性加速度計靜態(tài)和動態(tài)性能指標的測試。通過重力場中標定的方法建立了加速度計的靜態(tài)數(shù)學模型。實驗結果表明，加速度計的測量分辨力達到20μg，穩(wěn)定性優(yōu)于100μg，非線性為0.37％，測量帶寬為198Hz。
　　本文的研究成果改進了傳統(tǒng)模擬石英撓性加速度計信號輸出和控制器的形式，解決了由機械加工裝配誤差和伺服回路參數(shù)不可調整而引起的表頭和伺服回路參數(shù)不能良好匹配的問題，針對每一