CN102323448A

CN102323448A - 一种零位自补偿的线性加速度计

Info

Publication number: CN102323448A
Application number: CN201110267277A
Authority: CN
Inventors: 张尧舜; 肖卫民
Original assignee: No 618 Research Institute of China Aviation Industry
Current assignee: No 618 Research Institute of China Aviation Industry
Priority date: 2011-09-01
Filing date: 2011-09-01
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2031-09-01
Also published as: CN102323448B

Abstract

本发明属于传感器技术领域，涉及一种零位自补偿的线性加速度计。加速度计包括电容定板、电容动板、电容检测极板、两个电容拾取电路、补偿电路、校正驱动电路、力矩器、固定柱、壳体。本发明在不改变现有加速度计原理的基础上通过增加电容检测极板和补偿电路，可自动补偿随时间推移或温度变化所造成的加速度计零位大小的变化。该发明原理简单、实施方便、成本低、可靠性高，可满足惯性导航、惯性制导等系统对加速度计零位大小及零位长期稳定性能的需求。

Description

一种零位自补偿的线性加速度计

技术领域

本发明属于传感器技术领域，涉及一种零位自补偿的线性加速度计。

背景技术

加速度计是惯性导航、惯性制导、飞行自动控制系统中最核心的敏感元件之一，用来测量沿其输入轴作用的常值和低频加速度a_i，无论在航天航空，还是在其它技术领域都得到了广泛应用。惯性级加速度计常为闭环摆式结构形式，其主要由信号传感器、力矩器、再平衡电路组成。当前高精度加速度计的信号传感器一般采用电容式，例如，应用在战术与战略导弹上的美国QA3000加速度计传感器就为电容式。现有高精度加速度计的组成及原理见图1。在该图中电容器C₁、C₂的差动电容大小(pF级)及稳定性直接决定了加速度计零位的大小及零位的长期稳定性性能。

近年来随着应用领域的发展，对加速度计零位的大小及零位的长期稳定性性能的要求在不断提高。依照其应用对象和使用环境，加速度计零位的大小大体要求在10^-3g～10^-5g范围；零位的长期稳定性性能10^-5g～10^-6g。

从现有高精度加速度计的组成及原理图1可以看出，由于电容信号传感器中决定电容量大小的动板和定板采用机械连接或胶粘工艺，随着时间的推移或温度的变化，动板、定板会发生变形，机械连接部分也会变化或胶粘变形，使传感器的电容量发生变化，使加速度计零位的大小及零位的长期稳定性性能发生变化。

为了满足加速度计的零位大小要求及提高零位的长期稳定性性能，从国内外的信息可以得出，一方面用户应用加速度计时，需定期对加速度计及用户系统反复重新进行标定，可靠性差且成本高；另一方面研制新型加速度计，包括：改进磁路(采用高磁稀土永磁材料以及改善温度稳定性等)、选用新型信号传感器、改进挠性铰链、优化电子线路和增加温度补偿等方面，采用此种方式生产的加速度计，其原理复杂、成本高、体积大、可靠性差。

发明内容

本发明的目的是：针对现有技术的不足，提供了原理简单、实施方便、成本低、可靠性高的一种零位自补偿的线性加速度计。

本发明的技术解决方案是：装置包括电容定板、电容动板、电容检测极板、第一电容拾取电路、第二电容拾取电路、补偿电路、校正驱动电路、力矩器、固定柱、壳体；电容定板位于电容动板和电容检测极板的中间位置，电容定板两工作面均有对称的电极板13，电容定板上的电极板分别与电容动板和电容检测极板上的电极板构成四个电容器；电容检测极板及其上面电极板的材料、形状、尺寸大小与电容动板完全相同，并且结构完全对称；第一电容拾取电路拾取电容动板和电容定板所构成电容C₁、C₂的电压值，第一电容拾取电路输出端与补偿电路的正输入端相连，第二电容拾取电路拾取电容定板和电容检测极板所构成电容C₃、C₄的电压值，第二电容拾取电路输出端与补偿电路的负输入端相连接；补偿电路的输出信号U₃接入校正驱动电路的输入端，校正驱动电路输出端与力矩器中的力矩线圈输入端连接，力矩线圈输出端通过采样电阻R_L与信号地连接，电容定板、电容动板、电容检测极板通过机械紧固件或胶连接在固定柱上。

所述的第一电容拾取电路由振荡器AZ、检测电桥R₁、R₂、C₁、C₂、电压放大器A₁组成，将C₁、C₂电容的变化量转换为与C₁、C₂电容差成正比例的电压信号U₁；第二电容拾取电路由振荡器AZ、检测电桥Rp₁、Rp₂、C₃、C₄、电压放大器A₂组成，将C₃、C₄电容的变化量转换为与C₃、C₄电容差成正比例的电压信号U₂。

所述的补偿电路由R₃、R₄、R₅、R₆、运算放大器A₃组成，其中R₃＝R₄＝R₅＝R₆，补偿电路的输出信号U₃＝U₁-U₂。

本发明具有的优点和有益效果是：在不改变现有加速度计原理的基础上通过增加电容检测极板和补偿电路，实现加速度计的零位自补偿，易于实现加速度计零位大小的调节并可提高零位的长期稳定性性能。可避免由于加速度计零位的变化所造成的用户应用系统需定期反复标定的现象，同时可降低应用成本，该发明实施简单方便，可满足惯性导航、惯性制导等系统对加速度计零位大小及零位长期稳定性性能的需求。

附图说明

图1是现有线性加速度计的组成及原理示意图；

图2是本发明线性加速度计的组成及原理示意图；

图3是本发明零位自补偿的一种实施方案及其工作原理示意图。

具体实施方式

下面对本发明作进一步详细说明。参见图1，图2，图3，它包括电容定板1、电容动板2、电容检测极板3、电容拾取电路4、电容拾取电路5、补偿电路6、校正驱动电路7、力矩器8、固定柱9、壳体10；电容定板1位于电容动板2和电容检测极板3的中间位置，电容定板1两工作面均有对称的电极板13，电容定板1上的电极板分别与电容动板2和电容检测极板3上的电极板构成四个电容器，其中C₁、C₂用来敏感输入的加速度且C₁、C₂电容差与电容动板2所敏感的加速度成正比例关系，C₃、C₄电容用来敏感电容定板1、电容检测极板3、固定柱8的变形量，电容检测极板3及其上面电极板的材料、形状尺寸大小与电容动板2完全相同，则C₃、C₄电容差可反映因电容定板1、电容动板2、机械连接部分变形所造成的C₁、C₂电容差的变化量。电容拾取电路5与电容拾取电路4的原理及元器件性能相一致，电容拾取电路4拾取电容动板和电容定板所构成电容C₁、C₂的电压值，电容拾取电路4由振荡器AZ、检测电桥R₁、R₂、C₁、C₂、电压放大器A₁组成，实现将C₁、C₂电容的变化量转换为与C₁、C₂电容差成正比例的电压信号U₁。电容拾取电路5拾取电容定板和电容检测极板所构成电容C₃、C₄的电压值，电容拾取电路5由振荡器AZ、检测电桥Rp₁、Rp₂、C₃、C₄、电压放大器A₂组成，实现将C₃、C₄电容的变化量转换为与C₃、C₄电容差成正比例的电压信号U₂。电容拾取电路4输出端与补偿电路6的正输入端相连，电容拾取电路5输出端与补偿电路6的负输入端相连接。补偿电路6由R₃、R₄、R₅、R₆、运算放大器A₃组成，其中R₃＝R₄＝R₅＝R₆，则补偿电路7的输出信号U₃＝U₁-U₂，补偿电路6的输出信号U₃接入校正驱动电路AX7的输入端，校正驱动电路AX7输出端与力矩器8中的力矩线圈L_J11输入端连接，力矩线圈L_J11输出端通过采样电阻R_L与信号地连接，电容定板1、电容动板2、电容检测极板3通过机械紧固件或胶连接在固定柱9上，力矩器8包括力矩线圈L_J11、磁路12。

图3是本发明零位自补偿的一种实施方案及其工作原理示意图，在该图中C₁、C₂是由电容定板1上的电极板与电容动板2上的电极板所构成的两个电容器，C₁、C₂电容差值的大小与电容动板2所敏感的输入加速度值成正比例关系，C₁、C₂电容差的正负决定了输入加速度的方向。由振荡器AZ、检测电桥Rp₁、Rp₂、C₃、C₄、电压放大器A₂组成的电容拾取电路4将C₁、C₂电容差值转换成正比例的电压信号U₁，同时电压信号U₁的正负极性决定了C₁、C₂电容差的正负。C₃、C₄是由电容定板1上的电极板与电容检测极板3上的电极板所构成的两个电容器，C₃、C₄电容用来敏感电容定板1、电容检测极板3、固定柱8的变形量，电容检测极板3及其上面电极板的材料、形状尺寸大小与电容动板2完全相同，则C₃、C₄电容差可反映因电容定板1、电容动板2、机械连接部分变形所造成的C₁、C₂电容差的变化量。电容拾取电路5与电容拾取电路4的原理及元器件性能相一致，电容拾取电路5由振荡器AZ、检测电桥Rp₁、Rp₂、C₃、C₄、电压放大器A₂组成，实现将C₃、C₄电容的变化量转换为与C₃、C₄电容差值成正比例的电压信号U₂。电容拾取电路4输出端与补偿电路6的正输入端相连，电容拾取电路5输出端与补偿电路6的负输入端相连接。补偿电路6由R₃、R₄、R₅、R₆、运算放大器A₃组成，其中R₃＝R₄＝R₅＝R₆，则补偿电路7的输出信号U₃＝U₁-U₂。

理想情况下，当输入加速度为0g时，电容拾取电路4的输出信号U₁＝0V，电容拾取电路5的输出信号U₂＝0V，则补偿电路6的输出信号U₃＝U₁-U₂＝0V，校正驱动电路7的输出为0，加速度计的模拟输出信号为0V；

实际应用中，由于材料、制造及安装工艺等因素，当输入加速度为0g时，电容拾取电路4的输出信号U₁≠0V，造成校正驱动电路7的输出端产生了零位误差，通过调节电容拾取电路5检测电桥中的Rp₁或Rp₂使电容拾取电路5的输出信号U₂发生变化，补偿电路6的输出信号U₃＝U₁-U₂＝0V，加速度计的模拟输出信号为0V，实现了零位大小的调节功能；

随着时间的推移或温度的变化，电容定板1、电容动板2会发生变形、机械连接部分也会变化或胶粘变形，使传感器的C₁、C₂电容量发生变化，电容拾取电路4的输出信号U₁≠0V＝U₁₀，校正驱动电路7的输出端将会产生零位误差；但是由于电容检测极板3及其上面电极板的材料、形状尺寸大小与电容动板2完全相同，C₃、C₄电容差与因电容定板1、电容动板2、机械连接部分变形所造成的C₁、C₂电容差的变化量基本相同。电容拾取电路5与电容拾取电路4的原理及元器件性能相一致，电容拾取电路5将产生电压信号U₂₀且U₂₀≈U₁₀，补偿电路6由R₃、R₄、R₅、R₆、运算放大器A₃组成，由于R₃＝R₄＝R₅＝R₆，则补偿电路7的输出信号U₃＝U₁₀-U₂₀≈0，从而补偿了电容拾取电路4所产生的输出误差信号U₁₀，使得校正驱动电路7的输出端零位误差近似为零。

实施例一

电容定板1上的电极板与电容动板2构成的C₁、C₂电容器的变化范围0∽100pF，电容定板1上的电极板与电容检测极板3上的电极板所构成的电容器C₃＝C₄＝50pF，R₁＝R₂＝100kΩ，Rp₁＝Rp₂＝150kΩ，R₃＝R₄＝R₅＝R₆＝10kΩ，采样电阻R_L＝1kΩ，将加速度计固定到机械分度头上，转动分度头使加速度计的输入加速度为0g，用数字电压表检测采样电阻R_L端电压值为11mv，调节电容拾取电路5检测电桥中的Rp₂的阻值大小，使采样电阻R_L端电压值从11mv减小到0.101mv实现了零位大小的调节；

将加速度计固定到测量基准稳定的高低温试验箱中，分别在常温23℃、-40℃、+70℃用数字电压表测量出电容拾取电路4的输出端电压值U₁、电容拾取电路5的输出端电压值U₂、采样电阻R_L两端电压值、并记录在表1中。从表1可以看出，随着温度的变化，电容定板1、电容动板2、电容检测极板3会发生变形使C₁、C₂、C₃、C₃电容量发生了变化，由于采用了零位自补偿，加速度计的零位模拟输出信号变化较小(2*10^-6V)，实现了零位的补偿作用。

表1：记录的原始数据

Claims

1.一种零位自补偿的线性加速度计，其特征在于：加速度计包括电容定板(1)、电容动板(2)、电容检测极板(3)、第一电容拾取电路(4)、第二电容拾取电路(5)、补偿电路(6)、校正驱动电路(7)、力矩器(8)、固定柱(9)、壳体(10)；电容定板(1)位于电容动板(2)和电容检测极板(3)的中间位置，电容定板(1)两工作面均有对称的电极板(13)，电容定板(1)上的电极板分别与电容动板(2)和电容检测极板(3)上的电极板构成四个电容器；电容检测极板(3)及其上面电极板的材料、形状、尺寸大小与电容动板(2)完全相同，并且结构完全对称；第一电容拾取电路(4)拾取电容动板(2)和电容定板(1)所构成电容C₁、C₂的电压值，第一电容拾取电路(4)输出端与补偿电路(6)的正输入端相连，第二电容拾取电路(5)拾取电容定板(1)和电容检测极板(3)所构成电容C₃、C₄的电压值，第二电容拾取电路(5)输出端与补偿电路(6)的负输入端相连接；补偿电路(6)的输出信号U₃接入校正驱动电路(7)的输入端，校正驱动电路(7)输出端与力矩器(8)中的力矩线圈(12)输入端连接，力矩线圈(12)输出端通过采样电阻R_L与信号地连接，电容定板(1)、电容动板(2)、电容检测极板(3)通过机械紧固件或胶连接在固定柱(9)上。

2.根据权利要求1所述的一种零位自补偿的线性加速度计，其特征在于：所述的第一电容拾取电路(4)由振荡器AZ、检测电桥R₁、R₂、C₁、C₂、电压放大器A₁组成，将C₁、C₂电容的变化量转换为与C₁、C₂电容差成正比例的电压信号U₁；第二电容拾取电路(5)由振荡器(AZ)、检测电桥Rp₁、Rp₂、C₃、C₄、电压放大器A₂组成，将C₃、C₄电容的变化量转换为与C₃、C₄电容差成正比例的电压信号U₂。

3.根据权利要求1所述的一种零位自补偿的线性加速度计，其特征在于：所述的补偿电路(6)由R₃、R₄、R₅、R₆、运算放大器A₃组成，其中R₃＝R₄＝R₅＝R₆，补偿电路(7)的输出信号U₃＝U₁-U₂。