CN103995150A - 一种标度因子可调节的电容挠性加速度计 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种标度因子可调节的电容挠性加速度计。包括检验质量，一对差分电容器，传感器，计算模块，以及静电执行机；检验质量通过挠性结构连接固定的框架，一对差分电容器包括两个运动极板和两个固定极板，两个运动极板由检验质量两侧面上的金属镀层构成，两个固定极板对称设置在检验质量的两侧，且分别与两个运动极板正对；两个运动极板连接传感器的输入端，传感器的输出端连接计算模块的输入端，计算模块的输出端连接静电执行机的输入端，静电执行机的输出端连接两个运动极板。本发明可实现对标度因子的大范围调节，能广泛用于旋转加速度计重力梯度仪中，有效抑制沿转台平面的平动加速度噪声，以及沿转台转轴的角加速度噪声。

Description

一种标度因子可调节的电容挠性加速度计
技术领域
本发明属于地球重力场测量技术领域，更具体地，涉及一种标度因子可调节的电容挠性加速度计。
背景技术
地球重力场是近地空间最基本的物理场之一，反映了地球内部物质组成和分布信息，通过精确测量地球重力场可以反演估计出地球表层的物质分布和变化。地球重力场的测量包括对重力加速度和重力梯度张量的测量，由于重力梯度张量是重力位的二阶导数，因此重力梯度测量较重力加速度测量对重力场的短波分量更加敏感，测量重力梯度张量比测量重力加速度更能够反映场源体的细节，具有更高的空间分辨率；另一方面重力梯度通常采用差分测量，能够有效地抑制源于搭载平台自身运动的影响，因此在精化地球重力场、重力资源勘探、重力辅助惯性导航等方面具有更加广泛的应用前景。
在过去的数十年中，澳大利亚BHP公司和美国Lockheed Marin公司研制的基于旋转加速度计的航空和艇载重力梯度测量系统(FALCON和Air-FTG)分别在重力资源勘探和重力辅助导航等领域取得极好的效果。旋转加速度计重力梯度仪的基本结构是由四个加速度计对称反向平行安放在旋转圆盘上，其敏感轴沿圆盘的切线方向。理想情况下，四个加速度计标度因子完全一致，当回转台以一定的速度转动起来后，将四个加速度计的输出信号进行组合，能够抑制掉圆盘上的平动加速度及转动加速度，并且放大重力梯度信号。而实际上，四个加速度计不可能完全一致，这就需要通过引入标度因子调节机械结构和外置电路系统，实时更改加速度计的标度因子，实现四个加速度计的匹配，从而实现重力梯度信号的测量。
目前的旋转加速度计重力梯度仪中采用挠性力平衡加速度计，该加速度计采用电容传感和电磁反馈的工作方式，由差分电容传感检测检验质量对框架的相对位移，然后在与检验质量固连在一起的反馈线圈中施加电流，通过安培力来平衡外界加速度。在多个加速度计构成梯度仪时，在加速度计表头的磁极附近额外加入标度因子调节线圈，通过在该线圈中施加与标度因子不匹配对应的调节电流来实现成对加速度计的标度因子一致性匹配，这对构成加速度计表头的永久磁极的均匀性和稳定性提出了极高的要求，此外，对永久磁极产生的磁场进行调节还会引入非线性、温度扰动等问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种标度因子可调节的电容挠性加速度计，有效避免了标度因子一致性调节中对磁极均匀性和稳定性的苛刻要求，以及调节磁场引入的非线性、温度扰动等问题，可实现对标度因子的大范围调节，调节方法简单易行，能广泛用于旋转加速度计重力梯度仪中，有效抑制沿转台平面的平动加速度噪声，以及沿转台转轴的角加速度噪声。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种电容挠性加速度计，其特征在于，包括检验质量，一对差分电容器，传感器，计算模块，以及静电执行机；所述检验质量通过挠性结构连接固定的框架，所述一对差分电容器包括两个运动极板和两个固定极板，其中，两个运动极板由所述检验质量两侧面上的金属镀层构成，两个固定极板对称设置在所述检验质量的两侧，且分别与两个运动极板正对；两个运动极板连接所述传感器的输入端，所述传感器的输出端连接所述计算模块的输入端，所述计算模块的输出端连接所述静电执行机的输入端，所述静电执行机的输出端连接两个运动极板；所述传感器用于将所述检验质量的位移量转换成电压信号，所述计算模块用于根据所述传感器输出的电压信号计算需要施加到两个运动极板上的电压，所述静电执行机用于产生作用于两个运动极板的反馈电压，使所述检验质量回复到平衡位置。
优选地，工作时，两个固定极板的电压由高频电压信号和直流电压信号Vb叠加而成，Vb＝Vb0+Vtb，其中，初始偏置电压Vb0为恒定值，Vtb为调整电压。
优选地，标度因子其中，C0为所述检验质量在平衡位置时所述一对差分电容器的容值，m为所述检验质量的质量，d0为所述检验质量在平衡位置时两个固定极板和与其对应的运动极板的间距。
优选地，|Vtb|≤|Vb0|。
按照本发明的另一方面，提供了一种含有上述电容挠性加速度计的旋转加速度计重力梯度仪。
按照本发明的又一方面，提供了一种旋转加速度计重力梯度仪中加速度计标度因子的一致性调节方法，所述旋转加速度计重力梯度仪含有一对上述电容挠性加速度计，其特征在于，根据所述一对电容挠性加速度计的静电执行机产生的作用于各电容挠性加速度计同侧运动极板的反馈电压Vf1和Vf2，得到所述一对电容挠性加速度计的标度因子的残差信号E12＝Vf1+Vf2；通过参考信号对残差信号进行解调，得到残差信号幅值；根据残差信号幅值产生匹配调整电压Va；将Va作为其中一个电容挠性加速度计的调整电压输入，或者将0.5Va和-0.5Va分别所述一对电容挠性加速度计的调整电压输入，使所述一对电容挠性加速度计的标度因子保持一致。
按照本发明的又一方面，提供了一种旋转加速度计重力梯度仪中加速度计标度因子的一致性调节方法，所述旋转加速度计重力梯度仪含有两对上述电容挠性加速度计，分别为第一、第二、第三和第四加速度计，其特征在于，使所述第一和第二加速度计的标度因子保持一致；使所述第三和第四加速度计的标度因子保持一致；根据所述第一、第二、第三和第四加速度计的静电执行机产生的作用于各加速度计同侧运动极板的反馈电压Vf1、Vf2、Vf3和Vf4，得到四个加速度计的标度因子的残差信号E1234＝Vf1+Vf2+Vf3+Vf4；通过参考信号对残差信号进行解调，得到残差信号幅值；根据残差信号幅值产生匹配调整电压Va1234；将匹配调整电压作为其中一个加速度计的调整电压输入，或者将0.25Va1234作为所述第一和第二加速度计的调整电压输入，同时将-0.25Va1234作为所述第三和第四加速度计的调整电压输入，使两对加速度计的标度因子保持一致。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，无需使用磁反馈线圈，采用电容传感和静电反馈的工作方式，将静电执行机的输出电压进行组合得到施加在差分电容固定极板上的调整电压，即可实现标度因子的实时在线匹配调节，完全避免了标度因子一致性调节中由磁反馈线圈带来的对磁极均匀性和稳定性的苛刻要求，以及调节磁场引入的非线性、温度扰动等问题。可实现对标度因子的大范围调节，调节方法简单方便。因此，将本发明的加速度计用于旋转加速度计重力梯度仪中，通过对加速度计标度因子的一致性匹配，能有效抑制沿转台平面的平动加速度噪声，以及沿转台转轴的角加速度噪声。
附图说明
图1是本发明实施例的电容挠性加速度计的结构示意图；
图2是两个加速度计标度因子一致性调节的原理示意图；
图3是四个加速度计标度因子一致性调节的原理示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-检验质量，2-挠性结构，3-框架，4-金属镀层，5-固定极板，7-传感器，8-计算模块，9-静电执行机，11-加法器，14-解调器，15-计算控制模块。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明实施例的电容挠性加速度计包括检验质量1，一对差分电容器，传感器7，计算模块8，以及静电执行机9。检验质量1通过挠性结构2连接固定的框架3，一对差分电容器包括两个运动极板和两个固定极板，其中，两个运动极板由检验质量1两侧面上的金属镀层4构成，两个固定极板5对称设置在检验质量1的两侧，且分别与两个运动极板正对。两个运动极板连接传感器7的输入端，传感器7的输出端连接计算模块8的输入端，计算模块8的输出端连接静电执行机9的输入端，静电执行机9的输出端连接两个运动极板。
两个固定极板5的电压由高频电压信号和直流电压信号Vb叠加而成，其中，高频电压信号(频率为50kHz～100kHz)通过与两个固定极板5连接的电容器加载在两个固定极板5上，用作差分电容传感工作的激励电压，直流电压信号Vb由恒定电压Vb0(初始偏置电压)和调整电压Vtb叠加而成，通过加法器11加载在两个固定运动极板5上，用作静电反馈工作的偏置电压。
传感器7用于将检验质量1的位移量转换成电压信号，计算模块8用于根据传感器7输出的电压信号计算需要施加到两个运动极板上的电压，静电执行机9用于产生作用于两个运动极板的反馈电压，使检验质量1回复到平衡位置。
上述电容挠性加速度计的工作原理如下：检验质量1感受到外界加速度变化后发生位移，引起一对差分电容器的容值发生改变，传感器7将检验质量1的位移量转换成电压信号，计算模块8根据该电压信号计算需要施加到两个运动极板上的电压，静电执行机9根据计算模块8的计算结果，产生方向相反的两个电压分别作用于两个运动极板，将其中任意一个电压Vf作为加速度计的输出，这两个电压与施加在两个固定极板5上的偏置电压Vb形成的电势差将产生作用于检验质量1的静电力，正好平衡检验质量1感受到的外界加速度，使检验质量1回复到平衡位置，构成一个闭环反馈系统。因此，在该加速度计中，静电执行机9输出的电压大小与检验质量1感受到的外界加速度始终成正比，静电执行机9输出的电压大小实际反映了待测加速度的大小。
在该挠性加速度计中，标度因子其中，C0为检验质量1在平衡位置时一对差分电容器的容值，m为检验质量1的质量，d0为检验质量1在平衡位置时两个固定极板5和与其对应的运动极板的间距。
因此，可以通过调节偏置电压Vb来调节加速度计的标度因子KI，而Vb＝Vb0+Vtb，由于Vb0为恒定值，可根据需要实时调节Vtb的大小和方向来实现标度因子的调节。为保证该加速度计能正常工作，调整电压Vtb的绝对值不能超过初始偏置电压Vb0的大小，因此，该加速度计的标度因子能在仅有初始偏置电压时的0到2倍范围内任意调节。
加速度计标度因子调节的典型应用领域为采用多个加速度计的重力梯度测量，通过对成对加速度计的输出进行差分实现对重力梯度的探测，测量中要求成对加速度计的标度因子保持极高的一致性，因此必须对加速度计的标度因子进行实时匹配调节，以保证成对或多对加速度计的标度因子高度一致。
成对加速度计的标度因子调节的目标通常是将成对加速度计的标度因子调节成一致。调节时，首先将成对加速度计的标度因子的不一致信息(即反映成对加速度计标度因子不一致程度的量)提取出来，然后通过反馈调节其中一个或者同时调节多个加速度计的偏置电压，直到多个加速度计的标度因子一致性达到要求为止。
下面结合图2和图3，详细说明含有一对和两对本发明的标度因子可调节的电容挠性加速度计的重力梯度仪中，标度因子一致性匹配调节的方式。
如图2所示，重力梯度仪中含有一对加速度计。将第一加速度计和第二加速度计的静电执行机产生的作用于两加速度计同侧运动极板的反馈电压Vf1和Vf2分别作为第一加速度计和第二加速度计的输出，由此得到两加速度计的标度因子的不一致信息(残差信号)E12＝Vf1+Vf2，解调器14通过参考信号对该残差信号进行解调，得到残差信号的幅值，计算控制模块15根据该幅值，产生匹配调整电压Va。具体分为两种方式完成标度因子的一致性匹配。
方式一如图2(a)所示，保持第一加速度计的偏置电压为初始偏置电压Vb0不变，将匹配调整电压Va作为第二加速度计的调整电压输入，使第二加速度计的偏置电压变为Vb0+Va。，从而改变第二加速度计的标度因子，使其与第一加速度计的标度因子保持一致。
方式二如图2(b)所示，由匹配调整电压Va得到第一加速度计的调整电压0.5Va，以及第二加速度计的调整电压-0.5Va，使第一加速度计的偏置电压变为Vb0+0.5Va，使第二加速度计的偏置电压变为Vb0-0.5Va，从而同时改变第一加速度计和第二加速度计的标度因子，使其保持一致。这种调整方式较方式一略复杂，但两个加速度计是等价的。
如图3所示，重力梯度仪中含有两对加速度计。将第一、第二、第三和第四加速度计的静电执行机产生的作用于各加速度计同侧运动极板的反馈电压Vf1、Vf2、Vf3和Vf4分别作为第一、第二、第三和第四加速度计的输出。其中，第一加速度计和第二加速度计的标度因子保持一致，第三加速度计和第四加速度计的标度因子保持一致。四个加速度计的标度因子的不一致信息(残差信号)E1234＝Vf1+Vf2+Vf3+Vf4，信号处理单元通过对应的参考信号对该残差信号进行解调，得到残差信号的幅值，并根据该幅值产生匹配调整电压Va1234。具体分为两种方式完成标度因子的一致性匹配。
方式一如图3(a)所示，第一加速度计的标度因子保持不变，信号处理单元产生的匹配调整电压Va12作为第二加速度计的调整电压输入，从而改变第二加速度计的标度因子，使其与第一加速度计的标度因子保持一致。信号处理单元产生的匹配调整电压Va34作为第三加速度计的调整电压输入，从而改变第三加速度计的标度因子，使其与第四加速度计的标度因子保持一致。信号处理单元产生的匹配调整电压Va1234作为第四加速度计的调整电压输入，从而改变第四加速度计的标度因子，使其与第一加速度计的标度因子保持一致。最终使第二、第三和第四加速度计的标度因子都与第一加速度计的标度因子保持一致。这种调整方式较简单，始终保持一个加速度计的偏置电压不变，只需调整其它三个加速度计的偏置电压即可实现四个加速度计的标度因子的一致性匹配。
方式二如图3(b)所示，由信号处理单元产生的匹配调整电压Va12得到第一加速度计的调整电压0.5Va12，以及第二加速度计的调整电压-0.5Va12，从而同时改变第一加速度计和第二加速度计的标度因子，使其保持一致。由信号处理单元产生的匹配调整电压Va34得到第三加速度计的调整电压0.5Va34，以及第四加速度计的调整电压-0.5Va34，从而同时改变第三加速度计和第四加速度计的标度因子，使其保持一致。在加速度计标度因子两两一致匹配的基础上，由信号处理单元产生的匹配调整电压Va1234得到第一和第二加速度计的调整电压0.25Va1234，以及第三和第四加速度计的调整电压-0.25Va1234，使四个加速度计的标度因子保持一致。这种调整方式较复杂，但四个加速度计是等价的。
在加速度计两两匹配回路中，用来解调标度因子不一致信息的正弦信号需要具有极高的精度。为了能够减小匹配回路间的相互影响，加速度计两两匹配回路首先进行工作，并且两两匹配的调整速率要快于四路匹配的调整速率。
由此可知，本发明的电容挠性加速度计可广泛用于旋转加速度计重力梯度仪中，采用静电反馈调节加速度计的标度因子，完全避免采用复杂的磁反馈结构，对磁场均匀性及稳定性没有要求，实际操作更为简单易行。通过对电容挠性加速度计的标度因子的一致性匹配调节，能够有效抑制旋转加速度计重力梯度仪中，沿转台平面的平动加速度噪声和沿转台转轴的角加速度噪声。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种电容挠性加速度计，其特征在于，包括检验质量(1)，一对差分电容器，传感器(7)，计算模块(8)，以及静电执行机(9)；
所述检验质量(1)通过挠性结构(2)连接固定的框架(3)，所述一对差分电容器包括两个运动极板和两个固定极板，其中，两个运动极板由所述检验质量(1)两侧面上的金属镀层(4)构成，两个固定极板(5)对称设置在所述检验质量(1)的两侧，且分别与两个运动极板正对；
两个运动极板连接所述传感器(7)的输入端，所述传感器(7)的输出端连接所述计算模块(8)的输入端，所述计算模块(8)的输出端连接所述静电执行机(9)的输入端，所述静电执行机(9)的输出端连接两个运动极板；
所述传感器(7)用于将所述检验质量(1)的位移量转换成电压信号，所述计算模块(8)用于根据所述传感器(7)输出的电压信号计算需要施加到两个运动极板上的电压，所述静电执行机(9)用于产生作用于两个运动极板的反馈电压，使所述检验质量(1)回复到平衡位置。
2.如权利要求1所述的电容挠性加速度计，其特征在于，工作时，两个固定极板(5)的电压由高频电压信号和直流电压信号Vb叠加而成，Vb＝Vb0+Vtb，其中，初始偏置电压Vb0为恒定值，Vtb为调整电压。
3.如权利要求2所述的电容挠性加速度计，其特征在于，标度因子其中，C0为所述检验质量(1)在平衡位置时所述一对差分电容器的容值，m为所述检验质量(1)的质量，d0为所述检验质量(1)在平衡位置时两个固定极板(5)和与其对应的运动极板的间距。
4.如权利要求2或3所述的电容挠性加速度计，其特征在于，|Vtb|≤|Vb0|。
5.含有如权利要求1至4中任一项所述的电容挠性加速度计的旋转加速度计重力梯度仪。
6.一种旋转加速度计重力梯度仪中加速度计标度因子的一致性调节方法，所述旋转加速度计重力梯度仪含有一对如权利要求1至4中任一项所述的电容挠性加速度计，其特征在于，根据所述一对电容挠性加速度计的静电执行机产生的作用于各电容挠性加速度计同侧运动极板的反馈电压Vf1和Vf2，得到所述一对电容挠性加速度计的标度因子的残差信号E12＝Vf1+Vf2；通过参考信号对残差信号进行解调，得到残差信号幅值；根据残差信号幅值产生匹配调整电压Va；将Va作为其中一个电容挠性加速度计的调整电压输入，或者将0.5Va和-0.5Va分别所述一对电容挠性加速度计的调整电压输入，使所述一对电容挠性加速度计的标度因子保持一致。
7.一种旋转加速度计重力梯度仪中加速度计标度因子的一致性调节方法，所述旋转加速度计重力梯度仪含有两对如权利要求1至4中任一项所述的电容挠性加速度计，分别为第一、第二、第三和第四加速度计，其特征在于，使所述第一和第二加速度计的标度因子保持一致；使所述第三和第四加速度计的标度因子保持一致；根据所述第一、第二、第三和第四加速度计的静电执行机产生的作用于各加速度计同侧运动极板的反馈电压Vf1、Vf2、Vf3和Vf4，得到四个加速度计的标度因子的残差信号E1234＝Vf1+Vf2+Vf3+Vf4；通过参考信号对残差信号进行解调，得到残差信号幅值；根据残差信号幅值产生匹配调整电压Va1234；将匹配调整电压作为其中一个加速度计的调整电压输入，或者将0.25Va1234作为所述第一和第二加速度计的调整电压输入，同时将-0.25Va1234作为所述第三和第四加速度计的调整电压输入，使两对加速度计的标度因子保持一致。
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