CN107505479B - 一种静电加速度计 - Google Patents

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    • G01P15/131—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by measuring the force required to restore a proofmass subjected to inertial forces to a null position with electrostatic counterbalancing means

Abstract

本发明提供了一种高精度静电加速度计，包括：弹簧振子单元、电容定极板、支架、腔体、电连接器、驱动电路、电容位移检测电路、反馈控制电路、静电反馈执行机电路、水平调节基座；弹簧振子单元包括：簧片、检验质量与底座；簧片安装在底座两侧，以刚度对称的方式支撑检验质量；检验质量同时作为电容动极板，与电容定极板组成差分电容。驱动电路、电容位移检测电路、反馈控制电路以及静电反馈执行机电路完成差分电容的检测与加速度计的反馈控制，最终将检验质量拉回平衡位置；水平调节基座用于调节腔体的水平。这种簧片以刚度对称分布的设计使加速度计稳定性高，噪声小，精度高，结构简单，在高精度测量需求的任务中具有广泛应用。

Description

一种静电加速度计
技术领域
本发明涉及惯性传感、微震测量、资源探测、地球物理领域，更具体地，涉及上述领域中广泛使用的高精度静电加速度计。
背景技术
加速度计是一种测量加速度的仪器，在惯性传感、微震测量、资源探测、地球物理等领域具有十分重要的意义。目前高精度加速度计按反馈方式大体可以分为两类：一类是电磁反馈加速度计，一类是静电反馈加速度计。按加工方式大体可以分为三类：一类是基于高精度机械加工装配的加速度计，一类是石英加速度计，一类是MEMS加速度计。
高精度电磁反馈加速度计的代表为Streckeisen公司的STS2.5，采用高精度机械加工装配而成。它的精度非常高，噪声分辨率达到0.01ng/√Hz，但是整个仪器太大，总重量达到12kg，总体积达到11.3L，并且它的价格昂贵，达到几十万人民币。基于石英的电磁反馈加速度计受到工艺影响，检验质量不能做得很大，已公开的加速度计中噪声均高于1ng/√Hz。而基于MEMS的电磁加速度计代表有英国帝国理工大学Pike等人研发的加速度计，它体积小，噪声分辨率达到0.4ng/√Hz，但是研发成本高，工艺复杂。
高精度静电反馈加速度计的代表为欧洲航天局研制的用于空间重力梯度测量的GOCE加速度计，由于在太空中使用，该加速度计没有重力加速度的干扰，采用的是静电悬浮的方式，拥有6自由度的输出，配合高精度机械加工装配方式独有的大检验质量，噪声分辨率达到0.2pg/√Hz，量程只有几个ug，但是整个仪器不适用于陆基环境。其余基于MEMS的与石英的静电加速度计受到工艺影响，检验质量不能做得很大，已公开的加速度计中噪声均高于1ng/√Hz。
加速度计工作中，检验质量受到加速度带来的惯性力，与反馈执行机产生的反馈力达到平衡，检验质量处于平衡位置；当加速度计所处环境的加速度发生变化时，反馈执行机产生的反馈力会随之变化使反馈力与惯性力达到新的平衡，使检验质量保持在平衡位置。这一力平衡关系可用如下表达式描述：
m为检验质量，a为外界加速度，ε为差分电容极板间的气体的介电常数，A差分电容极板正对面积，d0为平衡位置时的差分电容极板间距，Vb为静电反馈执行机中的静电偏置电压，Vf为反馈电压。从而加速度计标度因子可以表示为：
Ha为静电反馈执行机传递函数。而弹簧振子单元的机械热噪声可以描述为：
kB为波尔兹曼常数，T为温度，为弹簧振子单元的本征频率，k为簧片的刚度，Q为弹簧振子单元的品质因数。为了使加速度计分辨率更高，弹簧振子单元机械热噪声应该更低。所以，弹簧振子单元的簧片需要尽量软，检验质量与品质因数需要尽可能大。但是质量大、簧片软，会导致簧片支撑力度不够，需要对簧片进行特殊的设计来满足支撑大检验质量的需求。
发明内容
针对现有高精度加速度计的不足，本发明提供了一种高精度静电加速度计；该加速度计中，弹簧振子单元中的簧片以刚度对称的方式支撑检验质量，能够实现低机械热噪声、高交叉抑制比。并以差分电容检测、静电反馈的方式，最终实现高精度、高稳定性的加速度测量，同时使加速度计的体积和质量都得到有效地减小。
为实现上述目的，本发明提供了一种静电加速度计，包括：弹簧振子单元、电容定极板、支架、腔体、电连接器、驱动电路、电容位移检测电路、反馈控制电路、静电反馈执行机电路、水平调节基座；所述弹簧振子单元包括：簧片、检验质量与底座；所述簧片安装在所述底座两侧，并且所述簧片以两侧刚度对称的方式支撑所述检验质量；所述弹簧振子单元中的底座固联在支架上，并置于所述腔体的内部，所述支架与所述腔体固联；所述检验质量采用金属或金属镀膜方式形成平面导体以作为电容动极板，所述电容定极板为一对，分别安装在所述检验质量两侧由支架定位固定，与所述电容动极板组成差分电容。所述驱动电路产生用于电容位移检测的载波驱动电压与用于静电反馈的静电偏置电压；所述电容位移检测电路由所述电连接器与所述电容定极板相连，用于检测所述差分电容的电容信号；所述反馈控制电路接收所述电容位移检测电路信号，在加速度计闭环工作模式下产生反馈控制电压，并通过所述静电反馈执行机电路将所述反馈控制电压转为差分静电反馈电压，最终通过所述电连接器施加在所述电容定极板上；所述差分静电反馈电压与所述静电偏置电压通过差分电容极板产生静电力，将所述检验质量拉回平衡位置，此时反馈加速度等于输入加速度，并以反馈加速度成比例关系的反馈电压作为加速度计输出，该比例关系比值即为标度因子；所述水平调节基座设置在所述腔体底部，用于调节腔体的水平。
更进一步地，簧片有多个，分别以刚度对称方式设置在所述检验质量两侧，使所述检验质量在外界加速度下以平动的方式产生位移。簧片以多个簧片方式组成刚度对称的分布，共同支撑所述检验质量，所述支撑结构为龙门结构。通过选择合适的簧片形状、参数与间距，其结构保证所述检验质量在大质量情况下也能正常工作，并使所述弹簧振子单元本征频率有效地减小，从而使所述弹簧振子单元机械热噪声更低，并且对于运动的非主模态拥有高的交叉抑制比。
更进一步地，静电反馈执行机电路用于提供噪声低于的反馈加速度。并且所述差分电容结构简单、受温度的影响更小。
更进一步地，所述高精度静电加速度计还包括：可调节所述静电偏置电压的标度因子调节电路，其置于驱动电路内部，通过调节静电偏置电压可以实现加速度计标度因子调节。
更进一步地，所述高精度静电加速度计还包括：真空接口和真空模块，所述真空接口设置在所述腔体表面，用于连接所述腔体与所述腔体外部的真空设备，所述真空模块设置在所述腔体内部，探测并维持腔内真空状态。
更进一步地，所述高精度静电加速度计还包括：温度测试模块，设置于所述腔体内部，用于测试所述腔体内部温度的变化，用于补偿加速度计输出随温度的漂移。
本发明还提供了一种三轴微震仪，所述三轴微震仪由三个所述静电加速度计组成。三个弹簧振子单元分别为北、东、上朝向，各个弹簧振子单元朝向相互之间相差90度；每个弹簧振子单元包括：簧片、检验质量与底座，且所述簧片关于所述检验质量以刚度对称方式设置；北、东朝向弹簧振子单元与所述高精度静电加速度计弹簧振子单元相似，上朝向弹簧振子单元利用所述簧片弯曲带来的弹力补偿重力，用所述簧片对称刚度支撑带来的平动效果配合所述电容定极板与电路完成z轴方向加速度检测。
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，具有以下有益效果：
(1)弹簧振子单元在外界加速度作用下产生平动效果，消除了单簧片支撑情况下的检验质量的转摆影响，降低了位移检测的非线性；
(2)弹簧振子单元由多个簧片方式组成刚度对称的分布，共同支撑检验质量，通过选择合适的簧片形状、参数和间距，检验质量可以达到26g及以上，本征频率可以达到8Hz及以下，机械热噪声可以达到及以下，在相同的位移检测精度的基础上，可以实现更高精度的加速度检测；
(3)弹簧振子单元中簧片对称刚度支撑的设计，通过选择合适的簧片形状、参数和间距，使第二运动模态与第一运动模态频率比可以达到37及以上；交叉抑制比，也就是频率比的平方可以达到1369及以上，表征第二运动模态的刚度与第一模态的刚度的比值在1369及以上；
(4)静电反馈执行机能提供1Hz处噪声及以下的反馈加速度，并且拥有较电磁反馈执行机更低的温度系数，所以对应加速度计的标度因子对温度的变化响应更小。
附图说明
图1是本发明实施例提供的高精度加速度计的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的多种弹簧振子单元结构示意图；其中，(a)为弹簧振子单元结构简单示意图，(b)为四细直簧片支撑的弹簧振子单元示意图，(c)为两细直簧片与一粗直簧片支撑的弹簧振子单元示意图，(d)为两粗直簧片支撑的弹簧振子单元示意图，(e)为四弧形簧片支撑的弹簧振子单元示意图；
图3是本发明实施例提供的弹簧振子单元平动效果示意图；
图4是本发明实施例提供的高精度加速度计噪声功率谱密度；
图5是三轴微震仪弹簧振子单元示意图。
在所有附图中，x轴表示水平敏感轴方向，y轴表示水平摆轴方向，z轴表示垂直水平面方向，N轴表示朝北方向，E轴表示朝东方向，Z轴表示垂直水平面朝上方向，g表示重力加速度，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为弹簧振子单元，2为电容定极板，3为支架，4为腔体，5为电连接器，6为驱动电路，7为电容位移检测电路，8为反馈控制电路，9为静电反馈执行机电路，10为水平调节基座，11为检验质量，12为簧片，13为底座，14为温度测试模块，15为真空模块，16为真空接口，17、18为结构相同的第一弹簧振子单元，19为第二弹簧振子单元，20为第二支架。
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。
本发明公开了一种高精度静电加速度计；包括：基于刚度对称簧片设计的弹簧振子单元1、电容定极板2、支架3、腔体4、电连接器5、驱动电路6，电容位移检测电路7、反馈控制电路8，静电反馈执行机电路9，水平调节基座10。
弹簧振子单元1、电容定极板2、支架3设置在腔体的内部，弹簧振子单元1包括：簧片12、检验质量11与底座13；簧片12安装在底座13两侧，并且簧片12以两侧刚度对称的方式支撑检验质量11。
弹簧振子单元1的底座13固联在支架3上，并置于腔体4的内部，支架3与腔体4固联。
检验质量11采用金属或金属镀膜方式形成平面导体以作为电容动极板，电容定极板2为一对，分别安装在所述检验质量11两侧由支架3定位固定，与电容动极板组成差分电容。
驱动电路6产生用于电容位移检测的载波驱动电压与用于静电反馈的静电偏置电压，通过电连接器5施加在作为电容动极板的检验质量11上；
电容位移检测电路7工作基于调制解调原理，由电连接器5与电容定极板2相连，通过载波驱动电压将差分电容的电容信号调制在高频并通过信号调理解调得到低频电压信号。
反馈控制电路8接收电容位移检测电路7信号，使用PID、PI、PD等控制方式，在加速度计闭环工作模式下产生反馈控制电压。
静电反馈执行机电路9将反馈控制电压转为差分静电反馈电压，最终通过电连接器5施加在两个电容定极板2上；差分静电反馈电压与静电偏置电压通过差分电容极板产生静电力，将检验质量11拉回平衡位置，此时反馈加速度等于输入加速度，并以反馈加速度成比例关系的反馈电压作为加速度计输出，该比例关系比值即为标度因子。
水平调节基座10设置在腔体4底部，用于调节腔体4的水平。
在本发明实施例中，弹簧振子单元1中检验质量11由多个簧片12以刚度对称的方式支撑。对弹簧振子单元1进行重力作用下的受力分析，可发现由于刚度对称分布的簧片12对检验质量11的约束，使得检验质量11在外界加速度作用下以平动的方式运动，消除了单簧片情况下转摆带来的非线性。
在本发明实施例中，以弹簧振子单元1进行重力作用下的受力分析为依据，通过仿真与计算优化簧片12形状和各项参数如长度、宽度、厚度以及簧片12之间的间距等可以有效地增大所能支撑的检验质量11大小，进而使弹簧振子单元1的本征频率降低，使得弹簧振子单元1对于加速度的变化更加敏感。检验质量11可以增大到26g及以上，本征频率可以有效地降低到8Hz及以下。
在本发明实施例中，以弹簧振子单元1进行重力作用下的模态分析分析为依据，优化簧片12各项参数，能提高弹簧振子单元1的交叉抑制比到1000及以上。
在本发明实施例中，为了减小加速度计外界的温度变化对加速度计输出的影响，高精度加速度计还包括：温度测试单元14，它固定在支架3上并紧邻弹簧振子单元1以测试弹簧振子单元1的温度变化。通过对弹簧振子单元1温度系数的标定，可以用温度测试单元14的输出来补偿外界温度的变化。
在本发明实施例中，为了减小腔体4内气体对弹簧振子单元1的影响，高精度加速度计还包括：真空接口16和真空模块15，真空接口16在腔体4表面，连接腔体4与外界真空设备。通过真空模块15维持腔体真空环境，真空度维持在1Pa以下，弹簧振子单元1的品质因数Q可以达到300及以上。真空环境不仅减小了气体对弹簧振子单元1的影响，同时起到被动隔热作用，有利于腔体4内部温度的稳定。
在本发明实施例中，将整个加速度计安置在水平调节基座上，可以实现水平的调节。
在本发明实施例中，可以通过两个相同上述高精度加速度计的第一弹簧振子单元17、18和一个用簧片补偿重力的第二弹簧振子单元19以三轴笛卡儿坐标系固联在第二支架20上，并通过与高精度静电加速度计相同的检测方式构成三轴微震仪。
为了跟进一步的说明本发明实施例提供的高精度加速度计，现结合附图以及具体实例详述如下：
本发明第一实施例提供了一种单轴高精度静电加速度计的结构如图1所示；单轴高精度静电加速度计包括：弹簧振子单元1，电容定极板2，支架3，腔体4，电连接器5，驱动电路6，电容位移检测电路7，反馈控制电路8，静电反馈执行机电路9，水平调节基座10，温度测试模块14、真空模块15，真空接口16。x轴表示加速度计水平敏感轴方向，y轴表示加速度计水平摆轴方向，z轴表示垂直水平面方向。
弹簧振子单元1结构如图2所示，包括：簧片12、检验质量11与底座13；以底座13中心面建立平面A如图2(a)所示，簧片12以刚度左右对称(相等)方式安装在底座13两侧，共同支撑检验质量11；根据对弹簧振子单元1的性能需求的不同，如：所支撑检验质量11大小、不同模态交叉抑制比、本征频率、机械热噪声等，通过相关力学分析与模态分析选择合适的簧片12形状、长度、宽度、厚度以及簧片12之间的间距等参数来获得满足要求的设计。图2中给出了几种弹簧振子单元1，簧片12的以刚度左右对称支撑的方式，图2(b)，2(c)，2(d)，2(e)分别给出四细直簧片12支撑、两细直簧片12一粗直簧片12支撑、两粗直簧片12支撑以及四弧形簧片12支撑的设计，需要指出，此处所描述的几种簧片12支撑方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
检验质量11采用金属或者玻璃、陶瓷、PCB板等绝缘体以金属镀膜的方式形成平面导体以作为电容动极板。同理，电容定极板2采用与检验质量11相同材料加工制得，电容定极板2为一对，分别安装在检验质量11两侧由支架3定位固定，与电容动极板组成差分电容。弹簧振子单元1中的底座13固联在支架3上，并与电容定极板2同时置于腔体4的内部，支架3与腔体4固联。
驱动电路6产生用于电容位移检测的载波驱动电压与用于静电反馈的静电偏置电压，通过电连接器5施加在作为电容动极板的检验质量11上。
电容位移检测电路7工作基于调制解调原理，由电连接器5与电容定极板2相连，通过载波驱动电压将差分电容的电容信号调制在高频并通过信号调理解调得到低频电压信号。
反馈控制电路8接收电容位移检测电路7信号，使用PID、PI、PD等控制方式，在加速度计闭环工作模式下产生反馈控制电压。
静电反馈执行机电路9将反馈控制电压转为差分静电反馈电压，最终通过电连接器5施加在电容定极板2上；差分静电反馈电压与静电偏置电压通过差分电容极板产生静电力，将检验质量11拉回平衡位置，此时反馈加速度等于输入加速度，并以反馈加速度成比例关系的反馈电压作为加速度计输出，该比例关系比值即为标度因子。
水平调节基座10设置在腔体4底部，用于调节腔体4的水平。
通过对第一实施例进行实现，完成了高精度加速度计样机。弹簧振子单元1选取图2(b)的设计，经系统测试，得到弹簧振子单元1中检验质量11的大小为26.5g，本征频率7.35Hz，其平动的运动方式如图3所示。将弹簧振子单元1接入电路并实现闭环反馈，对高精度加速度计进行标定，得到加速度计标度因子9825±13V/g，非线性0.1％。对高精度加速度计进行噪声测试，得到加速度计噪声功率谱如图4所示，1Hz处噪声约为
本发明第二实施例提供的一种三轴微震仪敏感结构如图5所示。与第一实施例高精度加速度计相同的两个第一弹簧振子单元17、18和第二弹簧振子单元19安装在第二支架20的表面。第二支架20是一个由热膨胀系数很小的微晶玻璃制成的L型支架。三个弹簧振子单元17、18、19敏感轴方向互相垂直，分别为北(N)、东(E)、上(Z)朝向。第二弹簧振子单元19结构与第一弹簧振子单元17、18结构类似，利用第一弹簧振子单元17、18的平动这一特性，在第二弹簧振子单元19的设计中，利用簧片12形变带来的弹力补偿重力的影响，平动特性使检验质量11始终保持与水平面平行，从而可以使用相同的差分电容检测方式对垂向加速度计进行检测。
在第一实施例的基础上，将其中的弹簧振子单元1、支架3、腔体4、水平调节基座10换位为第一弹簧振子单元17、18、第二弹簧振子单元19、第二支架20、第二腔体、第二水平调节基座。电容定极板2、电连接器5、驱动电路6、电容位移检测电路7、反馈控制电路8、静电反馈执行机电路9相应地增加，可以制成一个三轴微震仪。
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 (8)

1.一种静电加速度计，其特征在于，包括：弹簧振子单元、电容定极板、支架、腔体、电连接器、驱动电路、电容位移检测电路、反馈控制电路、静电反馈执行机电路和水平调节基座；
所述弹簧振子单元包括：簧片、检验质量与底座；所述簧片安装在所述底座两侧，且所述簧片以两侧刚度对称的方式支撑所述检验质量，使所述检验质量在外界加速度下以平动的方式产生位移；所述底座固联在所述支架上，置于所述腔体的内部；所述支架与所述腔体固联；
所述检验质量作为电容动极板，所述电容定极板为一对，分别安装在所述检验质量两侧由支架定位固定，与所述电容动极板组成差分电容；
所述驱动电路产生用于电容位移检测的载波驱动电压与用于静电反馈的静电偏置电压；
所述电容位移检测电路由所述电连接器与所述电容定极板相连，用于检测所述差分电容的电容信号；
所述反馈控制电路接收所述电容位移检测电路信号，在加速度计闭环工作模式下产生反馈控制电压，并通过所述静电反馈执行机电路将所述反馈控制电压转为差分静电反馈电压，最终通过所述电连接器施加在所述电容定极板上；
所述差分静电反馈电压与所述静电偏置电压通过差分电容产生静电力，将所述检验质量拉回平衡位置，此时反馈加速度等于输入加速度，并以反馈加速度成比例关系的反馈电压作为加速度计输出，该比例关系比值即为标度因子；
所述水平调节基座设置在所述腔体底部，用于调节腔体的水平。
2.如权利要求1所述的静电加速度计，其特征在于，所述检验质量采用金属或金属镀膜方式形成平面导体以作为电容动极板。
3.如权利要求1所述的静电加速度计，其特征在于，所述簧片有多个，分别以刚度对称方式设置在所述检验质量两侧。
4.如权利要求1-3任一项所述的静电加速度计，其特征在于，所述静电加速度计还包括：标度因子调节电路，置于驱动电路内部，用于调节所述静电偏置电压，通过调节静电偏置电压实现加速度计标度因子调节。
5.如权利要求1-3任一项所述的静电加速度计，其特征在于，所述静电加速度计还包括：真空接口和真空模块，所述真空接口设置在所述腔体表面，用于连接所述腔体与所述腔体外部的真空设备，所述真空模块设置在所述腔体内部，探测并维持腔内真空状态。
6.如权利要求1-3任一项所述的静电加速度计，其特征在于，所述静电加速度计还包括：温度测试模块，设置于所述腔体内部，用于测试所述腔体内部温度的变化，用于补偿加速度计输出随温度的漂移。
7.如权利要求1-3任一项所述的静电加速度计，其特征在于，所述静电加速度计还包括：信号接口，设置于所述腔体的表面，用于将所述差分电容的电容信号传导至所述位移检测电路。
8.一种三轴微震仪，其特征在于，包括：三个静电加速度计；每个静电加速度计为权利要求1所述的静电加速度计，三个弹簧振子单元分别为北、东、上朝向，各个弹簧振子单元朝向相互之间相差90度；每个弹簧振子单元包括：簧片、检验质量与底座，且所述簧片关于所述检验质量以刚度对称方式设置；北、东朝向弹簧振子单元与所述静电加速度计弹簧振子单元相同，上朝向弹簧振子单元利用所述簧片弯曲带来的弹力补偿重力，用所述簧片对称刚度支撑带来的平动效果配合所述电容定极板与电路完成z轴方向加速度检测。
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