CN108363430A - 一种高精度石英加速度计的温控装置及其温控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高精度石英加速度计的温控装置及其温控方法，包括石英加速度计、本体、加热片、隔热罩、垫块和温度传感器；本体采用实心立方体结构，本体上分别安装三个相互正交的石英加速度计；每个石英加速度计表壳上均粘接一个用于升温的加热片，每个石英加速度计表壳上均粘接一个温度传感器，每个石英加速度计内部均粘接一个温度传感器；隔热罩套装在石英加速度计、本体和加热片上，用于隔绝外部环境热交换；本体固定连接在惯性测量装置上，并通过垫块隔绝外部环境热交换。本发明通过采用壳级温控与芯级温补的技术方案，解决了加表温度升高快速性和大电流对加表精度影响的矛盾，弥补了传统温控和温补方法的缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及一种高精度石英加速度计的温控装置及其温控方法，尤其适用于航天导航与制导，属于惯性测量技术领域。
背景技术
石英摆式加速度计(以下简称加速度计)具有精度高、成本低、体积小等诸多优点，作为惯性测量和导航系统最重要的器件之一，其测量精度高低直接影响惯性导航系统的精度。环境温度、振动、磁场和气压等因素都会对加速度计精度产生影响,其中环境温度的影响尤为重要。因此，在进行惯导系统设计时需要考虑环境温度的影响。
目前，国内改善温度对加速度计影响的措施主要是温度补偿和温度控制，通过软件的方法补偿加速度计输出对温度的相关性；或者将加速度计的温度控制在一定范围，不管外部环境温度如何改变，都要维持加速度计工作在特定的温度内。
现有技术中，针对高精度石英摆式加速度计的温控和温补方法存在如下问题：
第一、加速度计的温度场特征设计不够合理，导致加速度计输出精度偏低，而且启动后达到性能稳定耗时较长。
第二、加速度计内部温度波动范围过大，易出现加速度计输出随温度及温度梯度波动，无法通过温度控制提高精度。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种高精度石英加速度计的温控装置及其温控方法，通过采用壳级温控与芯级温补的技术方案，解决了加表温度升高快速性和大电流对加表精度影响的矛盾，弥补了传统温控和温补方法的缺陷。
本发明的技术解决方案是：
一种高精度石英加速度计的温控装置，包括石英加速度计、本体、加热片、隔热罩、垫块和温度传感器；本体采用实心立方体结构，本体上分别安装三个相互正交的石英加速度计；每个石英加速度计表壳上均粘接一个用于升温的加热片，每个石英加速度计表壳上均粘接一个温度传感器，每个石英加速度计内部均粘接一个温度传感器；隔热罩套装在石英加速度计、本体和加热片上，用于隔绝外部环境热交换；本体固定连接在惯性测量装置上，并通过垫块隔绝外部环境热交换。
在上述的一种高精度石英加速度计的温控装置中，所述石英加速度计内部扼铁位置通过导热硅橡胶粘接温度传感器；石英加速度计内部额外设有两个绝缘端子，两个绝缘端子分别置于温度传感器两端；石英加速度计的温度系数小于1×10-5g/℃。
在上述的一种高精度石英加速度计的温控装置中，所述本体的材料采用硬铝，本体上分别设有三个凸台，三个凸台上均设有用于安装石英加速度计的凹孔；本体与惯性测量装置固连的安装面平面度优于0.02mm，粗糙度Ra优于3.2μm，并进行阳极氧化绝缘处理。
在上述的一种高精度石英加速度计的温控装置中，所述加热片采用薄膜型电加热器，加热片单面设有用于防止粘接起翘的不干胶。
在上述的一种高精度石英加速度计的温控装置中，所述隔热罩采用环氧酚醛层压玻璃布板，隔热罩上设有用于穿设导线的通孔，并通过硅橡胶密封。
在上述的一种高精度石英加速度计的温控装置中，所述垫块采用T型结构，垫块的数量不少于八个，每两个垫块为一组，分别穿设在本体和惯性测量装置上；垫块的材料采用陶瓷。
在上述的一种高精度石英加速度计的温控装置中，所述温度传感器采用PT1000型铂电阻温度传感器。
一种基于所述温控装置的温控方法，包括如下步骤：
S1，组装高精度石英加速度计的温控装置；
S2，根据环境温度以及预设的石英加速度计表芯稳态温度和期望的调整时限，设置门限温度，并对石英加速度计表壳进行独立加温；
S3，利用安装在石英加速度计内部的温度传感器监测石英加速度计表芯实际温度；
若石英加速度计表芯实际温度与预设的石英加速度计表芯稳态温度的差值小于-0.2℃，则返回S2；
若石英加速度计表芯实际温度与预设的石英加速度计表芯稳态温度的差值处于-0.2℃～+0.2℃，则停止加热；
若石英加速度计表芯实际温度与预设的石英加速度计表芯稳态温度的差值大于+0.2℃，则采用温度补偿的方法进行温度控制。
在上述的一种基于所述温控装置的温控方法中，所述S1中；加热片的粘贴步骤如下：
第一步，检查加热片外观，确保加热片无破损或折痕；
第二步，清除石英加速度计表壳的多余物；
第三步，将加热片粘贴在石英加速度计表壳上；
第四步，在加热片边缘涂覆硅橡胶GD414，常温放置24小时以上。
在上述的一种基于所述温控装置的温控方法中，所述S2～S3中；石英加速度计表壳温度控制采用分段比例控制逻辑：
当石英加速度计表芯实际温度小于门限温度时，加热片配套电路按照全功率输出；
当石英加速度计表芯实际温度不小于门限温度时，加热片配套电路按照逐级递减的比例系数输出；
所述温度补偿的方法如下：
利用最小二乘法分别拟合石英加速度计的零位和标度因数与温度的关系模型，根据石英加速度计表芯实际温度对石英加速度计零位和标度因数进行实时补偿。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
【1】本发明通过将加热片直接施加在石英加速度计表壳上进行温度控制，实现了快速加热的目的；显著提升了石英加速度计内部温度场的稳定时间；大幅缩短了石英加速度计的启动时间。
【2】本发明通过加热石英加速度计表壳，实现了间接控制石英加速度计表芯温度的目的；同时巧妙设计了分段比例控制逻辑，避免了大电流冲击对石英加速度计输出精度的影响。
【3】本发明对石英加速度计表芯进行温度补偿处理，有效确保了石英加速度计表芯实际温度高于石英加速度计表芯稳态温度时的输出精度，进而保证了石英加速度计在全部温度范围内的精度。
【4】本发明逻辑通顺、思路清晰、设计合理，易于工程实现；温控过程安全稳定，既减轻了工作人员的操作负担，又大幅降低了操作成本，市场应用前景非常广阔。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的示意图
图2为加速度计结构图
图3为加速度计示意图
图4为本发明的流程图
其中：1石英加速度计；2本体；3加热片；4隔热罩；5垫块；6温度传感器；
具体实施方式
为使本发明的方案更加明了，下面结合附图说明和具体实施例对本发明作进一步描述：
如图1所示，一种高精度石英加速度计的温控装置，包括石英加速度计1、本体2、加热片3、隔热罩4、垫块5和温度传感器6；本体2采用实心立方体结构，本体2上分别安装三个相互正交的石英加速度计1；每个石英加速度计1表壳上均粘接一个用于升温的加热片3，每个加热片3上均粘接一个温度传感器6，每个石英加速度计1内部均粘接一个温度传感器6；隔热罩4套装在石英加速度计1、本体2和加热片3上，用于隔绝外部环境热交换；本体2固定连接在惯性测量装置上，并通过垫块5隔绝外部环境热交换。
如图2～3所示，优选的，石英加速度计1内部扼铁位置通过导热硅橡胶粘接温度传感器6；石英加速度计1内部额外设有两个绝缘端子，两个绝缘端子分别置于温度传感器6两端；石英加速度计1的温度系数小于1×10-5g/℃。
优选的，本体2的材料采用硬铝，本体2上分别设有三个凸台，三个凸台上均设有用于安装石英加速度计1的凹孔；本体2与惯性测量装置固连的安装面平面度优于0.02mm，粗糙度Ra优于3.2μm，并进行阳极氧化绝缘处理。
优选的，加热片3采用薄膜型电加热器，加热片3单面设有用于防止粘接起翘的不干胶。
优选的，隔热罩4采用环氧酚醛层压玻璃布板，隔热罩4上设有用于穿设导线的通孔，并通过硅橡胶密封。
优选的，垫块5采用T型结构，垫块5的数量不少于八个，每两个垫块5为一组，分别穿设在本体2和惯性测量装置上；垫块5的材料采用陶瓷。
优选的，温度传感器6采用PT1000型铂电阻温度传感器。
优选的，石英加速度计1外径为Φ25.4mm，高度(不含安装法兰)为15.3mm。
优选的，加热片3尺寸为12.5mm×79mm的条形单面背胶的加热片，最大加热电流约0.5A。
优选的，隔热罩4的厚度设为1.5mm。
如图4所示，一种基于所述温控装置的温控方法，包括如下步骤：
S1，组装高精度石英加速度计的温控装置；
S2，根据环境温度以及预设的石英加速度计1表芯稳态温度和期望的调整时限，设置门限温度，并对石英加速度计1表壳进行独立加温；
S3，利用安装在石英加速度计1内部的温度传感器6监测石英加速度计1表芯实际温度；
若石英加速度计1表芯实际温度与预设的石英加速度计1表芯稳态温度的差值小于-0.2℃，则返回S2；
若石英加速度计1表芯实际温度与预设的石英加速度计1表芯稳态温度的差值处于-0.2℃～+0.2℃，则停止加热；
若石英加速度计1表芯实际温度与预设的石英加速度计1表芯稳态温度的差值大于+0.2℃，则采用温度补偿的方法进行温度控制。
优选的，S1中；加热片3的粘贴步骤如下：
第一步，检查加热片3外观，确保加热片3无破损或折痕；
第二步，清除石英加速度计1表壳的多余物；
第三步，将加热片3粘贴在石英加速度计1表壳上；
第四步，在加热片3边缘涂覆硅橡胶GD414，常温放置24小时以上。
优选的，S2～S3中；石英加速度计1表壳温度控制采用分段比例控制逻辑：
当石英加速度计1表芯实际温度小于门限温度时，加热片3配套电路按照全功率输出；
当石英加速度计1表芯实际温度不小于门限温度时，加热片3配套电路按照逐级递减的比例系数输出；
所述温度补偿的方法如下：
利用最小二乘法分别拟合石英加速度计1的零位和标度因数与温度的关系模型，根据石英加速度计1表芯实际温度对石英加速度计1零位和标度因数进行实时补偿。
加计零位K0的三阶温度模型方程如下：
K0(T)＝α0+α1(T-T0)+α2(T-T0)2+α3(T-T0)3+εα
式中，α0为T0时加速度计零偏值(V)；α1、α2、α3分别为加速度计零偏温度模型中的一阶、二阶、三阶温度系数(V/℃)；εα为随机误差。
标度因数K1的线性温度模型方程如下：
K1(T)＝β0+β1(T-T0)+εβ
式中，β0为温度模型中的零次项系数(V/g)，β1为一次项系数(V/(g·℃))；εβ为随机误差。
优选的，采温电路集成于惯组信号处理电路，ADS1148IPWR芯片是一款自带8路采集的转换器，通过FPGA控制和DSP设置完成每路采集工作。加速度通道要求加温速度及温度稳定时间短，温控精度高，传统PID控制经高低温试验验证已无法满足要求，故此，引入了分段比例控制逻辑。
本发明说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知技术。
Claims (10)
1.一种高精度石英加速度计的温控装置，其特征在于：包括石英加速度计(1)、本体(2)、加热片(3)、隔热罩(4)、垫块(5)和温度传感器(6)；本体(2)采用实心立方体结构，本体(2)上分别安装三个相互正交的石英加速度计(1)；每个石英加速度计(1)表壳上均粘接一个用于升温的加热片(3)，每个石英加速度计(1)表壳上均粘接一个温度传感器(6)，每个石英加速度计(1)内部均粘接一个温度传感器(6)；隔热罩(4)套装在石英加速度计(1)、本体(2)和加热片(3)上，用于隔绝外部环境热交换；本体(2)固定连接在惯性测量装置上，并通过垫块(5)隔绝外部环境热交换。
2.根据权利要求1所述的一种高精度石英加速度计的温控装置，其特征在于：所述石英加速度计(1)内部扼铁位置通过导热硅橡胶粘接温度传感器(6)；石英加速度计(1)内部额外设有两个绝缘端子，两个绝缘端子分别置于温度传感器(6)两端；石英加速度计(1)的温度系数小于1×10-5g/℃。
3.根据权利要求1所述的一种高精度石英加速度计的温控装置，其特征在于：所述本体(2)的材料采用硬铝，本体(2)上分别设有三个凸台，三个凸台上均设有用于安装石英加速度计(1)的凹孔；本体(2)与惯性测量装置固连的安装面平面度优于0.02mm，粗糙度Ra优于3.2μm，并进行阳极氧化绝缘处理。
4.根据权利要求1所述的一种高精度石英加速度计的温控装置，其特征在于：所述加热片(3)采用薄膜型电加热器，加热片(3)单面设有用于防止粘接起翘的不干胶。
5.根据权利要求1所述的一种高精度石英加速度计的温控装置，其特征在于：所述隔热罩(4)采用环氧酚醛层压玻璃布板，隔热罩(4)上设有用于穿设导线的通孔，并通过硅橡胶密封。
6.根据权利要求1所述的一种高精度石英加速度计的温控装置，其特征在于：所述垫块(5)采用T型结构，垫块(5)的数量不少于八个，每两个垫块(5)为一组，分别穿设在本体(2)和惯性测量装置上；垫块(5)的材料采用陶瓷。
7.根据权利要求1所述的一种高精度石英加速度计的温控装置，其特征在于：所述温度传感器(6)采用PT1000型铂电阻温度传感器。
8.一种基于所述温控装置的温控方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1，组装高精度石英加速度计的温控装置；
S2，根据环境温度以及预设的石英加速度计(1)表芯稳态温度和期望的调整时限，设置门限温度，并对石英加速度计(1)表壳进行独立加温；
S3，利用安装在石英加速度计(1)内部的温度传感器(6)监测石英加速度计(1)表芯实际温度；
若石英加速度计(1)表芯实际温度与预设的石英加速度计(1)表芯稳态温度的差值小于-0.2℃，则返回S2；
若石英加速度计(1)表芯实际温度与预设的石英加速度计(1)表芯稳态温度的差值处于-0.2℃～+0.2℃，则停止加热；
若石英加速度计(1)表芯实际温度与预设的石英加速度计(1)表芯稳态温度的差值大于+0.2℃，则采用温度补偿的方法进行温度控制。
9.根据权利要求8所述的一种基于所述温控装置的温控方法，其特征在于：所述S1中；加热片(3)的粘贴步骤如下：
第一步，检查加热片(3)外观，确保加热片(3)无破损或折痕；
第二步，清除石英加速度计(1)表壳的多余物；
第三步，将加热片(3)粘贴在石英加速度计(1)表壳上；
第四步，在加热片(3)边缘涂覆硅橡胶GD414，常温放置24小时以上。
10.根据权利要求8所述的一种基于所述温控装置的温控方法，其特征在于：所述S2～S3中；石英加速度计(1)表壳温度控制采用分段比例控制逻辑：
当石英加速度计(1)表芯实际温度小于门限温度时，加热片(3)配套电路按照全功率输出；
当石英加速度计(1)表芯实际温度不小于门限温度时，加热片(3)配套电路按照逐级递减的比例系数输出；
所述温度补偿的方法如下：
利用最小二乘法分别拟合石英加速度计(1)的零位和标度因数与温度的关系模型，根据石英加速度计(1)表芯实际温度对石英加速度计(1)零位和标度因数进行实时补偿。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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