CN111351961A - 一种数字式石英挠性加速度计 - Google Patents

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王海明
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刘志伟
高宇
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Abstract

本申请提供了一种数字式石英挠性加速度计，能够实现数字式输出信号，满足制导系统和飞控系统的使用要求，并且具有线路简洁以及可靠性高等特点。该数字式石英挠性加速度计的伺服电路板包括差动电容检测单元、电流积分器、跨导/补偿放大器和模数转换模块，所述力矩器定子组件发生的加速度信号转换为电容信号输入所述差动电容检测单元，经差动电容检测单元转换为电流信号，该电流信号经所述电流积分器积分后输出电压，再由跨导/补偿放大器将电压放大并转化为输出电流，一路反馈至力矩器定子组件，另一路经模数转换模块输出数字信号；所述力矩器定子组件设置有两组接线端子，与伺服电路板上的对应元器件连接。

Description

一种数字式石英挠性加速度计
技术领域
本申请涉及一种加速度计元件，特别涉及一种数字式石英挠性加速度计。
背景技术
石英挠性加速度计是惯性导航系统的主要元件之一，被广泛应用于航天、航空、航海及武器系统的导航制导与控制等领域。
目前，大多数石英挠性加速度计都是将感应到的外界加速度信号转换成模拟信号对外输出的，而外部系统需要采集的是数字信号，并且现有技术中，石英挠性加速度计和数字转换电路分开安装，占据了过多的空间，功率高，启动慢，更不利于系统小型化；而且，整体线路连接不够简洁，可能会影响各功能组件信号传输及转换的可靠性。
发明内容
为了解决上述技术问题，本申请实施例提供一种数字式石英挠性加速度计，能够实现数字式输出信号，满足制导系统和飞控系统的使用要求，并且具有线路简洁以及可靠性高等特点。
本申请实施例所采用的技术方案是：
一种数字式石英挠性加速度计，包括伺服电路板、第一力矩器定子、第二力矩器定子以及壳体；在第一力矩器定子与第二力矩器定子之间同轴安装的有磁钢组件、电容极板和用于产生再平衡力矩的摆组件，所述伺服电路板安装于壳体内，与壳体通过胶接、激光焊密封焊接；
所述伺服电路板包括差动电容检测单元、电流积分器、跨导/补偿放大器和模数转换模块，所述力矩器定子组件发生的加速度信号转换为电容信号输入所述差动电容检测单元，经差动电容检测单元转换为电流信号，该电流信号经所述电流积分器积分后输出电压，再由跨导/补偿放大器将电压放大并转化为输出电流，一路反馈至力矩器定子组件，另一路经模数转换模块输出数字信号；所述第一力矩器定子设置有两组接线端子，与伺服电路板上的对应元器件连接；其中，第一组接线端子有两个，分别接电容极板的两端；第二组接线端子有三个，分别作为力矩器高端、定子地和力矩器低端。
可选的，所述伺服电路板上设置有八个接线柱，分别作为力矩器低端、力矩器高端、-15V电压输入端、+15V电压输入端、电源地、串行数据端口、时钟端口和数字电源端口。
可选的，所述八个接线柱在伺服电路板的正面上整体沿以伺服电路板中心为圆心的半圆弧线排布，且呈轴对称；所述力矩器定子组件的两组接线端子在伺服电路板上对应的元器件分别位于对称轴的两侧。
可选的，所述模数转换模块采用数字滤波单元，使前级过采样频率降低到乃奎斯特采样频率，且将模拟信号转换为设定字长的数字信号。
可选的，所述第一力矩器定子和第二力矩器定子采用推挽式结构，所述磁钢组件并联热敏磁分路环，用于补偿温度变化造成工作气隙磁感应强度的减小。
可选的，所述的摆组件摆动工作气隙范围为0.032mm。
可选的，所述力矩器定子组件中的一个力矩器定子采用整体充磁的形式，充磁后磁钢组件中心点端面磁密Bd’＝1000～1300GS。
可选的，所述壳体以及伺服电路板的直径均不大于25.5mm。
本申请具有以下有益效果：
1、优化了石英挠性加速度计的电路拓扑结构，并增加模数转换模块，输出电流一路反馈至力矩器定子组件，另一路经模数转换模块输出数字信号，能够方便用户将加速度计直接与单片机连接，满足制导系统和飞控系统的使用要求。
2、优化了力矩器定子组件和伺服电路板的接线结构，线路更加简洁，也有利于加速度计的可靠运行。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本申请的结构示意图；其中，1-伺服电路板，2-第一力矩器定子，3-磁钢组件，4-骨架组件，5-摆架，6-锁紧环，7-第二力矩器定子，8-壳体。
图2是伺服电路板的原理图。
图3是接线示意图。
图4是测试系统示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请实施例的数字式石英挠性加速度计如图1所示，包括伺服电路板1、第一力矩器定子2、磁钢组件3、骨架组件4、摆架5、锁紧环6、第二力矩器定子7和壳体8。在第一力矩器定子2与第二力矩器定子7上分别设有产生磁场的磁钢组件3、电容传感器的定极片面以及产生再平衡力矩的摆组件，并在摆组件上分别设有产生摆性力矩的摆架5、骨架组件4。伺服电路板1与壳体8通过胶接、激光焊密封焊接；安装信号线保证力矩器定子组件与伺服电路板1之间电信号的连通。
摆组件装在第一力矩器定子2和第二力矩器定子7中间，对接处用锁紧环6固紧，配合面处利用激光焊封，保证可靠连接；在摆架5外圆环上加工有0.02mm凸台，使其与第一力矩器定子2和第二力矩器定子7软磁部分形成窄小的缝隙，以便形成一对空气电容器和适当的阻尼。
壳体8的底面及力矩器定子组件的环面上分别用耐高温聚酯胶带3M8992粘接，将力矩器定子组件装入壳体内，使力矩器定子组件外圆面上的刻线与壳体8上的箭头方向对齐，进行常温固化；在力矩器定子组件与壳体的空隙处涂DG-3S胶，涂胶面约为圆周面的一半，不得使胶流入到定子组件的接缝内部，再进行常温固化。伺服电路板1与壳体8通过胶封、激光焊密封连接。
数字式石英挠性加速度计装好以后，充1个大气压的氦气，避免了表内零件的氧化，并且保证了一定的气体阻尼。
第一力矩器定子2和第二力矩器定子7采用推挽式结构，电容传感器设计思路是在力矩器线圈外部石英摆架上的镀金膜板组成电容器的两个极板，上、下两个极板和接地的力矩器组成一个差动电容器，可直接测出惯性检测质量偏离平衡位置的位移。电容传感器即是一个差动电容电桥，力矩器定子部分的端面与摆架的镀层以及它们之间的气隙形成两个空气电容器。当摆处于中间位置时，两空气电容器的气隙相等，因而两电容器也相等，这时电容电桥处于平衡状态。当摆偏离中间位置时，两空气电容器的气隙则变的不相等，气隙大的电容量变小，气隙小的电容量变大。这样就破坏了电桥的平衡，使电桥有一输出信号。
装配时首先将摆架5安装在带有凸台(0.02mm)的专用夹具上，将摆架5的外圆基准转换到夹具外圆上，以夹具外圆定位，借助工装将两处骨架组件4用326胶粘合到摆架5上，骨架组件4粘接时先在中心附近先涂少量胶，然后用夹具轻轻挤压到位。涂胶范围应精确到尺寸为一定值的同心圆，胶量也应精确把握，保证夹具挤压到位后胶不溢出。力矩器线圈均匀地、紧密地排绕在槽里，排列应规则，不允许出现交叉现象，以避免产生杂散波形对于产品稳定性的影响。
第一力矩器定子2采用整体充磁的方式，充磁后磁钢组件3中心点端面磁密Bd’＝(1000～1300)GS。磁钢组件3端面与力矩器定子I2端面距离为0.88。力矩器定子I2中磁钢组件4并联1J32热敏磁分路环，可补偿温度升高造成工作气隙磁感应强度B的减小。
磁钢组件3与骨架组件4的气隙距离为0.25mm。摆组件摆动工作气隙范围为0.032mm。力矩器定子组件中力矩器定子I2与骨架组件4的气隙距离为0.25mm，力矩器定子II7与骨架组件4的气隙距离为0.25mm。
两处骨架组件4与摆架5粘接采用326胶粘剂，满足石英玻璃与金属材料全温范围内粘接强度及剪切强度要求。
壳体8与伺服电路板1直径不大于Φ25.5mm。
伺服电路板包括差动电容检测单元、电流积分器、跨导/补偿放大器和模数转换模块，所述力矩器定子组件发生的加速度信号转换为电容信号输入所述差动电容检测单元，经差动电容检测单元转换为电流信号，该电流信号经所述电流积分器积分后输出电压，再由跨导/补偿放大器将电压放大并转化为输出电流，一路反馈至力矩器定子组件，另一路经模数转换模块输出数字信号。
具体信号转换如图2所示，当沿加速度计的输入轴方向有加速度ai作用时，检测质量受到摆性力矩Mr作用而发生偏转，使差动电容传感器产生电容量2×ΔC，伺服电路中的差动电容检测器检测到这一变化而输出电流iD，该电流由电流积分器积分后输出电压Vi，然后由跨导/补偿放大器把Vi放大并转化为输出电流I。输出电流I的大小与输入加速度成正比，极性取决于输入加速度的方向。输出电流I被反馈到力矩器上，产生再平衡力矩Mt以平衡因ai引起的摆性力矩Mr，ai和Mr皆为连续变量。伺服电路根据差动电容传感器的电容量变化而工作，它使得ΔC始终保持在最小值。在极高的回路增益下，由ai引起的惯性力矩将不断被再平衡力矩所平衡。数字转换电路经过A/D转换将模拟量输出转换为数字信号输出。
接线框图如图3所示，力矩器定子组件接线定义见表1。
表1
编号 功能
1，C- 差动电容B端
2，C+ 差动电容A端
3，L+ 力矩器高端
4，GND 定子地
5，L- 力矩器低端
加速度计可与单片机、计算机组成系统，测试示意图如图4所示。伺服电路板接线柱与系统交联，接线柱的功能定义见表2。
表2
Figure BDA0002361707960000061
测试过程利用单片机完成数字信号采集、转发功能；加速度计引出SCL(串行时钟)、SDA(串行数据)、数字电源(3.3V)三线与主机板定义的相应针脚连接，主机板GND线连接电源地。
加速度计输出形式是通过I2C串行接口与主机板连接直接访问加速度计。加速度计数字端接口共有4个接线端子：数字电源DVDD、数字地DGND，时钟端口SCL、数据端口SDA。数字电源DVDD连接到后端主机板的数字电源VDD，数字地DGND连接到后端主机板和数字地GND，时钟线SCL和数据线SDA分别连接到后端主机板定义的两个接口。
主机板通过I2C总线实现与数字加速度计的通信。通信过程中，主机板的I2C总线控制器工作在主模式，作为主设备；数字加速度计的A/D芯片作为从设备。总线由主设备控制，规定总线的传输方向为从设备至主设备。经A/D芯片转换后的两路加速度计数字信号SCL、SDA通过I2C总线传送至主机板，经主机板内部解算后将数字量转换为模拟数字电压值，通过USB通道发送至计算机，通过串口助手读出数据来判定指标的符合性。
数字式石英挠性加速度计系统包含加速度测量部分和模数信号转化部分。加速度计将加速度运动产生的力矩信号转化为电模拟信号A；电模拟信号A经模数信号转化部分，转化为数字信号D。
数字信号D需要经过单片机读取、单片机运算和单片机发送三个过程。
数字信号接收过程：单片机利用I2C串行通信总线从数字加速度计读取该数字信号，数字信号D在读取过程中无失真传输。
通信函数single()逻辑如下：
IIC_Start()；//启动
nt1＝0x6f；//赋址
IIC_Send_Byte(nt1)；//发送寄存器地址
IIC_Wait_Ack()；//接收应答
delay_us(8)；
A＝IIC_Read_Byte(1)；
A＜＜＝8；//左移8位
A＝A|IIC_Read_Byte(0)；
IIC_Stop()；//停止
数字信号运算过程：在实际测试加速度计时，为便于计算和测量，需要将数字信号D转换为数字电压值。产品A/D芯片共16位，16位二进制数转换为十进制数，量程为0-65535；A/D芯片满值基准电压是4.096V(片内基准)。
所以，模拟数字电压值的计算参考下列公式：
ADnew＝AD/65535×4.096。
数字信号发送过程：单片机将解算后新的模拟数字电压值ADnew经过USB通道发送给计算机，以便于判断加速度计输出是否正常。加速度计A/D芯片数字信号以2ms周期输出。为便于观察，信号需进行滤波处理，使其以2s周期从计算机输出，滤波过程如下：
Figure BDA0002361707960000071
Figure BDA0002361707960000081
采用的数字抽取滤波技术既可以对前级信号滤波也可以把前级过采样频率降低到乃奎斯特采样频率，并且将模拟信号转换成一定字长的数字信号。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种数字式石英挠性加速度计，其特征在于：包括伺服电路板(1)、第一力矩器定子(2)、第二力矩器定子(7)以及壳体(8)；在第一力矩器定子(2)与第二力矩器定子(7)之间同轴安装的有磁钢组件(3)、电容极板和用于产生再平衡力矩的摆组件，所述伺服电路板(1)安装于壳体(8)内，与壳体(8)通过胶接、激光焊密封焊接；
所述伺服电路板(1)包括差动电容检测单元、电流积分器、跨导/补偿放大器和模数转换模块，所述力矩器定子组件发生的加速度信号转换为电容信号输入所述差动电容检测单元，经差动电容检测单元转换为电流信号，该电流信号经所述电流积分器积分后输出电压，再由跨导/补偿放大器将电压放大并转化为输出电流，一路反馈至力矩器定子组件，另一路经模数转换模块输出数字信号；所述第一力矩器定子(2)设置有两组接线端子，与伺服电路板(1)上的对应元器件连接；其中，第一组接线端子有两个，分别接电容极板的两端；第二组接线端子有三个，分别作为力矩器高端、定子地和力矩器低端。
2.根据权利要求1所述的数字式石英挠性加速度计，其特征在于：所述伺服电路板(1)上设置有八个接线柱，分别作为力矩器低端、力矩器高端、-15V电压输入端、+15V电压输入端、电源地、串行数据端口、时钟端口和数字电源端口。
3.根据权利要求2所述的数字式石英挠性加速度计，其特征在于：所述八个接线柱在伺服电路板(1)的正面上整体沿以伺服电路板(1)中心为圆心的半圆弧线排布，且呈轴对称；所述力矩器定子组件(2)的两组接线端子在伺服电路板(1)上对应的元器件分别位于对称轴的两侧。
4.根据权利要求1所述的数字式石英挠性加速度计，其特征在于：所述模数转换模块采用数字滤波单元，使前级过采样频率降低到乃奎斯特采样频率，且将模拟信号转换为设定字长的数字信号。
5.根据权利要求1所述的数字式石英挠性加速度计，其特征在于：所述第一力矩器定子(2)与第二力矩器定子(7)采用推挽式结构，所述磁钢组件(3)并联热敏磁分路环，用于补偿温度变化造成工作气隙磁感应强度的减小。
6.根据权利要求1所述的数字式石英挠性加速度计，其特征在于：所述的摆组件摆动工作气隙范围为0.032mm。
7.根据权利要求1所述的数字式石英挠性加速度计，其特征在于：所述力矩器定子组件中的一个力矩器定子采用整体充磁的形式，充磁后磁钢组件中心点端面磁密Bd’＝1000～1300GS。
8.根据权利要求1所述的数字式石英挠性加速度计，其特征在于：所述壳体以及伺服电路板的直径均不大于25.5mm。
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