CN113063964A - 一种温度补偿型石英挠性加速度计伺服电路及石英挠性加速度计 - Google Patents

一种温度补偿型石英挠性加速度计伺服电路及石英挠性加速度计 Download PDF

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CN113063964A CN202110310726.5A CN202110310726A CN113063964A CN 113063964 A CN113063964 A CN 113063964A CN 202110310726 A CN202110310726 A CN 202110310726A CN 113063964 A CN113063964 A CN 113063964A
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Abstract

本发明公开了一种温度补偿型石英挠性加速度计伺服电路及石英挠性加速度计，电路中差动电容转换器的输入端连接石英表头中差动传感器的输出端，差动电容转换器的输出端连接电流积分器的输入端，电流积分器的输出端连接加法器的输入端；温度传感器的输出端连接多项式发生器的输入端，多项式发生器的输出端连接加法器的另一输入端；加法器的输出端连接跨导/补偿放大器的输入端，跨导/补偿放大器的输出端连接石英表头中力矩器线圈的输入端连接，跨导/补偿放大器的输出端连接反馈网络的输入端，反馈网络的输出端连接跨导/补偿放大器的输入端。可实现对石英挠性加速度计零偏、标度因数等进行综合补偿。

Description

一种温度补偿型石英挠性加速度计伺服电路及石英挠性加速 度计
技术领域
本发明属于惯性测量领域，具体属于一种温度补偿型石英挠性加速度计伺服电路及石英挠性加速度计。
背景技术
惯性导航系统(Inertial Navigation System)是基于惯性技术原理的独立自主的无源导航系统，具有自主、连续、隐蔽、无环境限制等特点。惯性导航系统通常由测试平台、惯性测量系统、数据处理系统等组成，其中惯性测量系统主要包括加速度计和陀螺仪。加速度计用于测量载体的运动加速度，通过积分运算得到载体的速度和位置，是惯性导航系统的核心元件，其性能直接影响着系统导航与制导精度。石英挠性加速度计以其结构简单、精度高、稳定性好等特点，在航空、航天、航海、陆地的导航、制导与控制系统中得到了广泛的应用。理想状态下，石英挠性加速度计输出与外界加速度输入成正比，实际上，受到制造工艺偏差、内部结构应力释放、元器件参数误差影响外，温度应力对石英挠性加速度计输出的影响尤为突出，已经成为其发展与高精度应用过程中的严重障碍。因此，改善石英挠性加速度计的温度特性，保证其输出精度，对于提升惯性导航系统的性能具有实际工程应用价值。
目前，为降低温度对石英挠性加速度计输出影响，国内外行业内常用的方法包括：温度控制与温度补偿。其中，温度控制的核心思想是通过外部的硬件结构来控制温度的变化，即利用温控设备进行温度监测控制，使加速度计工作在温度恒定的环境中，但是该方法一方面会增加系统功耗与成本，一方面还会影响设备运输与使用的便捷性；温度补偿的核心思想是通过环境温度应力试验，建立加速度计温度误差补偿模型，从而构建对加速度计输出补偿函数。温度补偿又分为硬件补偿和软件补偿。软件补偿使用最小二乘法、BP神经网络等算法对加速度计输出进行补偿，其可对石英挠性加速度计零偏、标度因数的高阶非线性系数进行针对性补偿，因此补偿精度较高，但需要对加速度计内部温度信息和加速度计输出进行模数转换，并且数字处理系统外围元器件种类较多，大大增加了补偿成本。硬件补偿目前主要通过寻找力矩器线圈长度、永磁体温度系数等影响石英挠性加速度计精度的主要因素，在力矩器线圈上增加无源补偿元件，从而对加速度计输出进行补偿，该方法虽然较为简便，成本较低，但该方法只能对加速度计内部部分元件进行线性补偿，因此其补偿效果较差。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种温度补偿型石英挠性加速度计伺服电路及石英挠性加速度计，可实现对石英挠性加速度计零偏、标度因数等进行综合补偿。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种温度补偿型石英挠性加速度计伺服电路，包括差动电容转换器、电流积分器、跨导/补偿放大器、阻容反馈网络、温度传感器、多项式函数发生器和加法器；
所述差动电容转换器的输入端连接石英表头中差动传感器的输出端，差动电容转换器的输出端连接电流积分器的输入端，电流积分器的输出端连接加法器的输入端；
温度传感器的输出端连接多项式发生器的输入端，多项式发生器的输出端连接加法器的另一输入端；加法器的输出端连接跨导/补偿放大器的输入端，跨导/补偿放大器的输出端连接石英表头中力矩器线圈的输入端连接，跨导/补偿放大器的输出端连接反馈网络的输入端，反馈网络的输出端连接跨导/补偿放大器的输入端。
优选的，所述多项式函数发生器包括多次项发生单元、信号选择单元与多项加法器；
所述多次项发生单元用于产生温度传感器输出电压的一次、二次、三次多项式；
所述信号选择单元用于改变温度-输出特性函数中的误差补偿电压一次、二次、三次项系数的正负；
所述多项加法器用于将通过信号选择单元确定后的温度传感器输出电压一次、二次、三次多项式与误差补偿电压零次项相加后产生最终误差补偿电压。
进一步的，所述多次项发生单元包括第一模拟乘法器U1、第二模拟乘法器U2、第三精密运算放大器U3、第四精密运算放大器U4、第五精密运算放大器U5、第一电源电阻R01、第二电源电阻R02、电阻Ri1、电阻Ri2和电阻Ri3；
所述第一电源电阻R01的一端与正电源连接，第二电源电阻R02的一端与负电源连接，第一电源电阻R01的另一端与第二电源电阻R02的另一端连接，连接点电压为V0；
所述电阻Ri1、电阻Ri2和电阻Ri3的数量均为三个，所述电阻Ri1、电阻Ri2和电阻Ri3分别对应与第三精密运算放大器U3、第四精密运算放大器U4、第五精密运算放大器U5形成单倍反相放大单元；
所述第三精密运算放大器U3形成的单倍反相放大单元中，电阻Ri1的一端作为单倍反相放大单元输入端连接温度传感器的输出端，电阻Ri1的另一端分别连接电阻Ri3的一端和第三精密运算放大器U3的反相输入端，电阻Ri2的一端接地，电阻Ri2的另一端连接第三精密运算放大器U3的同相输入端，第三精密运算放大器U3的输出端连接电阻Ri3的另一端；
所述第一模拟乘法器U1的两个输入端连接温度传感器的输出端，第一模拟乘法器U1的输出端连接第二模拟乘法器U2的一个输入端，第二模拟乘法器U2的另一个输入端连接温度传感器的输出端；
所述第四精密运算放大器U4形成的单倍反相放大单元中，电阻Ri1的一端作为单倍反相放大单元输入端连接第一模拟乘法器U1的输出端，电阻Ri1的另一端分别连接电阻Ri3的一端和第四精密运算放大器U4的反相输入端，电阻Ri2的一端接地，电阻Ri2的另一端连接第四精密运算放大器U4的同相输入端，第四精密运算放大器U4的输出端连接电阻Ri3的另一端；
所述第五精密运算放大器U5形成的单倍反相放大单元中，电阻Ri1的一端作为单倍反相放大单元输入端连接第二模拟乘法器U2的输入端，电阻Ri1的另一端分别连接电阻Ri3的一端和第五精密运算放大器U5的反相输入端，电阻Ri2的一端接地，电阻Ri2的另一端连接第五精密运算放大器U5的同相输入端，第五精密运算放大器U5的输出端连接电阻Ri3的另一端。
更进一步的，所述电阻Ri1、电阻Ri2和电阻Ri3的阻值相等。
进一步的，所述信号选择单元包括模拟开关U6；
所述温度传感器形成的输入信号Vtemp连接至模拟开关U6第一支路S11输入端；所述第三精密运算放大器U3输出端连接模拟开关U6第一支路S12输入端；
所述第一模拟乘法器U1输出端连接模拟开关U6第二支路S21输入端，第四精密运算放大器U4输出端连接至模拟开关U6第二支路S22输入端；
所述第二模拟乘法器U2输出端连接至模拟开关U6第三支路S31输入端，第五精密运算放大器U5输出端连接至模拟开关U6第三支路S32输入端。
进一步的，多项加法器包括零偏电阻R0、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、反馈电阻Rf和第七精密运算放大器U7；
所述零偏电阻R0的一端连接误差补偿电压零次项的输入端，零偏电阻R0的另一端连接第七精密运算放大器U7的反相输入端；所述第一电阻R1的一端连接误差补偿电压一次项的输入端，第一电阻R1的另一端连接第七精密运算放大器U7的反相输入端；所述第二电阻R2的一端连接误差补偿电压二次项的输入端，第二电阻R2的另一端连接第七精密运算放大器U7的反相输入端；所述第三电阻R3的一端连接误差补偿电压三次项的输入端，第三电阻R3的另一端连接第七精密运算放大器U7的反相输入端；
所述反馈电阻Rf的一端连接第七精密运算放大器U7的反相输入端，另一端连接第七精密运算放大器U7的输出端；
所述第四电阻R4的一端连接第七精密运算放大器U7的同相输入端，另一端接地。
优选的，所述多项式函数发生器产生的补偿电压Vout的公式为：
Figure BDA0002989441390000051
式中，K0为温度误差目标补偿零次项系数、K1为温度误差目标补偿一次项系数、K2为温度误差目标补偿二次项系数、K3为温度误差目标补偿三次项系数，Vtemp为温度传感器的输出电压。
优选的，所述温度传感器设置在石英挠性传感器外侧。
一种石英挠性加速度计，包括石英表头和伺服控制电路；
所述石英表头包括石英摆片、力矩器线圈、第一电容极板、表头外壳、第二电容极板和永磁体；
所述表头外壳内部设置有石英摆片，石英摆片的两侧分别对应设置有第一电容极板和第二电容极板，所述第一电容极板和第二电容极板之间间隙设置；石英摆片上设置有力矩器线圈，力矩器线圈的两端设置有永磁体；
所述伺服控制电路包括差动电容转换器、电流积分器、跨导/补偿放大器、阻容反馈网络、温度传感器、多项式函数发生器和加法器；
所述第一电容极板和第二电容极板形成差动电容传感器，所述差动电容转换器的输入端连接石英表头中差动传感器的输出端，差动电容转换器的输出端连接电流积分器的输入端，电流积分器的输出端连接加法器的输入端；
温度传感器的输出端连接多项式发生器的输入端，多项式发生器的输出端连接加法器的另一输入端；加法器的输出端连接跨导/补偿放大器的输入端，跨导/补偿放大器的输出端连接石英表头中力矩器线圈的输入端连接，跨导/补偿放大器的输出端连接反馈网络的输入端，反馈网络的输出端连接跨导/补偿放大器的输入端。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供一种温度补偿型石英挠性加速度计伺服电路，通过增加多项式函数发生器，将温度传感器采集到的石英挠性加速度计温度场信息变换为高阶温度误差补偿电压，高阶温度误差补偿电压通过加法器与原始加速度信息进行融合后，通过跨导/补偿放大器将电压变换为电流，完成对石英挠性加速度计的闭环控制，同时实现对加速度计输出的温度补偿。可广泛应用于远程武器装备精确制导、潜航器长时间自主导航、微重力测量以及车辆姿态控制、地质勘探、石油随钻测斜系统等军事民生领域，具有极大的经济与社会效益，同时，可应用于其他类型摆式加速度计伺服控制，具有普遍适用性。
本发明提供的一种石英挠性加速度计，当外界沿石英表头敏感轴方向存在加速度ain作用时，差动电容传感器中的可动石英摆片偏离中心平衡位置，产生差动电容变化，伺服电路中的差动电容转换器将该差动电容转化为电流，由电流积分器积分后输出电压V1；同时，伺服电路中的温度传感器将采集到的温度信号转换为模拟电压信号，通过多项式函数发生器变换为高阶温度误差补偿电压Vcomp(T)。电压V1与补偿电压Vcomp(T)通过加法器合成后由跨导/补偿放大器转换为电流iout，电流iout通过石英表头的力矩器产生磁性力矩，用于平衡外界加速度ain引起的惯性力矩，驱动石英摆片返回平衡位置。同时，跨导/补偿放大器对输出电流iout进行比例采样，输入反馈网络，产生比例积分微分(PID)控制信号，该PID控制信号通过调节跨导/补偿放大器增益、响应速度以调节系统动态参数，使石英挠性加速度计系统工作在稳定闭环状态。
附图说明
图1为本发明实施例温度补偿型石英挠性加速度计伺服电路原理框图；
图2为本发明实施例多项式函数发生器电原理图；
附图中：1为石英表头；2为伺服控制电路；3为石英摆片；4为力矩器线圈；5为第一电容极板；6为表头外壳；7为第二电容极板；8为永磁体。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明所述的温度补偿型石英挠性加速度计伺服电路包含差动电容转换器、电流积分器、跨导/补偿放大器、阻容反馈网络、温度传感器、多项式函数发生器、加法器以及其他外围阻容元件。
差动电容转换器的信号输入端与石英表头差动传感器的信号输出端连接，差动电容转换器的输出端与电流积分器的输入端连接，电流积分器的信号输出端与加法器的一个信号输入端连接；温度传感器的信号输出端与多项式函数发生器的信号输入端连接，多项式函数发生器的信号输出端与加法器的另一个信号输入端连接；加法器的信号输出端同时与跨导/补偿放大器的信号输入端以及阻容反馈网络的信号输出端连接，跨导/补偿放大器的一个信号输出端与石英表头中力矩器的信号输入端连接，另一个信号输出端与阻容反馈网络的信号输入端连接，石英表头中力矩器的信号输出端与伺服电路外引脚相连，作为石英挠性加速度计的信号输出端。
如图1所示，本发明一种石英挠性加速度计，包括石英表头1和伺服控制电路2；石英表头1包括石英摆片3、力矩器线圈4、第一电容极板5、表头外壳6、第二电容极板7和永磁体8；表头外壳6内部设置有石英摆片3，石英摆片3的两侧分别对应设置有第一电容极板5和第二电容极板7，所述第一电容极板5和第二电容极板7之间间隙设置；石英摆片3上设置有力矩器线圈4，力矩器线圈4的两端设置有永磁体8。
伺服控制电路2包括差动电容转换器、电流积分器、跨导/补偿放大器、阻容反馈网络、温度传感器、多项式函数发生器和加法器；第一电容极板5和第二电容极板7形成差动电容传感器，所述差动电容转换器的输入端连接石英表头1中差动传感器的输出端，差动电容转换器的输出端连接电流积分器的输入端，电流积分器的输出端连接加法器的输入端。
温度传感器的输出端连接多项式发生器的输入端，多项式发生器的输出端连接加法器的另一输入端；加法器的输出端连接跨导/补偿放大器的输入端，跨导/补偿放大器的输出端连接石英表头中力矩器线圈4的输入端连接，跨导/补偿放大器的输出端连接反馈网络的输入端，反馈网络的输出端连接跨导/补偿放大器的输入端，温度传感器设置在石英挠性传感器外侧。
当外界沿石英挠性加速度计敏感轴向存在加速度ain作用时，石英表头中差动电容传感器的可动石英摆片3偏离中心平衡位置，石英摆片3与上、下金属基板组成的平行板电容将产生差动电容变化量△C，伺服电路中的差动电容转换器将该差动电容变化转换为电流，由电流积分器变换为电压V1。同时，温度传感器将采集到的温度信号转换为电压Vtemp＝KT·T，其中KT为温度传感器电压温度转换系数。经过多项式函数发生器转换为高阶温度误差补偿量Vcomp。随后，电压V1与Vcomp经过加法器产生综合控制电压，由跨导/补偿放大器变换放大为电流iout输出，输出电流经过石英表头内部的力矩器，产生磁性平衡力矩，以平衡ain引起的惯性力矩，驱动可动石英摆片3返回平衡位置。同时，跨导/补偿放大器对输出电流iout进行比例采样，通过另一输出端进入阻容反馈网络中，产生比例积分微分(PID)控制量，与电流积分器共同完成加速度计闭环系统的动态参数调节，使石英挠性加速度计工作在闭环稳定状态。输出电流iout的大小与输入加速度成正比，极性取决于外界输入加速度的方向。
本发明中的多项式函数发生器产生的补偿电压Vcomp为：
Figure BDA0002989441390000081
式中，K0、K1、K2、K3为温度误差目标补偿系数，Vtemp为温度传感器的输出电压。
多项式函数发生器电原理图如图2所示。多项式函数发生器包括多次项发生单元、信号选择单元与多项加法器；
多次项发生单元包括第一模拟乘法器U1、第二模拟乘法器U2、第三精密运算放大器U3、第四精密运算放大器U4、第五精密运算放大器U5、第一电源电阻R01、第二电源电阻R02和三个电阻Ri1、三个电阻Ri2、三个电阻Ri3。
第一电源电阻R01的一端与正电源连接，第二电源电阻R02的一端与负电源连接，第一电源电阻R01的另一端与第二电源电阻R02的另一端连接，连接点电压为V0。
电阻Ri1、电阻Ri2和电阻Ri3的数量均为三个，所述电阻Ri1、电阻Ri2和电阻Ri3分别对应与第三精密运算放大器U3、第四精密运算放大器U4、第五精密运算放大器U5形成单倍反相放大单元。
第三精密运算放大器U3形成的单倍反相放大单元中，电阻Ri1的一端作为单倍反相放大单元输入端连接温度传感器的输出端，电阻Ri1的另一端分别连接电阻Ri3的一端和第三精密运算放大器U3的反相输入端，电阻Ri2的一端接地，电阻Ri2的另一端连接第三精密运算放大器U3的同相输入端，第三精密运算放大器U3的输出端连接电阻Ri3的另一端。
第一模拟乘法器U1的两个输入端连接温度传感器的输出端，第一模拟乘法器U1的输出端连接第二模拟乘法器U2的一个输入端，第二模拟乘法器U2的另一个输入端连接温度传感器的输出端。
第四精密运算放大器U4形成的单倍反相放大单元中，电阻Ri1的一端作为单倍反相放大单元输入端连接第一模拟乘法器U1的输出端，电阻Ri1的另一端分别连接电阻Ri3的一端和第四精密运算放大器U4的反相输入端，电阻Ri2的一端接地，电阻Ri2的另一端连接第四精密运算放大器U4的同相输入端，第四精密运算放大器U4的输出端连接电阻Ri3的另一端。
第五精密运算放大器U5形成的单倍反相放大单元中，电阻Ri1的一端作为单倍反相放大单元输入端连接第二模拟乘法器U2的输入端，电阻Ri1的另一端分别连接电阻Ri3的一端和第五精密运算放大器U5的反相输入端，电阻Ri2的一端接地，电阻Ri2的另一端连接第五精密运算放大器U5的同相输入端，第五精密运算放大器U5的输出端连接电阻Ri3的另一端。
信号选择单元包括单刀双掷模拟开关U6。温度传感器形成的输入信号Vtemp连接至模拟开关U6第一支路S11输入端；所述第三精密运算放大器U3输出端连接模拟开关U6第一支路S12输入端。第一模拟乘法器U1输出端连接模拟开关U6第二支路S21输入端，第四精密运算放大器U4输出端连接至模拟开关U6第二支路S22输入端。第二模拟乘法器U2输出端连接至模拟开关U6第三支路S31输入端，第五精密运算放大器U5输出端连接至模拟开关U6第三支路S32输入端。
多项加法器包括零偏电阻R0、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、反馈电阻Rf和第七精密运算放大器U7。
零偏电阻R0的一端连接误差补偿电压零次项的输入端，零偏电阻R0的另一端连接第七精密运算放大器U7的反相输入端；所述第一电阻R1的一端连接误差补偿电压一次项的输入端，第一电阻R1的另一端连接第七精密运算放大器U7的反相输入端；所述第二电阻R2的一端连接误差补偿电压二次项的输入端，第二电阻R2的另一端连接第七精密运算放大器U7的反相输入端；所述第三电阻R3的一端连接误差补偿电压三次项的输入端，第三电阻R3的另一端连接第七精密运算放大器U7的反相输入端，第七精密运算放大器U7的输出端连接加法器的另一输入端；反馈电阻Rf的一端连接第七精密运算放大器U7的反相输入端，另一端连接第七精密运算放大器U7的输出端；第四电阻R4的一端连接第七精密运算放大器U7的同相输入端，另一端接地。
第一电源电阻R01一端与正电源连接，另一端与第二电源电阻R02的一端连接，第二电源电阻R02的另一端与负电源连接。第一电源电阻R01、第二电源电阻R02连接点电压V0为：
Figure BDA0002989441390000101
温度传感器产生的输入信号Vtemp分别连接至第一模拟乘法器U1的两个输入端与第二模拟乘法器U2的一个输入端，第一模拟乘法器U1的输出端连接至第二模拟乘法器U2的另一输入端。第三精密运算放大器U3、第四精密运算放大器U4和第五精密运算放大器U5以及电阻Ri1、电阻Ri2、电阻Ri3(其中Ri1＝Ri2＝Ri3)连接为单倍反相放大模式，由第三精密运算放大器U3构成的单倍反相放大单元输入端与输入信号Vtemp连接，由第四精密运算放大器U4构成的单倍反相放大单元输入端与第一模拟乘法器U1的输出端连接，由第五精密运算放大器U5构成的单倍反相放大单元输入端与第二模拟乘法器U2的输出端连接。因此，第三精密运算放大器U3输出为：-Vtemp，第四精密运算放大器U4输出为：
Figure BDA0002989441390000111
第五精密运算放大器U5输出为：
Figure BDA0002989441390000112
其中K为第一模拟乘法器U1、第二模拟乘法器U2增益。
输入信号Vtemp同时连接至模拟开关U6第一支路S11输入端，第三精密运算放大器U3输出端连接至模拟开关U6第一支路S12输入端；第一模拟乘法器U1输出端连接至模拟开关U6第二支路S21输入端，第四精密运算放大器U4输出端连接至模拟开关U6第二支路S22输入端；第二模拟乘法器U2输出端连接至模拟开关U6第三支路S31输入端，第五精密运算放大器U5输出端连接至模拟开关U6第三支路S32输入端。C1、C2、C3分别为模拟开关第一、二、三支路开关控制信号，真值表如表1所示：
表1模拟开关U6控制信号真值表
控制信号 输出
C<sub>1</sub>：0 OUT<sub>1</sub>/V<sub>1</sub>：S<sub>12</sub>
C<sub>1</sub>：1 OUT<sub>1</sub>/V<sub>1</sub>：S<sub>11</sub>
C<sub>2</sub>：0 OUT<sub>2</sub>/V<sub>2</sub>：S<sub>22</sub>
C<sub>2</sub>：1 OUT<sub>2</sub>/V<sub>2</sub>：S<sub>21</sub>
C<sub>3</sub>：0 OUT<sub>3</sub>/V<sub>3</sub>：S<sub>32</sub>
C<sub>3</sub>：1 OUT<sub>3</sub>/V<sub>3</sub>：S<sub>31</sub>
最后，信号V0、V1、V2以及V3分别连接至多项加法器输入端，加法器输出电压Vout为：
Figure BDA0002989441390000121
综上，多项式函数发生器产生的误差补偿电压Vout为：
Figure BDA0002989441390000122
对比公式(1)与公式(4)，多项式函数发生器各次项系数为：
Figure BDA0002989441390000123
Figure BDA0002989441390000124
Figure BDA0002989441390000125
Figure BDA0002989441390000126
针对本发明温度补偿型石英挠性加速度计伺服电路误差补偿电压产生过程说明如下：首先，断开多项式函数发生器与伺服控制回路∑连接回路，使伺服电路工作在未补偿状态；在不同温度点下(T1、T2……Tn)测量加速度计对应输出(V1、V2……Vn)，通过三次多项式拟合得到温度-输出特性函数：V＝K'3T3+K'2T2+K'1T+K'0，得到温度误差目标补偿系数K3＝-K'3，K2＝-K'2，K1＝-K'1，K0＝-K'0。通过调整R01、R02、R0、Rf取值可以改变|K0|；通过调整R1、Rf、KT取值可以改变|K1|；通过调整R2、Rf、K、KT取值可以改变|K2|；通过调整R3、Rf、K、KT取值可以改变|K3|，K1、K2、K3系数正负通过控制信号C1、C2、C3确定，K0系数正负通过电阻R01、R02，正负电源共同确定。通过以上手段共同完成高阶非线性误差补偿目的。
本发明的温度补偿型石英挠性加速度计伺服电路通过多项式函数发生器，将温度传感器采集到的石英挠性加速度计原始温度场信息变换为多次项温度误差补偿电压。补偿电压通过加法器与原始加速度信息进行融合后，采用跨导/补偿放大器将融合后电压变换放大为电流，通过力矩器完成对石英挠性加速度计的闭环控制，从而实现对加速度计输出的温度补偿。本发明可实现对石英挠性加速度计零偏、标度因数最高三阶非线性温度系数的综合补偿。本发明可广泛应用于远程武器装备精确制导、潜航器长时间自主导航、微重力测量以及车辆姿态控制、地质勘探、石油随钻测斜系统等军事民生领域，具有极大的经济与社会效益。同时，本发明可应用于其他类型摆式加速度计伺服控制，具有普遍适用性。
本发明的一种温度补偿型石英挠性加速度计伺服电路，可实现对石英挠性加速度计零偏、标度因数等进行综合补偿。本发明增加多项式函数发生器，将温度传感器采集到的石英挠性加速度计温度场信息变换为高阶温度误差补偿电压，高阶温度误差补偿电压通过加法器与原始加速度信息进行融合后，通过跨导/补偿放大器将电压变换为电流，完成对石英挠性加速度计的闭环控制，同时实现对加速度计输出的温度补偿。
本发明的温度补偿型石英挠性加速度计伺服电路与专用的石英挠性加速度计表头敏感结构(简称石英表头)组合完成温度补偿型石英挠性加速度计。石英表头由差动电容传感器、力矩器、外壳等组成。当外界沿石英表头敏感轴方向存在加速度ain作用时，差动电容传感器中的可动石英摆片偏离中心平衡位置，产生差动电容变化，伺服电路中的差动电容转换器将该差动电容转化为电流，由电流积分器积分后输出电压V1；同时，伺服电路中的温度传感器将采集到的温度信号转换为模拟电压信号，通过多项式函数发生器变换为高阶温度误差补偿电压V2(T)。电压V1与补偿电压V2(T)通过加法器合成后由跨导/补偿放大器转换为电流iout，电流iout通过石英表头的力矩器产生磁性力矩，用于平衡外界加速度ain引起的惯性力矩，驱动石英摆片返回平衡位置。同时，跨导/补偿放大器对输出电流iout进行比例采样，输入反馈网络，产生比例积分微分(PID)控制信号，该PID控制信号通过调节跨导/补偿放大器增益、响应速度以调节系统动态参数，使石英挠性加速度计系统工作在稳定闭环状态。此外，输出电流iout的大小与外界输入加速度ain成正比，极性取决于加速度的方向。
本发明的温度补偿型石英挠性加速度计伺服电路通过多项式函数发生器，将温度传感器采集到的石英挠性加速度计原始温度信息变换为多次高阶温度误差补偿电压，通过加法器与原始加速度信息进行融合后，采用跨导/补偿放大器将融合后电压变换放大为电流，通过力矩器完成对石英挠性加速度计的闭环控制，同时实现对加速度计输出温度补偿。本发明可实现对石英挠性加速度计零偏、标度因数最高三阶非线性温度系数的综合补偿，同时，通过控制信号C1、C2、C3可改变误差补偿电压一次、二次、三次项系数正负。本发明可广泛应用于远程武器装备精确制导、潜航器长时间自主导航、微重力测量以及车辆姿态控制、地质勘探、石油随钻测斜系统等军事民生领域，具有极大的经济与社会效益，同时，可应用于其他类型摆式加速度计伺服控制，具有普遍适用性。

Claims (9)

1.一种温度补偿型石英挠性加速度计伺服电路，其特征在于，包括差动电容转换器、电流积分器、跨导/补偿放大器、阻容反馈网络、温度传感器、多项式函数发生器和加法器；
所述差动电容转换器的输入端连接石英表头中差动传感器的输出端，差动电容转换器的输出端连接电流积分器的输入端，电流积分器的输出端连接加法器的输入端；
温度传感器的输出端连接多项式发生器的输入端，多项式发生器的输出端连接加法器的另一输入端；加法器的输出端连接跨导/补偿放大器的输入端，跨导/补偿放大器的输出端连接石英表头中力矩器线圈的输入端连接，跨导/补偿放大器的输出端连接反馈网络的输入端，反馈网络的输出端连接跨导/补偿放大器的输入端。
2.根据权利要求1所述的一种温度补偿型石英挠性加速度计伺服电路，其特征在于，所述多项式函数发生器包括多次项发生单元、信号选择单元与多项加法器；
所述多次项发生单元用于产生温度传感器输出电压的一次、二次、三次多项式；
所述信号选择单元用于改变温度-输出特性函数中的误差补偿电压一次、二次、三次项系数的正负；
所述多项加法器用于将通过信号选择单元确定后的温度传感器输出电压一次、二次、三次多项式与误差补偿电压零次项相加后产生最终误差补偿电压。
3.根据权利要求2所述的一种温度补偿型石英挠性加速度计伺服电路，其特征在于，所述多次项发生单元包括第一模拟乘法器U1、第二模拟乘法器U2、第三精密运算放大器U3、第四精密运算放大器U4、第五精密运算放大器U5、第一电源电阻R01、第二电源电阻R02、电阻Ri1、电阻Ri2和电阻Ri3；
所述第一电源电阻R01的一端与正电源连接，第二电源电阻R02的一端与负电源连接，第一电源电阻R01的另一端与第二电源电阻R02的另一端连接，连接点电压为V0；
所述电阻Ri1、电阻Ri2和电阻Ri3的数量均为三个，所述电阻Ri1、电阻Ri2和电阻Ri3分别对应与第三精密运算放大器U3、第四精密运算放大器U4、第五精密运算放大器U5形成单倍反相放大单元；
所述第三精密运算放大器U3形成的单倍反相放大单元中，电阻Ri1的一端作为单倍反相放大单元输入端连接温度传感器的输出端，电阻Ri1的另一端分别连接电阻Ri3的一端和第三精密运算放大器U3的反相输入端，电阻Ri2的一端接地，电阻Ri2的另一端连接第三精密运算放大器U3的同相输入端，第三精密运算放大器U3的输出端连接电阻Ri3的另一端；
所述第一模拟乘法器U1的两个输入端连接温度传感器的输出端，第一模拟乘法器U1的输出端连接第二模拟乘法器U2的一个输入端，第二模拟乘法器U2的另一个输入端连接温度传感器的输出端；
所述第四精密运算放大器U4形成的单倍反相放大单元中，电阻Ri1的一端作为单倍反相放大单元输入端连接第一模拟乘法器U1的输出端，电阻Ri1的另一端分别连接电阻Ri3的一端和第四精密运算放大器U4的反相输入端，电阻Ri2的一端接地，电阻Ri2的另一端连接第四精密运算放大器U4的同相输入端，第四精密运算放大器U4的输出端连接电阻Ri3的另一端；
所述第五精密运算放大器U5形成的单倍反相放大单元中，电阻Ri1的一端作为单倍反相放大单元输入端连接第二模拟乘法器U2的输入端，电阻Ri1的另一端分别连接电阻Ri3的一端和第五精密运算放大器U5的反相输入端，电阻Ri2的一端接地，电阻Ri2的另一端连接第五精密运算放大器U5的同相输入端，第五精密运算放大器U5的输出端连接电阻Ri3的另一端。
4.根据权利要求3所述的一种温度补偿型石英挠性加速度计伺服电路，其特征在于，所述电阻Ri1、电阻Ri2和电阻Ri3的阻值相等。
5.根据权利要求2所述的一种温度补偿型石英挠性加速度计伺服电路，其特征在于，所述信号选择单元包括模拟开关U6；
所述温度传感器形成的输入信号Vtemp连接至模拟开关U6第一支路S11输入端；所述第三精密运算放大器U3输出端连接模拟开关U6第一支路S12输入端；
所述第一模拟乘法器U1输出端连接模拟开关U6第二支路S21输入端，第四精密运算放大器U4输出端连接至模拟开关U6第二支路S22输入端；
所述第二模拟乘法器U2输出端连接至模拟开关U6第三支路S31输入端，第五精密运算放大器U5输出端连接至模拟开关U6第三支路S32输入端。
6.根据权利要求2所述的一种温度补偿型石英挠性加速度计伺服电路，其特征在于，多项加法器包括零偏电阻R0、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、反馈电阻Rf和第七精密运算放大器U7；
所述零偏电阻R0的一端连接误差补偿电压零次项的输入端，零偏电阻R0的另一端连接第七精密运算放大器U7的反相输入端；所述第一电阻R1的一端连接误差补偿电压一次项的输入端，第一电阻R1的另一端连接第七精密运算放大器U7的反相输入端；所述第二电阻R2的一端连接误差补偿电压二次项的输入端，第二电阻R2的另一端连接第七精密运算放大器U7的反相输入端；所述第三电阻R3的一端连接误差补偿电压三次项的输入端，第三电阻R3的另一端连接第七精密运算放大器U7的反相输入端；
所述反馈电阻Rf的一端连接第七精密运算放大器U7的反相输入端，另一端连接第七精密运算放大器U7的输出端；
所述第四电阻R4的一端连接第七精密运算放大器U7的同相输入端，另一端接地。
7.根据权利要求1所述的一种温度补偿型石英挠性加速度计伺服电路，其特征在于，所述多项式函数发生器产生的补偿电压Vout的公式为：
Figure FDA0002989441380000041
式中，K0为温度误差目标补偿零次项系数、K1为温度误差目标补偿一次项系数、K2为温度误差目标补偿二次项系数、K3为温度误差目标补偿三次项系数，Vtemp为温度传感器的输出电压。
8.根据权利要求1所述的一种温度补偿型石英挠性加速度计伺服电路，其特征在于，所述温度传感器设置在石英挠性传感器外侧。
9.一种石英挠性加速度计，其特征在于，包括石英表头(1)和伺服控制电路(2)；
所述石英表头(1)包括石英摆片(3)、力矩器线圈(4)、第一电容极板(5)、表头外壳(6)、第二电容极板(7)和永磁体(8)；
所述表头外壳(6)内部设置有石英摆片(3)，石英摆片(3)的两侧分别对应设置有第一电容极板(5)和第二电容极板(7)，所述第一电容极板(5)和第二电容极板(7)之间间隙设置；石英摆片(3)上设置有力矩器线圈(4)，力矩器线圈(4)的两端设置有永磁体(8)；
所述伺服控制电路(2)包括差动电容转换器、电流积分器、跨导/补偿放大器、阻容反馈网络、温度传感器、多项式函数发生器和加法器；
所述第一电容极板(5)和第二电容极板(7)形成差动电容传感器，所述差动电容转换器的输入端连接石英表头(1)中差动传感器的输出端，差动电容转换器的输出端连接电流积分器的输入端，电流积分器的输出端连接加法器的输入端；
温度传感器的输出端连接多项式发生器的输入端，多项式发生器的输出端连接加法器的另一输入端；加法器的输出端连接跨导/补偿放大器的输入端，跨导/补偿放大器的输出端连接石英表头中力矩器线圈(4)的输入端连接，跨导/补偿放大器的输出端连接反馈网络的输入端，反馈网络的输出端连接跨导/补偿放大器的输入端。
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