CN113624993A - 一种加速度信号转换方法、伺服电路及石英挠性加速度计 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种加速度信号转换方法、伺服电路及石英挠性加速度计，包括以下步骤：接收石英表头的差动电容信号并转换为电压信号，将电压信号转换为数字信号；采集加速度计内部的温度场信息并转换为数字信号；对数字信号进行高阶非线性度和温度漂移系数校准补偿，得到加速度数字信号，将加速度数字信号经串口引出对外输出，完成加速度信号转换，并将输出数字信号转换为模拟信号，经放大和补偿后接入反馈回路，形成闭环控制系统。本发明可以极大程度缩小惯性测量系统的体积，并且有效提升其检测精度，而且避免了长线传输，减少了噪声干扰，其中温度信息和电压信号转化成数字信号后进行校准补偿，可大幅提升加速度计输出精度，增加零偏稳定性。
Description
技术领域
本发明属于加速度计领域，具体属于一种加速度信号转换方法、伺服电路及石英挠性加速度计。
背景技术
加速度计作为惯性导航系统、振动检测和重力场测量的核心器件，在航空航天、军用武器装备和工业自动控制领域有着十分重要的地位。其中，石英挠性加速度计以其高分辨率和高稳定性的特点，被广泛应用于惯性导航与制导控制领域。石英挠性加速度计采用力平衡原理实现高精度加速度信号检测。该类加速度计主要由石英表头和伺服控制电路两部分组成。其中，伺服控制电路采用混合集成工艺制造，其输出信号为与加速度成正比的模拟电流信号。
惯性测量系统通过石英挠性加速度计进行加速度检测后，需通过长线传输由模/数转换模块将其检测到的电流信号转换为数字信号以供后级计算机处理。目前，应用于惯性测量系统的模/数转换方案主要包括电流-频率转换和直接A/D转换两种。其中，电流/频率转换方案采用电荷平衡原理将加速度计输出的电流信号转换为数字脉冲信号，该方案具有转换速度快和精度高的特点，但其结构复杂，需占用额外空间，从而导致测量系统的体积增加。直接A/D转换方案通过A/D转换单元将加速度计输出的电流信号转换为数字信号，该方案输出精度较低，且噪声干扰难以控制。上述两种方案均在一定程度上降低了系统的响应时间，噪声干扰较大，而且导致测控系统的体积增加，不符合惯性测量系统小型化和高精度的发展需求。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种加速度信号转换方法、伺服电路及石英挠性加速度计，解决目前惯性测量系统经过加速度检测后，需通过长线传输配合模/数转换模块对加速度信号进行数据转换，导致系统的响应时间降低，噪声干扰较大的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种加速度信号转换方法，包括以下步骤：
接收石英表头的差动电容信号并转换为电压信号，将电压信号转换为数字信号；
采集加速度计内部的温度场信息并转换为数字信号；
对数字信号进行高阶非线性度和温度漂移系数校准补偿，得到加速度数字信号，将加速度数字信号经串口引出对外输出，完成加速度信号转换。
进一步的，得到加速度数字信号后，还包括以下步骤：
将加速度数字信号转换为模拟电压信号；
将模拟电压信号进行处理得到加速度电压信号的正负极性，调节处理后的加速度电压信号值；
将调节完成的加速度电压信号进行放大并转换为加速度电流信号，将加速度电流信号输入石英表头。
本发明还提供一种加速度信号转换方法的伺服电路，包括电容/电压转换电路、模拟/数字转换器、微控制单元和温度传感器，
所述电容/电压转换电路用于接收石英表头的差动电容信号并转换为电压信号；
所述模拟数字转换器用于接收电压信号，将电压信号转换为数字信号；
所述温度传感器用于采集加速度计的温度信息并传输至温度模拟/数字转换器中，温度模拟/数字转换器用于将温度信息转换为温度信息数字信号；
所述微控制单元用于对数字信号的高阶非线性度和温度漂移进行校准补偿，得到高精度加速度数字信号，微控制单元的输出端连接串行总线接口。
进一步的，所述微控制单元的输入端还连接有逻辑控制模块和带电可擦可编程只读存储器，所述逻辑控制模块和带电可擦可编程只读存储器分别用于对加速计的寄存器及校准补偿系数进行配置。
进一步的，所述模拟/数字转换器采用24位模拟/数字转换器，所述温度模拟/数字转换器采用24位温度模拟/数字转换器。
进一步的，所述电容/电压转换电路包括依次连接的激励信号发生电路、交流信号放大电路、相控整流电路和低通滤波电路；
所述激励信号发生电路用于产生激励信号并将激励信号加到差动电容信号上生成交流信号；
所述交流信号放大电路用于放大交流信号，所述相控整流电路用于接收放大后的交流信号并对交流信号进行整流，所述低通滤波电路用于对整流后的信号进行滤波得到直流电压信号。
进一步的，所述微控制单元输出的加速度数字信号通过串行外设接口或双向二线制同步串行总线接口读取。
进一步的，所述微控制单元的输出端还连接有24位数/模转换器，所述24位数/模转换器用于将加速度数字信号转换为加速度电压信号，所述24位数/模转换器还连接至减法器的输入端，所述减法器用于处理加速度电压信号得到加速度电压信号的正负极性，所述减法器的输出端依次连接有比例-积分-微分控制器和跨导放大器，所述比例-积分-微分控制器用于调节加速度电压信号值，所述跨导放大器用于放大加速度电压信号并将加速度电压信号转换为加速度电流信号。
本发明还提供一种石英挠性加速度计，包括石英表头和上述的一种加速度信号转换方法的伺服电路，所述转换电路和石英表头的差动电容传感器连接。
进一步的，所述石英表头还包括力矩器线圈，所述伺服电路还包括24位数/模转换器，所述24位数/模转换器的输入端和微控制单元的输出端连接，所述24位数/模转换器还连接至减法器的输入端，所述减法器的输出端依次连接有比例-积分-微分控制器和跨导放大器，所述跨导放大器的输出端连接至力矩器线圈的输入端。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明提供了一种加速度信号转换方法，在实现石英表头的差动电容信号检测的同时，还能够将检测到的差动电容以及温度信息直接转换为高精度加速度数字信号，不同于传统模拟输出型加速度计伺服电路，本发明的加速度信号转换方法能够直接输出加速度数字信号供后级计算机使用，无需额外增加模/数转换模块，接收到电容信号和温度信息直接进行转换，可以极大程度缩小惯性测量系统的体积，并且有效提升其检测精度，而且避免了长线传输，减少了噪声干扰，其中温度信息和电压信号转化成数字信号后进行校准补偿，可大幅提升加速度计输出精度，增加零偏稳定性。
进一步的，输出的加速度数字信号能够转换为模拟信号，进而转化为电流信号，电流信号作为反馈电流，实现闭环控制。通过反馈电流调节使得石英表头内部摆片处于力平衡状态。反馈系统设置校准补偿网络，用于调节输出动态特性，以满足系统性能指标要求。
本发明还提供一种加速度信号转换方法的伺服电路，该电路集成了差动电容检测、电容电压转换、模/数转换、数字逻辑控制和数/模转换功能，具备高精度加速度信号数字转换能力。而且其输出的数字信号可直接通过串口读取，应用于后级计算机，无需后续电流-频率或模/数转换模块处理，解决了长线传输带来的噪声干扰和响应时间长的问题。而且该电路内置高精度温度传感器和一个TADC构成辅助温度测量通道，通过内置微控制单元进行非线性拟合计算，可以实现温度测量、温漂补偿和高阶非线性校准补偿，可大幅提升加速度计输出精度，增加零偏稳定性。
进一步的，逻辑控制模块和带电可擦可编程只读存储器能够分别对加速计的寄存器及校准补偿系数进行配置，使校准精度达到0.001。
进一步的，24位模拟/数字转换器和24位温度模拟/数字转换器保证了加速度数字信号的输出精度。
进一步的，通过激励信号发生电路产生激励信号，将该信号加到差动电容上，产生与该电容成正比的交流信号，通过放大、整流和滤波后得到与差动电容相对应的直流电压。
进一步的，该电路内置24位数/模转换器，可以将输出的数字信号转换为模拟信号，进而接入伺服回路反馈系统，实现石英挠性加速度计闭环控制。通过反馈电流调节使得石英表头内部摆片处于力平衡状态。反馈系统设置校准补偿网络，用于调节输出动态特性，以满足系统性能指标要求。
本发明还提供一种石英挠性加速度计，高精度数字输出型闭环控制石英挠性加速度计伺服电路与石英表头连接，可以实现运动载体的加速度信号检测。不同于传统模拟输出型加速度计伺服电路，本发明所述电路可以直接输出加速度数字信号供后级计算机使用，无需额外增加模/数转换模块，可以极大程度缩小惯性测量系统的体积，并且有效提升其检测精度。
进一步的，通过微控制单元连接的24位数/模转换器，能够将加速度数字信号进行转换，作为反馈回路的输入信号，将石英表头内部摆片拉回平衡位置，实现加速度传感器的闭环控制。
附图说明
图1为本发明中高精度数字输出型闭环控制石英挠性加速度计伺服电路原理框图；
图2为电容/电压转换电路原理框图；
附图中：1-石英表头，2-伺服电路，3-第一电容极板，4-第二电容极板，5-力矩器线圈。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明提供了一种高精度数字输出型闭环控制石英挠性加速度计伺服电路，该电路具有直接数字输出功能，其中，该电路集成了差动电容检测、电容电压转换、A/D转换(模/数转换)、数字逻辑控制和D/A转换(数/模转换)功能，具备高精度加速度信号数字转换能力。其输出数字信号可直接通过SPI或I2C串口读取，应用于后级计算机，无需后续电流-频率或模/数转换模块处理。而且，本发明的伺服电路还具备闭环控制功能，该电路内置24位数/模转换器DAC，可以将输出的数字信号转换为模拟信号，进而接入伺服回路反馈系统，实现石英挠性加速度计闭环控制。通过反馈电流调节使得石英表头内部摆片处于力平衡状态。反馈系统设置校准补偿网络，用于调节输出动态特性，以满足系统性能指标要求。同时，本发明输出的加速度数字信号具备高精度的优点，该电路内置高精度温度传感器和一个24位TADC温度模拟/数字转换器构成辅助温度测量通道，通过内置微控制单元MCU进行非线性拟合计算，可以实现温度测量、温漂补偿和高阶非线性校准补偿，可大幅提升加速度计输出精度，增加零偏稳定性。
在本实施例中，高精度数字输出型闭环控制石英挠性加速度计伺服电路包括C/V转换电路(电容/电压转换电路)、模拟/数字转换器ADC、微控制单元MCU和温度传感器。
C/V转换电路用于接收石英表头的差动电容信号并转换为电压信号，C/V转换电路的输出端连接24位ADC的输入端，24位ADC的输出端连接MCU的输入端；温度传感器采集加速度计内部的温度场信息，温度传感器的输出端连接24位TADC，24位TADC的输出端连接MCU，经过MCU对数字信号进行校准补偿，MCU输出加速度数字信号，在本实施例中，MCU的输入端连接带电可擦可编程只读存储器EEPROM和逻辑控制模块，通过内置的逻辑控制和EEPROM对加速度计的寄存器及校准补偿系数进行配置，完成校准补偿过程。
上述过程获得的加速度数字信号能够直接通过SPI或I2C串口读取，供后级计算机使用。
此外，MCU的输出端还连接有24位数/模转换器DAC，24位DAC的输出端连接减法器的输入端，减法器的输出端依次连接比例-积分-微分控制器(PID控制器)和跨导放大器，跨导放大器的输出端和石英表头的力矩器线圈连接。
具体的，将本发明的伺服电路与石英表头匹配连接后装入惯性测量系统中，当外界产生加速度时，石英表头内部摆片离开平衡位置，产生差动电容△C，其大小如下式所述：
△C＝C1-C2
式中，C1和C2分别为石英表头中第一电容极板和第二电容极板的电容；
内部C/V转换电路接收到差动电容信号并将其转换为电压信号。C/V转换电路原理如图2所示，主要包括激励信号发生电路，即激励信号发生器、交流信号放大电路、相控整流电路和低通滤波电路。通过激励信号发生电路中的正弦信号发生器产生激励信号，当接收到差动电容信号时，将激励信号加到差动电容上，产生与电容信号成正比的交流信号，通过放大、整流和滤波后得到与差动电容相对应的直流电压信号。
通过内置24位高精度ADC将C/V转换后得到的电压信号转换为数字信号。与此同时，通过内置温度传感器对加速度计进行温度信息采集，采用24位高精度TADC进行温度信息的数据转换，将温度传感器的温度信息转换为温度信息数字信号。MCU接收到数字信号后，基于MCU内置的非线性拟合校准算法对温度漂移和高阶非线性度进行校准补偿，校准补偿精度可以达到0.001。其中，基于逻辑控制和EEPROM对加速度计的寄存器及校准补偿系数进行配置。
上述过程获得的加速度数字信号可以直接通过SPI或I2C串口读取，供后级计算机使用。此外，在24位MCU数字信号输出端接入24位高精度DAC对加速度数字信号进行转换，获得0～5V的输出电压，即加速度电压信号，用作反馈回路的输入信号，其中反馈回路包括依次连接的减法器、PID控制器和跨导放大器。反馈回路通过电压比较和减法电路体现加速度电压信号的正负极性。通过PID控制器调节反馈信号的大小，经过跨导放大器放大电压信号并进行转换得到电流信号，电流信号输入石英表头，实现加速度传感器的闭环控制。
在本实施例中，伺服电路采用厚膜混合集成工艺制造，将图1所述C/V转换电路、ADC、TADC、MCU、DAC集成芯片和反馈回路运算放大器芯片以及片式电阻电容通过绝缘胶粘接、再流焊以及金丝键合等微组装工艺连接到印刷了金属导体及厚膜电阻的陶瓷基板上，实现电路的高密度组装。
在本发明的另一实施例中，基于高精度数字输出型闭环控制石英挠性加速度计伺服电路，还提供一种加速度信号转换方法，包括以下步骤：转换电路接收石英表头的差动电容信号并转换为电压信号，模拟数字转换器接收电压信号后，将电压信号转换为数字信号，数字信号传输至MCU中；同时，温度传感器采集加速度计的温度信息并传输至TADC中，TADC将温度信息转换为温度信息数字信号并传输至MCU；MCU将对数字信号的高阶非线性度和温度漂移进行校准补偿，得到加速度数字信号，加速度数字信号经SPI或I2C串口读取，供后级计算机使用。
进一步的，MCU的输出端还连接有24位DAC，24位DAC将加速度数字信号转换为加速度电压信号并将加速度电压信号传输至减法器，减法器通过电压比较和减法电路处理加速度电压信号得到加速度电压信号的正负极性，PID控制器接收减法器传输的加速度电压信号并调节加速度电压信号的大小，接着将加速度电压信号送至跨导放大器，跨导放大器放大加速度电压信号并将加速度电压信号转换为加速度电流信号从而输入石英表头的力矩器线圈。
在本发明的另一实施例中，本发明还提供一种石英挠性加速度计，包括石英表头1和上述的伺服电路2，其中伺服电路2中的C/V转换电路和石英表头1的第一电容极板3以及第二电容极板4连接，第一电容极板3和第二电容极板4组成差动电容传感器；伺服电路1中的跨导放大器的输出端连接至石英表头中力矩器线圈5的输入端上。
与传统模拟输出型石英挠性加速度计伺服电路相比，本发明所设计的数字输出型闭环控制石英挠性加速度计伺服电路，在不改变电路大小的基础上通过内置ADC、MCU、逻辑控制电路和EEPROM的设计可以直接输出数字信号供后级计算机使用，其内置EEPROM可进行多次读写配置。通过温度补偿、零偏校准和非线性补偿实现高精度信号处理。通过闭环控制匹配不同石英表头，从而消除机械表头制造过程带来的差异。采用混合集成工艺将电路集成在Φ25.4mm的封装体内，减小了加速度检测系统所占的物理空间。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求所述的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种加速度信号转换方法，其特征在于，包括以下步骤：
接收石英表头的差动电容信号并转换为电压信号，将电压信号转换为数字信号；
采集加速度计内部的温度场信息并转换为数字信号；
对数字信号进行高阶非线性度和温度漂移系数校准补偿，得到加速度数字信号，将加速度数字信号经串口引出对外输出，完成加速度信号转换。
2.根据权利要求1所述的一种加速度信号转换方法，其特征在于，得到加速度数字信号后，还包括以下步骤：
将加速度数字信号转换为模拟电压信号；
将模拟电压信号进行处理得到加速度电压信号的正负极性，调节处理后的加速度电压信号值；
将调节完成的加速度电压信号进行放大并转换为加速度电流信号，将加速度电流信号输入石英表头。
3.实现权利要求1和2任意一项所述的一种加速度信号转换方法的伺服电路，其特征在于，包括电容/电压转换电路、模拟/数字转换器、微控制单元和温度传感器，
所述电容/电压转换电路用于接收石英表头的差动电容信号并转换为电压信号；
所述模拟数字转换器用于接收电压信号，将电压信号转换为数字信号；
所述温度传感器用于采集加速度计的温度信息并传输至温度模拟/数字转换器中，温度模拟/数字转换器用于将温度信息转换为温度信息数字信号；
所述微控制单元用于对数字信号的高阶非线性度和温度漂移进行校准补偿，得到高精度加速度数字信号，微控制单元的输出端连接串行总线接口。
4.根据权利要求3所述的一种加速度信号转换方法的伺服电路，其特征在于，所述微控制单元的输入端还连接有逻辑控制模块和带电可擦可编程只读存储器，所述逻辑控制模块和带电可擦可编程只读存储器分别用于对加速计的寄存器及校准补偿系数进行配置。
5.根据权利要求3所述的一种加速度信号转换方法的伺服电路，其特征在于，所述模拟/数字转换器采用24位模拟/数字转换器，所述温度模拟/数字转换器采用24位温度模拟/数字转换器。
6.根据权利要求3所述的一种加速度信号转换方法的伺服电路，其特征在于，所述电容/电压转换电路包括依次连接的激励信号发生电路、交流信号放大电路、相控整流电路和低通滤波电路；
所述激励信号发生电路用于产生激励信号并将激励信号加到差动电容信号上生成交流信号；
所述交流信号放大电路用于放大交流信号，所述相控整流电路用于接收放大后的交流信号并对交流信号进行整流，所述低通滤波电路用于对整流后的信号进行滤波得到直流电压信号。
7.根据权利要求3所述的一种加速度信号转换方法的伺服电路，其特征在于，所述微控制单元输出的加速度数字信号通过串行外设接口或双向二线制同步串行总线接口读取。
8.根据权利要求3所述的一种加速度信号转换方法的伺服电路，其特征在于，所述微控制单元的输出端还连接有24位数/模转换器，所述24位数/模转换器用于将加速度数字信号转换为加速度电压信号，所述24位数/模转换器还连接至减法器的输入端，所述减法器用于处理加速度电压信号得到加速度电压信号的正负极性，所述减法器的输出端依次连接有比例-积分-微分控制器和跨导放大器，所述比例-积分-微分控制器用于调节加速度电压信号值，所述跨导放大器用于放大加速度电压信号并将加速度电压信号转换为加速度电流信号。
9.一种石英挠性加速度计，其特征在于，包括石英表头(1)和权利要求3-8任意一项所述的一种加速度信号转换方法的伺服电路(2)，所述转换电路和石英表头(1)的差动电容传感器连接。
10.根据权利要求9所述的一种石英挠性加速度计，其特征在于，所述石英表头还包括力矩器线圈(5)，所述伺服电路(1)还包括24位数/模转换器，所述24位数/模转换器的输入端和微控制单元的输出端连接，所述24位数/模转换器还连接至减法器的输入端，所述减法器的输出端依次连接有比例-积分-微分控制器和跨导放大器，所述跨导放大器的输出端连接至力矩器线圈的输入端。
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