CN114994366A - 一种温度补偿型石英振梁加速度计控制电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种温度补偿型石英振梁加速度计控制电路，本发明将温度传感器采集到的石英振梁加速度计内部原始温度场变换为温度补偿电压，与多谐振荡器、F/V转换器检测到的原始加速度信息通过加法器进行融合后，通过V/F转换器输出温度补偿后的频率信号。本发明可实现对石英振梁加速度计零偏、标度因数温度系数的综合补偿，本发明还可以通过改变F/V转换器、V/F转换器和加法器转换系数来调整石英振梁加速度计零偏和标度因数。本发明可广泛应用于飞行器自主导航、石油随钻测斜系统以及微重力场测量等军事民生领域，具有极大的经济、社会效益。本发明可应用于其他类型振梁加速度计控制，具有普遍适用性。
Description
技术领域
本发明属于惯性测量领域，具体涉及一种温度补偿型石英振梁加速度计控制电路。
背景技术
振梁加速度计是一种基于机械谐振原理的加速度计，通过检测谐振梁随外界输入加速度的频率变化实现对加速度的测量，通常谐振梁臂材料为石英或硅。由于石英材料本身的力学与温度特性更加稳定优良，目前高精度振梁加速度计主要以石英振梁加速度计为主流。典型的石英振梁加速度计基于石英压电效应进行激励与检测，其基本特征是输出频率信号，不需要进行模拟信号处理和数字转换，可直接用于后级数字系统之中。其抗干扰能力较强、量程大、体积小，可广泛应用于飞行器惯性自主导航、地质随钻测斜以及微重力场测量等国防民生领域。
温度应力会造成结构件机械形变，粘接剂性能变化以及电子元器件参数漂移，从而影响石英振梁加速度计输出精度。因此，改善石英振梁加速度计输出温度特性，对于提升其性能具有实际工程价值。目前，降低温度应力对加速度计输出影响的方法包括温度控制与温度补偿。温度控制即利用温度控制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，该方法会增加系统体积、功耗及成本；温度补偿即通过环境温度应力试验，建立加速度计温度误差补偿模型，从而构建加速度计输出补偿函数。现阶段主流的温度补偿方案主要分为软件补偿和硬件补偿。软件补偿即在数字处理系统中使用算法对加速度计输出进行补偿，但是数字处理系统需要使用大量外围电子元器件，极大程度增加了补偿成本；硬件补偿的方案主要通过寻找影响加速度计精度的主要因素，增加有源或无源补偿元件，从而对加速度计输出进行温度补偿。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种温度补偿型石英振梁加速度计控制电路，可实现对石英振梁加速度计零偏、标度因数等进行综合补偿，此外，本发明可通过改变F/V转换器、V/F转换器和加法器转换系数，对加速度计零位、标度因数进行调节。
为了达到上述目的，本发明包括多谐振荡器，多谐振荡器与石英表头连接，多谐振荡器的输出端连接整形驱动，整形驱动连接F/V转换器，F/V转换器与加法器的一个信号输入端连接，加法器的另一个信号输入端连接温度传感器，加法器的输出端连接V/F转换器，V/F转换器的信号输出端作为石英振梁加速度计的信号输出端。
多谐振荡器包括设置在石英梁臂的两个引出端，一个引出端连接电阻R1的一端和反相器G1的输入端，另一个引出端连接电阻R3的一端和电阻R4的一端，电阻R1的另一端和反相器G1的输出端均连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接反相器G2的输入端和电阻R3的另一端，电阻R3并联有电容C1，反相器G2的输出端和电阻R4的另一端连接整形驱动。
整形驱动包括串联的反相器G3和反相器G4，反相器G3的输入端连接多谐振荡器的输出端，反相器G4的输出端连接F/V转换器。
F/V转换器包括比较器U1，比较器U1的正向输入端连接电压，比较器U1的反向输入端连接输入信号，比较器U1的输出端连接单稳态触发器U2，单稳态触发器U2连接开关S2，开关S2的一端连接恒流源A1，另一端连接积分器或输出端。
积分器包括运算放大器U3，运算放大器U3的同相输入端接地，运算放大器U3的反相输入端连接开关S1、电容Cint1的一端和电阻Rint1的一端，电容Cint1的另一端和电阻Rint1的另一端均连接运算放大器U3的输出端。
V/F转换器包括积分器，积分器连接输入端，积分器连接开关S2的一端，开关S2的一端还连接比较器U5的反相输入端，开关S2的另一端连接恒流源A2，积分器的输入端连接比较器U5的反相输入端，比较器U5的同相输入端连接电压，比较器U5的输出端连接单稳态触发器U6，单稳态触发器U6，单稳态触发器U6控制开关S2，单稳态触发器U6的输出端作为V/F转换器的输出端。
积分器包括运算放大器U4，运算放大器U4的同相输入端接地，运算放大器U4的反相输入端连接电阻Rint2的一端、电容Cint2的一端和开关S2，电阻Rint2的另一端连接输入端，电容Cint2的另一端和运算放大器U4的输出端连接比较器U5的反相输入端。
石英表头中石英梁臂振荡的谐振频率为：
f1＝f0(1+ainF)
其中，f0为外界加速度ain为0时石英梁臂的振荡频率，F为加速度频率转换系数。
与现有技术相比，本发明将温度传感器采集到的石英振梁加速度计内部原始温度场变换为温度补偿电压，与多谐振荡器、F/V转换器检测到的原始加速度信息通过加法器进行融合后，通过V/F转换器输出温度补偿后的频率信号。本发明可实现对石英振梁加速度计零偏、标度因数温度系数的综合补偿，本发明还可以通过改变F/V转换器、V/F转换器和加法器转换系数来调整石英振梁加速度计零偏和标度因数。本发明可广泛应用于飞行器自主导航、石油随钻测斜系统以及微重力场测量等军事民生领域，具有极大的经济、社会效益。本发明可应用于其他类型振梁加速度计控制，具有普遍适用性。
附图说明
图1为本发明的电路原理框图；
图2为本发明中多谐振荡器和整形驱动原理图；
图3为本发明中F/V转换器原理图；
图4为本发明中V/F转换器原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1，本发明包括多谐振荡器，多谐振荡器与石英表头连接，多谐振荡器的输出端连接整形驱动，整形驱动连接F/V转换器，F/V转换器与加法器的一个信号输入端连接，加法器的另一个信号输入端连接温度传感器，加法器的输出端连接V/F转换器，V/F转换器的信号输出端作为石英振梁加速度计的信号输出端。
当外界沿着石英振梁加速度计敏感轴向存在加速度计ain作用时，石英表头检测质量将输入加速度转化成对石英梁臂的作用力，沿着梁臂的单自由度方向上作用力使一个石英梁臂处于张力，其固有振荡频率升高，另一个梁臂处于压力，其固有振荡频率降低。石英表头中石英梁臂振荡的谐振频率为：
f1＝f0(1+ainF)
其中，f0为外界加速度ain为0时石英梁臂的振荡频率，F为加速度频率转换系数。
参见图2，多谐振荡器包括设置在石英梁臂的两个引出端，一个引出端连接电阻R1的一端和反相器G1的输入端，另一个引出端连接电阻R3的一端和电阻R4的一端，电阻R1的另一端和反相器G1的输出端均连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接反相器G2的输入端和电阻R3的另一端，电阻R3并联有电容C1，反相器G2的输出端和电阻R4的另一端连接整形驱动。整形驱动包括串联的反相器G3和反相器G4，反相器G3的输入端连接多谐振荡器的输出端，反相器G4的输出端连接F/V转换器。反相器G1、反相器G2、电容C1、电阻R1～电阻R4形成正反馈振荡电路，反相器G1和反相器G2形成360°相移，维持石英梁臂的稳定振荡。反相器G3和反相器G4用于对振荡波形进行整形，同时为后级F/V转换器提供足够的信号驱动能力。整形驱动单元输出的频率信号低电平为0V，高电平为5V。
参见图3，F/V转换器包括比较器U1，比较器U1的正向输入端连接电压，比较器U1的反向输入端连接输入信号，比较器U1的输出端连接单稳态触发器U2，单稳态触发器U2连接开关S2，开关S2的一端连接恒流源A1，另一端连接积分器或输出端。积分器包括运算放大器U3，运算放大器U3的同相输入端接地，运算放大器U3的反相输入端连接开关S1、电容Cint1的一端和电阻Rint1的一端，电容Cint1的另一端和电阻Rint1的另一端均连接运算放大器U3的输出端。
当F/V转换器输入信号fin电压小于2.5V时，比较器U1输出高电平，单稳态触发器U2被触发(触发时间为ton1)，模拟开关S1向左侧闭合，恒流源A1(电流幅值为a1)向积分器电容Cint1充电，充电时间为ton1；单稳态触发器U2触发时间结束后，模拟开关S1向右侧闭合，恒流源A1通过电阻Rint1向积分器电容Cint1放电。一个周期内(t＝1/fin)，电容Cint1上的充电电荷与Rint1向Cint1的放电电荷保持平衡，使电容Cint1两端电压保证稳定。因此，F/V转换器输出电压为：
Vout＝ton·a1·Rint1·fin＝KFV·fin (2)
式中KFV为F/V转换器转换系数。
温度传感器将采集到的温度场信息转换为为电压电压Vtemp＝KT·T，KT为温度传感器转换系数，电压Vtemp与F/V转换器输出电压Vout经过加法器产生综合控制电压：
Vcon＝Kp·(Vout+Vtemp)＝Kp·(Vout+KT·T) (3)
式中Kp为加法器增益。
参见图4，V/F转换器包括积分器，积分器连接输入端，积分器连接开关S2的一端，开关S2的一端还连接比较器U5的反相输入端，开关S2的另一端连接恒流源A2，积分器的输入端连接比较器U5的反相输入端，比较器U5的同相输入端连接电压，比较器U5的输出端连接单稳态触发器U6，单稳态触发器U6，单稳态触发器U6控制开关S2，单稳态触发器U6的输出端作为V/F转换器的输出端。
积分器包括运算放大器U4，运算放大器U4的同相输入端接地，运算放大器U4的反相输入端连接电阻Rint2的一端、电容Cint2的一端和开关S2，电阻Rint2的另一端连接输入端，电容Cint2的另一端和运算放大器U4的输出端连接比较器U5的反相输入端。
转换开始时，输入电压Vcon经过电阻Rint2对电容Cint2充电，充电电流为：
当运算放大器U4输出下降到-1.0V时，比较器U5输出高电平，单稳态触发器U6被触发(触发时间为ton2)，模拟开关S2向左侧闭合，恒流源A2(电流幅值为a2)与输入电压共同作用，以电流(a2-Iin)向积分器电容Cint2放电，放电时间为ton2，此时电压变化量：
单稳态触发器U5触发时间结束后，模拟开关S2向左侧闭合，转换器开始下一个积分周期，反复形成自激振荡。
根据公式(4)和(5)，电容充电时间为
综上，V/F转换器输出频率为：
式中KVF为V/F转换器转换系数。
综合公式(1)、(2)、(3)和(7)，则有：
fout＝KVFKp[KFVf0(1+ainF)+KTT] (8)
fout＝KVFKpKFVf0+(KVFKpKFVf0F)ain+KVFKpKTT (9)
fout＝fos+KSFain+KTFT (10)
式中fos＝KVFKpKFVf0，为振梁加速度计输出零偏；KSF＝KVFKpKFVf0F，为振梁加速度计标度因数；KTF＝KVFKpKT，为振梁加速度计温度-频率转换系数。
综上，本发明的温度补偿型石英振梁加速度计控制电路频率输出中包含外界输出加速度和内部温度场信息，同时通过改变F/V转换器、V/F转换器以及加法器转换系数来调整加速度计的零偏和标度因数。
Claims (8)
1.一种温度补偿型石英振梁加速度计控制电路，其特征在于，包括多谐振荡器，多谐振荡器与石英表头连接，多谐振荡器的输出端连接整形驱动，整形驱动连接F/V转换器，F/V转换器与加法器的一个信号输入端连接，加法器的另一个信号输入端连接温度传感器，加法器的输出端连接V/F转换器，V/F转换器的信号输出端作为石英振梁加速度计的信号输出端。
2.根据权利要求1所述的一种温度补偿型石英振梁加速度计控制电路，其特征在于，多谐振荡器包括设置在石英梁臂的两个引出端，一个引出端连接电阻R1的一端和反相器G1的输入端，另一个引出端连接电阻R3的一端和电阻R4的一端，电阻R1的另一端和反相器G1的输出端均连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接反相器G2的输入端和电阻R3的另一端，电阻R3并联有电容C1，反相器G2的输出端和电阻R4的另一端连接整形驱动。
3.根据权利要求1所述的一种温度补偿型石英振梁加速度计控制电路，其特征在于，整形驱动包括串联的反相器G3和反相器G4，反相器G3的输入端连接多谐振荡器的输出端，反相器G4的输出端连接F/V转换器。
4.根据权利要求1所述的一种温度补偿型石英振梁加速度计控制电路，其特征在于，F/V转换器包括比较器U1，比较器U1的正向输入端连接电压，比较器U1的反向输入端连接输入信号，比较器U1的输出端连接单稳态触发器U2，单稳态触发器U2连接开关S2，开关S2的一端连接恒流源A1，另一端连接积分器或输出端。
5.根据权利要求4所述的一种温度补偿型石英振梁加速度计控制电路，其特征在于，积分器包括运算放大器U3，运算放大器U3的同相输入端接地，运算放大器U3的反相输入端连接开关S1、电容Cint1的一端和电阻Rint1的一端，电容Cint1的另一端和电阻Rint1的另一端均连接运算放大器U3的输出端。
6.根据权利要求1所述的一种温度补偿型石英振梁加速度计控制电路，其特征在于，V/F转换器包括积分器，积分器连接输入端，积分器连接开关S2的一端，开关S2的一端还连接比较器U5的反相输入端，开关S2的另一端连接恒流源A2，积分器的输入端连接比较器U5的反相输入端，比较器U5的同相输入端连接电压，比较器U5的输出端连接单稳态触发器U6，单稳态触发器U6，单稳态触发器U6控制开关S2，单稳态触发器U6的输出端作为V/F转换器的输出端。
7.根据权利要求6所述的一种温度补偿型石英振梁加速度计控制电路，其特征在于，积分器包括运算放大器U4，运算放大器U4的同相输入端接地，运算放大器U4的反相输入端连接电阻Rint2的一端、电容Cint2的一端和开关S2，电阻Rint2的另一端连接输入端，电容Cint2的另一端和运算放大器U4的输出端连接比较器U5的反相输入端。
8.根据权利要求1所述的一种温度补偿型石英振梁加速度计控制电路，其特征在于，石英表头中石英梁臂振荡的谐振频率为：
f1＝f0(1+ainF)
其中，f0为外界加速度ain为0时石英梁臂的振荡频率，F为加速度频率转换系数。
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