CN115932326B - 一种石英挠性加速度计伺服电路 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种石英挠性加速度计伺服电路。石英挠性加速度计包括传感器、力矩器、调制解调电路、功率放大电路和校正网络电路；传感器用于接收加速度信号后输出电容信号至调制解调电路；调制解调电路用于将电容信号转为电压信号，发送到功率放大电路；功率放大电路用于电压信号放大，将放大的电压信号加到力矩器高端，并发到校正网络电路；校正网络电路用于将放大的电压信号校正，并将校正的电压信号反馈回调制解调电路；调制解调电路用于校正的电压信号调理电压信号；力矩器用于将施加到力矩器高端的电压信号传递给力矩器低端，输出电流信号，并确定石英挠性加速度计中的加速度大小。本申请能够提高石英挠性加速度计的动态平衡率。

Description

一种石英挠性加速度计伺服电路

技术领域

本申请涉及信号处理和自动控制技术领域，尤其涉及一种石英挠性加速度计伺服电路。

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，且以石英挠性加速度计为核心的惯性导航系统在工作时不受无线电波的干扰，也不受气候和磁差的影响，而且具有结构简单、体积小、精度和灵敏度高、稳定性好、功耗小、成本低等特点，不仅可广泛地应用于航天、航空、惯性导航等领域，而且越来越多的应用在石油、建筑等多个民用领域，潜在需求量较大，具有巨大的社会效益和经济效益。随着我国经济的高速发展，石英挠性加速度计在倾斜仪、水平仪、石油测井、隧道开凿、精密惯性定位测量、地质监测、自然灾害预防等方面的需求量逐年增加，尤其是在野外作业，急需低功耗、低噪声、满足高温185摄氏度的加速度计。

但是，现有技术中加速度计的启动过程漂移过大，尤其是低温状态下的启动成为制约武器装备快速启动的关键指标，通过分析，低温下主要是由于消耗电流过大而导致石英挠性加速度计发热过大，其温度平衡时间较长。由于石英挠性加速度计对温度有一定的敏感性，温度系数小的产品可以满足要求，但是温度系数大的产品基本上很难满足。

发明内容

本申请提供了一种石英挠性加速度计伺服电路，以解决现有技术中由于消耗电流过大导致石英挠性加速度计平衡时间较长的问题。

第一方面，本申请提供了一种石英挠性加速度计伺服电路，所述石英挠性加速度计包括表头和伺服电路，所述表头包括传感器和力矩器；所述伺服电路包括调制解调电路、功率放大电路和校正网络电路；

所述调制解调电路的第一端与所述传感器连接，所述调制解调电路的第二端与所述功率放大电路的第一端连接，所述调制解调电路的第三端与所述校正网络电路的第一端连接，所述功率放大电路的第二端分别与所述力矩器和所述校正网络电路的第二端连接；

所述传感器用于在接收到加速度信号后输出电容信号至所述调制解调电路；

所述调制解调电路用于将所述电容信号转换为电压信号，并将所述电压信号发送到所述功率放大电路；

所述功率放大电路用于将所述电压信号进行功率放大，将放大后的电压信号施加到所述力矩器高端，并将放大后的电压信号发送到所述校正网络电路；

所述校正网络电路用于将放大后的电压信号进行校正，并将校正后的电压信号反馈回所述调制解调电路；

所述调制解调电路还用于基于校正后的电压信号调理所述电容信号转换的电压信号；

所述力矩器用于将施加到所述力矩器高端的电压信号传递给所述力矩器低端，输出电流信号，并根据所述电流信号，确定所述石英挠性加速度计中的加速度大小。

本申请提供一种石英挠性加速度计伺服电路，通过调制解调电路将表头的电容信号转换为电压信号，再通过功率放大电路对电压信号进行放大并施加到表头的力矩器高端，并通过力矩器高端传递到力矩器低端输出电流信号，确定石英挠性加速度计中接收到的加速度的大小，从而可以根据力矩器低端的电流信号产生的电磁力，使得石英加速度计恢复到动态平衡，且该电磁力对应的电流信号是由经过功率放大电路的电压信号输出的，缩短了平衡时间；将功率放大电路放大的电压信号发送到校正网络电路中进行校正，使调制解调电路基于校正后的电压信号对转换后的电压信号进行调理，解决了加速度计在刚启动工作时的不稳定问题，从而提高了石英挠性加速度计的动态平衡率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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他的附图。

图1是本申请实施例提供的石英挠性加速度计伺服电路的结构示意图；

图2是本申请实施例提供的表头的结构示意图；

图3是本申请实施例提供的调制解调电路的结构示意图；

图4是本申请实施例提供的功率放大电路的结构示意图；

图5是本申请实施例提供的校正网络电路的结构示意图；

图6是本申请实施例提供的石英挠性加速度计表头的结构示意图；

图7是本申请实施例提供的电源转换电路的结构示意图；

图8是本申请实施例提供的石英挠性加速度计伺服电路的结构示意图；

图9是本申请实施例提供的石英挠性加速度计伺服电路的电气连接图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图通过具体实施例来进行说明。

图1为本申请实施例提供的石英挠性加速度计伺服电路的结构示意图。如图1所示，石英挠性加速度计包括表头1和伺服电路2，表头1包括传感器11和力矩器12，伺服电路2包括调制解调电路21、功率放大电路22和校正网络电路23；

调制解调电路21的第一端I与传感器11连接，调制解调电路21的第二端II与功率放大电路22的第一端I连接，调制解调电路21的第三端III与校正网络电路23的第一端I连接，功率放大电路22的第二端II分别与力矩器和校正网络电路23的第二端II连接。

其中，表头还包括一个石英摆片，是石英加速度计的敏感元件，当石英摆片包括玻璃基片，以及在玻璃基片上镀有的黄金镀层。

传感器11用于在接收到加速度信号后输出电容信号至调制解调电路21。

其中，石英挠性加速度计是一种电容式传感器，当传感器接收到加速度信号后，石英挠性加速度计的石英摆片会发生偏离平衡位置，此时，差动电容就会发生变化，一个电容值增加，一个电容值减小。

参见图2，当传感器11接收到加速度信号后，石英挠性加速度计的石英摆片会偏离平衡位置，差动电容会发生变化，一个电容值增加，一个电容值减小，电容值增加的电容信号由传感器高端111发出，电容值减小的电容信号由传感器低端112发出。

调制解调电路21用于将电容信号转换为电压信号，并将电压信号发送到功率放大电路22。

其中，调制解调电路由调制解调集成电路组成，参见图3，包括集成电路U1、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6和电容C7。其中，电阻R3与集成电路U1的引脚1连接后接地；电阻R4分别与集成电路U1的引脚3和引脚4连接；电容C1与集成电路U1的引脚5连接后，分别与集成电路U1的引脚9和调制解调电路21的第二端连接；电容C2分别与集成电路U1的引脚6、引脚7和调制解调电路21的第二端连接；电容C3与集成电路U1的引脚16连接后接地；电容C4分别与集成电路U1的引脚12、引脚8、电容C6和电阻R5连接，电容C5分别与电容C6、电容C7、电阻R5和集成电路U1的引脚11连接；电容C7分别与电容C5、集成电路U1的引脚11和引脚10连接后接地；电容C6分别与电容C4、电容C5、电阻R5和集成电路U1的引脚8连接；电阻R5分别与电容C5、电容C4、电容C6和集成电路U1的引脚8连接。

在一种可能的实现方式中，调制解调电路21的第一端I包括正向输入端I+和负向输入端I-，调制解调电路21的第二端II包括正向输出端II+和负向输出端II-，传感器高端111与调制解调电路21的正向输入端I+连接，传感器低端112与调制解调电路21的负相输入端I-连接；

传感器高端111用于输出第一电容信号至调制解调电路21，调制解调电路21将第一电容信号调制为第一电压信号；传感器低端112用于输出第二电容信号至调制解调电路21，调制解调电路21将第二电容信号调制为第二电压信号。

参见图3，集成电路U1的引脚14为正向输入端I+，即CG，引脚13为负向输入端I-，即CL，引脚7为负向输出端II-，即Vout1，引脚9位正向输出端II+，即Vout2。

由传感器高端111将第一电容信号发送至集成电路U1的引脚14，由传感器低端112将第二电容信号发送至集成电路U1的引脚13，通过集成电路U1分别对第一电容信号和第二电容信号进行调制解调，输出第一电容信号对应的第一电压信号和第二电容信号对应的第二电压信号，并通过集成电路U1的引脚9将第一电压信号发送到功率放大电路22的第一端，且通过集成电路U1的引脚7将第二电压信号发送到功率放大电路22的第一端。

功率放大电路22用于将电压信号进行功率放大，将放大后的电压信号施加到力矩器高端121，并将放大后的电压信号发送到校正网络电路23.

参加图2，力矩器12包括力矩器高端121和力矩器低端122。

其中，功率放大电路22包括两个三极管和两个电阻，具体的结构示意图参见图4，三极管T1与电阻R6连接，三极管T2与电阻R7连接。

在一种可能的实现方式中，功率放大电路22包括正向放大电路221和负向放大电路222；功率放大电路22的第一端I包括第一正向输入端I+和第一负向输入端I-；功率放大电路22的第一正向输入端I+与调制解调电路21的正向输出端II+连接，功率放大电路22的第一负相输入端I-与调制解调电路21的负向输出端II-连接；

正向放大电路221包括第一三极管T1和第一电阻R6；负向放大电路222包括第二三极管T2和第二电阻R7；

第一三极管T1的基极b与功率放大电路22的第一正向输入端I+连接，第一三极管T1的集电极c与第一电阻R6的第一端x1连接，第一电阻R6的第二端x2、第二电阻R7的第二端y2分别与功率放大电路22的第二端II连接，第一三极管T1的发射极e用于与外部电源的正极连接；

第二三极管T2的基极b与功率放大电路22的第一负向输入端I-连接，第二三极管T1的发射极e与第二电阻R7的第一端y1连接，第二三极管T2的集电极c用于与外部电源的负极连接。

其中，第一三极管T1的发射极e用于与外部电源的正极连接，外部电源的正极为+15V；第二三极管T2的集电极c用于与外部电源的负极连接，外部电源的负极为-15V。

通过调制解调电路21的正向输出端II+将第一电压信号输入到第一三极管T1的基 极b，并通过调制解调电路21的负向输出端II-将第二电压信号输入到第二三极管T2的基极 b，由功率放大电路22的第二端II输出功率放大后的电压信号。

其中，对于功率放大电路22输出的电压信号可以为正信号，也可以为负信 号，也可以为0，与输入的第一电压信号和第二电压信号有关，比如，当输入的电压信号为0， 则输出的电压信号，，或者当输入的电压信号为第一电压信号，在输出的电压信 号为正，或者输入的电压信号为第二电压信号，则输出的电压信号为负。

在一种可能的实现方式中，第一三极管T1为PNP型三极管.

在一种可能的实现方式中，第二三极管T2为PNP型三极管。

其中，PNP型三极管，是由2块P型半导体中间夹着1块N型半导体所组成的三极管，其电流流向为电流从发射极e流入的三极管。PNP型三极管发射极e的电位最高，集电极c的电位最低。

校正网络电路23用于将放大后的电压信号进行校正，并将校正后的电压信号反馈回调制解调电路21。

校正网络电路23将放大后的电压信号进行校正，并将校正后的电压信号反馈回调制解调电路21的第三端，即集成电路U1的引脚6。

在本申请实施例中，对功率放大电路22中输出的电压信号进行校正的目的， 是为了使石英挠性加速度计工作状态的稳定，因为石英挠性加速度计在刚开始工作时由于 电路系统和适应摆片导致其不平衡，具体的校正网络电路的结构示意图可参见图5。

在一种可能的实现方式中，校正网络电路23包括第三电阻R8、第四电阻R9和第一电容C8；

第三电阻R8的第一端a1与校正网络电路23的第二端II连接，第三电阻r8的第二端a2分别与第四电阻R9的第一端b1、第一电容C8的第一端c1和校正网络电路23的第一端I连接，第四电阻R9的第二端b2和第一电容C8的第二端c2均接地。

通过功率放大电路22放大后的电压信号发送到校正网络电路23的第二端 II，并通过调整校正网络电路23中的第三电阻R8的电阻值、第四电阻R9的电阻值和第一电 容C8的电容值，对放大后的电压信号进行校正，得到校正后的电压信号，并将该 电压信号反馈回调制解调电路21的第三端III。

调制解调电路21还用于基于校正后的电压信号调理电容信号转换的电压信 号。

本申请实施例中，将校正网络电路23校正后的电压信号去调理第一电容信 号对应的第一电压信号和第二电容信号对应的第二电压信号，从而使得功率放大电路22施 加到力矩器高端121的电压信号更加准确，并且通过校正后的电压信号使在整 个电路系统更加稳定，若没有对电容信号转换的电压信号进行校正，该电路系统可能会产 生振荡，导致系统不稳定。

力矩器12用于将施加到力矩器高端121的电压信号传递给力矩器低端122， 输出电流信号，并根据电流信号，确定石英挠性加速度计中的加速度大小。

参见图2，通过功率放大电路22的第二端II将放大后的电压信号施加到力矩 器高端121，然后通过力矩器低端122输出电流信号，产生电磁力，将发生位置偏离的石 英摆片恢复到平衡位置，本申请实施例中将石英摆片恢复到平衡位置的过程是一个动态平 衡的过程。

其中，电流信号越大，表明当前石英挠性加速度计接收到的加速度信号越大， 若电流信号为0，则说明此时石英挠性加速度计未接收到加速度信号。

示例性的，参加图6，图6示为石英挠性加速度计表头的结构示意图，将功率放大电 路输出的放大后的电压信号施加到RL和RS上，输出电流信号，根据电流信号使石英挠性加速度计的工作状态处于稳定。

在一种可能的实现方式中，伺服电路可以包括电源转换电路24，电源转换电路24的输出端A与调制解调电路21的供电端B连接；电源转换电路24的输入端Y用于与外部电源连接；

电源转换电路24用于将外部电源输出的电压信号转换为输入电压信号，并为调制解调电路21供电。

本申请实施例中，需要对调制解调电路21进行供电，因此，电源转换电路24将外部 电源的转换为，输入给调制解调电路21。

在一种可能的实现方式中，电源转换电路24包括正向稳压输出电路241和负向稳压输出电路242；电源转换电路24的输入端A包括输入端正极A+和输入端负极A-，电源转换电路24的输出端Y包括输出端正极Y+和输出端负极Y-；

正向稳压输出电路241包括第一二极管D1和第一限流电阻R1；负向稳压输出电路242包括第二二极管D2和第二限流电阻R2；

第一二极管D1的正极接地，第一二极管D1的负极分别与第一限流电阻R1的第一端a1和电源转换电路24的输出端正极Y+连接，第一限流电阻R1的第二端a2与电源转换电路24的输入端正极A+连接；

第二二极管D2的负极接地，第二二极管D2的正极分别与第二限流电阻R2的第一端b1和电源转换电路24的输出端负极Y-连接，第二限流电阻R2的第二端b2与电源转换电路24的输入端负极A-连接。

参见图7，正向稳压输出电路241与外部电源的正极连接，将+15V转换为+9V，并输出+9V的正向输入电压信号输送到调制解调电路21的集成电路U1的引脚15；负向稳压输出电路242与外部电源的负极连接，将-15V转换为-9V，并输出-9V的负向输入电压信号输送到调制解调电路21的集成电路U1的引脚2。

在一种可能的实现方式中，第一二极管D1为齐纳二极管。

在一种可能的实现方式中，第二二极管D2为齐纳二极管。

其中，齐纳二极管（Zener diode），又叫稳压二极管。利用PN结反向击穿状态，其电流可在很大范围内变化而电压基本不变的现象，制成的起稳压作用的二极管。此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件。在这临界击穿点上，反向电阻降低到一个很小的数值，在这个低阻区中电流增加而电压则保持恒定，稳压二极管是根据击穿电压来分档的，因为这种特性，稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用。稳压二极管可以串联起来以便在较高的电压上使用，通过串联就可获得更高的稳定电压。

本申请实施例中的石英挠性加速度计伺服电路具体的连接结构示意图参见图8。

本申请实施例中伺服电路的组成元件都是非常简单的电气元件，不仅使得伺服电路的结构简单，也大大降低了成本。

本申请提供一种石英挠性加速度计伺服电路，通过调制解调电路将表头的电容信号转换为电压信号，再通过功率放大电路对电压信号进行放大并施加到表头的力矩器高端，并通过力矩器高端传递到力矩器低端输出电流信号，确定石英挠性加速度计中接收到的加速度的大小，从而可以根据力矩器低端的电流信号产生的电磁力，使得石英加速度计恢复到动态平衡，且该电磁力对应的电流信号是由经过功率放大电路的电压信号输出的，缩短了平衡时间；将功率放大电路放大的电压信号发送到校正网络电路中进行校正，使调制解调电路基于校正后的电压信号对转换后的电压信号进行调理，解决了加速度计在刚启动工作时的不稳定问题，从而提高了石英挠性加速度计的动态平衡率。

下面通过一个实施示例对上述的石英挠性加速度计伺服电路进行说明。

参见图9，假设石英挠性加速度计的传感器接收到加速度信号，则石英挠性加速 度计的石英摆片偏离平衡位置，使差动电容发生变化，由传感器高端发送第一电容信号到 调制解调电路的正向输入端；由传感器低端发送第二电容信号到调制解调电路的负向输入 端，分别通过调制解调电路将第一电容信号转换为第一电压信号和第二电容信号转换为第 二电压信号；通过调制解调电路的正向输出端将第一电压信号发送到功率放大电路的第一 正向输入端，通过调制解调电路的负向输出端将第二电压信号发送到功率放大电路的第一 负向输入端，并分别对第一电压信号和第二电压信号进行功率放大，将放大后的电压信号施加到力矩器高端，并通过力矩器低端输出电流信号，根据输出的电流信号产生相应的电磁力，使石英摆片动态恢复到平衡位置，为了使石英挠性加速度计刚开 始工作时的电路稳定，还需要将放大后的电压信号发送到校正网络电路的第二端，对 放大后的电压信号进行校正，并发送到调制解调电路的第三端，通过校正后的电压信 号对第一电压信号和第二电压信号进行调整，使系统更加稳定。

应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。

以上所述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精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种石英挠性加速度计伺服电路，其特征在于，所述石英挠性加速度计包括表头和伺服电路，所述表头包括传感器和力矩器；所述伺服电路包括调制解调电路、功率放大电路和校正网络电路；

所述调制解调电路的第一端与所述传感器连接，所述调制解调电路的第二端与所述功率放大电路的第一端连接，所述调制解调电路的第三端与所述校正网络电路的第一端连接，所述功率放大电路的第二端分别与所述力矩器和所述校正网络电路的第二端连接；

所述传感器用于在接收到加速度信号后输出电容信号至所述调制解调电路；

所述调制解调电路用于将所述电容信号转换为电压信号，并将所述电压信号发送到所述功率放大电路；

所述功率放大电路用于将所述电压信号进行功率放大，将放大后的电压信号施加到所述力矩器高端，并将放大后的电压信号发送到所述校正网络电路；

所述校正网络电路用于将放大后的电压信号进行校正，并将校正后的电压信号反馈回所述调制解调电路；

所述调制解调电路还用于基于校正后的电压信号调理所述电容信号转换的电压信号；

所述力矩器用于将施加到所述力矩器高端的电压信号传递给所述力矩器低端，输出电流信号，并根据所述电流信号，确定所述石英挠性加速度计中的加速度大小；

其中，所述调制解调电路的第一端包括正向输入端和负向输入端，所述调制解调电路的第二端包括正向输出端和负向输出端，所述功率放大电路包括正向放大电路和负向放大电路；所述功率放大电路的第一端包括第一正向输入端和第一负向输入端；所述功率放大电路的第一正向输入端与所述调制解调电路的正向输出端连接，所述功率放大电路的第一负相输入端与所述调制解调电路的负向输出端连接；

所述正向放大电路包括第一三极管和第一电阻；所述负向放大电路包括第二三极管和第二电阻；

所述第一三极管的基极与所述功率放大电路的第一正向输入端连接，所述第一三极管的集电极与第一电阻的第一端连接，所述第一电阻的第二端、所述第二电阻的第二端分别与所述功率放大电路的第二端连接，所述第一三极管的发射极用于与外部电源的正极连接；

所述第二三极管的基极与所述功率放大电路的第一负向输入端连接，所述第二三极管的发射极与所述第二电阻的第一端连接，所述第二三极管的集电极用于与外部电源的负极连接；所述第一三极管为PNP型三极管；所述第二三极管为PNP型三极管。

2.根据权利要求1所述的石英挠性加速度计伺服电路，其特征在于，所述伺服电路包括电源转换电路，所述电源转换电路的输出端与所述调制解调电路的供电端连接；所述电源转换电路的输入端用于与外部电源连接；

所述电源转换电路用于将所述外部电源输出的电压信号转换为输入电压信号，并为所述调制解调电路供电。

3.根据权利要求2所述的石英挠性加速度计伺服电路，其特征在于，所述电源转换电路包括正向稳压输出电路和负向稳压输出电路；所述电源转换电路的输入端包括输入端正极和输入端负极，所述电源转换电路的输出端包括输出端正极和输出端负极；

所述正向稳压输出电路包括第一二极管和第一限流电阻；所述负向稳压输出电路包括第二二极管和第二限流电阻；

所述第一二极管的正极接地，所述第一二极管的负极分别与所述第一限流电阻的第一端和所述电源转换电路的输出端正极连接，所述第一限流电阻的第二端与所述电源转换电路的输入端正极连接；

所述第二二极管的负极接地，所述第二二极管的正极分别与所述第二限流电阻的第一端和所述电源转换电路的输出端负极连接，所述第二限流电阻的第二端与所述电源转换电路的输入端负极连接。

4.根据权利要求3所述的石英挠性加速度计伺服电路，其特征在于，所述第一二极管为齐纳二极管。

5.根据权利要求3所述的石英挠性加速度计伺服电路，其特征在于，所述第二二极管为齐纳二极管。

6.根据权利要求1所述的石英挠性加速度计伺服电路，其特征在于，所述传感器高端与所述调制解调电路的正向输入端连接，所述传感器低端与所述调制解调电路的负相输入端连接；

所述传感器高端用于输出第一电容信号至所述调制解调电路，所述调制解调电路将所述第一电容信号调制为第一电压信号；所述传感器低端用于输出第二电容信号至所述调制解调电路，所述调制解调电路将所述第二电容信号调制为第二电压信号。

7.根据权利要求1所述的石英挠性加速度计伺服电路，其特征在于，所述校正网络电路包括第三电阻、第四电阻和第一电容；

所述第三电阻的第一端与所述校正网络电路的第二端连接，所述第三电阻的第二端分别与所述第四电阻的第一端、所述第一电容的第一端和所述校正网络电路的第一端连接，所述第四电阻的第二端和所述第一电容的第二端均接地。