CN207281096U

CN207281096U - 温补型石英加速度计

Info

Publication number: CN207281096U
Application number: CN201721351731.6U
Authority: CN
Inventors: 任勇芳
Original assignee: BEIJING YONGLE HUAHANG PRECISION INSTRUMENT Co Ltd
Current assignee: BEIJING YONGLE HUAHANG PRECISION INSTRUMENT Co Ltd
Priority date: 2017-10-19
Filing date: 2017-10-19
Publication date: 2018-04-27
Anticipated expiration: 2027-10-19

Abstract

本实用新型涉及一种温补型石英加速度计，包括表头、伺服电路板和温度补偿电路板，伺服电路板上设有伺服电路接线柱，温度补偿电路板贴装于伺服电路板设有伺服电路接线柱的一侧，温度补偿电路板上设置有焊盘，焊盘上具有通孔，伺服电路接线柱穿过通孔向外延伸。本实用新型在传统加速度计结构的基础上增加了温度补偿电路板，电路板采用套装方式贴装在伺服电路板之上，充分利用了结构空间，在实现降低温漂的同时又未对表头结构做出调整，在不改变原有石英加速度计测量优势的前提下，实现了对加速度计偏值、标度因数的温度补偿，消除了石英加速度计因温度变化产生的测量误差，提高了石英加速度计的环境温度适应性。

Description

温补型石英加速度计

技术领域

本实用新型涉及一种加速度计，尤其是一种温补型石英加速度计。

背景技术

加速度计是惯性测量和导航系统的主要惯性元件之一，它的输出与运载体的运动加速度成正比，其原理是基于牛顿的经典力学定律。自二次世界大战中德国人成功在V_2型火箭上应用第一个积分加速度计以来，便有近百种不同类型的加速度计问世，其中，石英挠性加速度计(以下简称石英加速度计)以其灵敏度高、测量精度高、体积小等优点广泛应用于航天、航空、航海、兵器等诸多领域。但是随着兵器系统的发展，对石英加速度计的性能提出了更高的要求，经多年应用表明，由于温度变化引起的参数漂移是影响石英加速度计精度的一项主要因素，目前，国内高精度的石英加速度计工作温度范围为-40℃～60℃，全温范围平均温度系数一般为：标因数温度系数30ppm/℃,偏值温度系数20ug/℃。更低温度系数的加速度计则需要通过大基数筛选得到，成品率很低，不能满足国内对低温漂、高精度石英加速度计的应用需求。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种不受温度影响的温补型石英加速度计。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：温补型石英加速度计，包括表头、伺服电路板和温度补偿电路板，伺服电路板上设有伺服电路接线柱，温度补偿电路板贴装于伺服电路板设有伺服电路接线柱的一侧，温度补偿电路板上设置有焊盘，焊盘上具有通孔，伺服电路接线柱穿过通孔向外延伸。

本实用新型的有益效果是：在传统加速度计结构的基础上增加了温度补偿电路，电路板采用套装方式贴装在伺服电路板之上，充分利用了结构空间，在实现降低温漂的同时又未对表头结构做出调整，保持了原有加速度计的优势，温度补偿电路结构简单，易于实现，在不改变原有石英加速度计测量优势的前提下，实现了对加速度计偏值、标度因数的温度补偿，消除了石英加速度计因温度变化产生的测量误差，使石英加速度计的应用不受温度的影响，提高了石英加速度计的环境温度适应性。

进一步，温度补偿电路板上设有温度补偿电路模块，温度补偿电路模块包括精密电流源电路模块。

进一步，精密电流源电路模块包括基准电压电路模块、正电流源电路模块和负电流源电路模块；正电流源电路模块和负电流源电路模块均与基准电压电路模块电性连接。

进一步，基准电压电路模块由电阻R₁、R₂、R₃和R₄组成，R₁与R₃串联构成正基准电压电路模块，R₂与R₄串联构成负基准电压电路模块。

进一步，正电流源电路模块包括运算放大器N₁、电阻R₅、R₆、R₇和三极管Q₁，电阻R₅并联于R₆和R₇组成的串联电路，电阻R₅、R₆、R₇组成的电路一端接正参考电压VREF+，其另一端接于运算放大器N₁的反向输入端，运算放大器N₁的同相输入端接于正基准电压电路模块，三极管Q₁的基极接于运算放大器N₁的输出端，三极管Q₁的集电极与二极管D₁电性连接，三极管Q₁的发射极接于电阻R₅、R₆、R₇组成的电路的另一端。

更进一步，电阻R₆为热敏电阻，其阻值随温度的不同而发生变化，电阻R₅和R₇均为精密电阻。热敏电阻是敏感元件的一类，热敏电阻的典型特点是对温度敏感，不同的温度下表现出不同的电阻值，本实用新型提供的精密电流源电路模块采用的是正温度系数热敏电阻，其阻值随温度的升高而增大，R₆的阻值随温度不同发生变化后，正电流源电路的输出电流I₊也会随之发生变化，从而实现补偿电流I₀的大小跟随温度变化的目的。

进一步，负电流源电路模块包括运算放大器N₂、电阻R₈、R₉、R₁₀和三极管Q₂，电阻R₈并联于R₉和R₁₀组成的串联电路，电阻R₈、R₉、R₁₀组成的电路一端接负参考电压VREF-，其另一端接于运算放大器N₂的反向输入端，运算放大器N₂的同相输入端接于负基准电压电路模块，三极管Q₂的基极接于运算放大器N₂的输出端，三极管Q₂的集电极与二极管D₂电性连接，三极管Q₂的发射极接于电阻R₈、R₉、R₁₀组成的电路的另一端。

更进一步，电阻R₈、R₉、R₁₀均为用于提供基准电流的精密电阻。精密电阻(精密电阻器的简称)是指电阻的阻值误差、电阻的的热稳定性(温度系数)、电阻器的分布参数(分布电容和分布电感)等项指标均达到一定标准的电阻器，精密电阻和普通电阻的区别在于，精密电阻的误差远小于普通电阻的误差；通常普通电阻的误差为±5％和±1％，而精密电阻的误差最大可达到±0.01％。并且在正常工作温度范围内精密电阻材料的热稳定性远高于普通电阻材料的热稳定性。采用精密电阻的温度补偿电路模块得到的补偿电流更加精准，且整个电路受温度的影响相对较小。

更进一步，二极管D₁的负极与二极管D₂的正极电性连接。

附图说明

图1为本实用新型提供的温补型石英加速度计外形结构图；

图2为本实用新型提供的温补型石英加速度计的外形结构部分分解图；

图3为本实用新型提供的温度补偿电路模块原理框图；

图4为本实用新型提供的精密电流源电路模块原理图；

图5为本实用新型提供的温度补偿前加速度计输出电流随温度变化曲线图；

图6为本实用新型提供的理论计算温度补偿前后加速度计输出电流变化对比曲线图；

图7为本实用新型提供的实际测试温度补偿前后加速度计输出电流变化对比曲线图。

附图1中，各标号所代表的部件列表如下：

1、表头，2、伺服电路板，3、温度补偿电路板，4、伺服电路接线柱，5、焊盘。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

如图1所示，为本实用新型提供的温补型石英加速度计外形结构图，温补型石英加速度计，包括表头1、伺服电路板2和温度补偿电路板3，伺服电路板2上设有伺服电路接线柱4，温度补偿电路板3贴装于伺服电路板2设有伺服电路接线柱4的一侧，温度补偿电路板3上设有焊盘5，焊盘5上具有通孔，伺服电路接线柱4穿过焊盘5上的通孔向外延伸。

图2为本实用新型提供的温补型石英加速度计的外形结构部分分解图，图2中将温度补偿电路板3从整个加速度计原有结构中分解出，可以清晰的看出温度补偿电路板上的焊盘5，焊盘5上的通孔与伺服电路接线柱4对应，伺服电路接线柱4从焊盘5上的通孔穿过并向外延伸，充分利用了结构空间，既达到了降低温漂的目的，又未对表头结构做出改动，保持了石英加速度计的原有优势。

温度补偿电路板上设有温度补偿电路模块，图3是本实用新型提供的温度补偿电路模块原理框图，下面结合框图对本实用新型中温补型石英加速度计的温度补偿原理做具体说明。图中I1为石英加速度计原始输出电流，I2为偏值补偿电流，I3为标度因数补偿电流，I4为补偿后输出电流，根据传感器原理可知：

I1＝a×K1+K0

其中，a—石英加速度计输入

K0—石英加速度计偏值

K1—石英加速度计标度因数

当温度发生变化时，变化后的电流为Io，标度因数增量为ΔIk1，偏值增量为ΔIk0，则：

Io＝a×(K1+ΔIk1)+(K0+ΔIk0)

＝(a×K1+K0)+(a×ΔIk1+ΔIk0)

＝I1+(a×ΔIk1+ΔIk0)

由上式可知，只要能根据温度变化，得到相应的偏值补偿电流I2和标度因数补偿电流I3，使满足

I2＝-ΔIk0

I3＝-a×ΔIk1

即可以抵消(a×ΔIk1+ΔIk0)产生的误差，使得

I4＝I1+(a×ΔIk1+ΔIk0)+I2+I3＝I1

实现消除温度漂移的目的。

温度补偿电路模块包括精密电流源电路模块，图4是本实用新型提供的精密电流源电路模块原理图，精密电流源电路模块包括基准电压电路模块、正电流源电路模块和负电流源电路模块；正电流源电路模块和负电流源电路模块均与基准电压电路模块电性连接。

优选地，基准电压电路模块由电阻R₁、R₂、R₃和R₄组成，R₁与R₃串联构成正基准电压电路模块，R₂与R₄串联构成负基准电压电路模块。

优选地，正电流源电路模块包括运算放大器N₁、电阻R₅、R₆、R₇和三极管Q₁，电阻R₅并联于R₆和R₇组成的串联电路，电阻R₅、R₆、R₇组成的电路一端接正参考电压VREF+，其另一端接于运算放大器N₁的反向输入端，运算放大器N₁的同相输入端接于正基准电压电路模块，三极管Q₁的基极接于运算放大器N₁的输出端，三极管Q₁的集电极与二极管D₁电性连接，三极管Q₁的发射极接于电阻R₅、R₆、R₇组成的电路的另一端。

优选地，电阻R₆为热敏电阻，其阻值随温度的不同而发生变化，电阻R₅和R₇均为精密电阻。

优选地，负电流源电路模块包括运算放大器N₂、电阻R₈、R₉、R₁₀和三极管Q₂，电阻R₈并联于R₉和R₁₀组成的串联电路，电阻R₈、R₉、R₁₀组成的电路一端接负参考电压VREF-，其另一端接于运算放大器N₂的反向输入端，运算放大器N₂的同相输入端接于负基准电压电路模块，三极管Q₂的基极接于运算放大器N₂的输出端，三极管Q₂的集电极与二极管D₂电性连接，三极管Q₂的发射极接于电阻R₈、R₉、R₁₀组成的电路的另一端。

更优地，电阻R₈、R₉、R₁₀均为用于提供基准电流的精密电阻。

更优地，二极管D₁的负极与二极管D₂的正极电性连接。

由于负反馈的作用，R₅两端电压VR1等于(VREF+)-V1，R₈两端电压VR2等于(VREF-)-V2，则(I+)＝VR1/((R₆+R₇)//R₅)，(I-)＝VR2/((R₉+R₁₀)//R₈)，Io＝(I+)+(I-)，I+、I-大小的不同决定了Io的输出极性。为实现Io对温度变化的跟随，R₈、R₉、R₁₀选用精密电阻，用于设置负电流源大小，提供基准电流，R₅、R₇选用精密电阻，R₆使用热敏电阻，其阻值随温度不同而发生变化，I+也将随之发生变化，从而使Io的大小跟随温度变化，通过R₆、R₇、与R₅的并联形式，可以实现复杂变化曲线的调整，当Io的变化与加速度计输出电流的变化相抵消时，即Io节点与加速度计输出节点相交求和输出，则可降低或消除加速度计因温度变化产生的测量误差。

下面通过实施例说明电路的实际效果。

实施例1

本实施例对温度补偿前加速度计随温度变化的输出电流值进行测定，测定结果见表1。

表1温度补偿前各温度下输出电流值

温度(℃)	加速度计输出(mA)
		-40	0.998770
-20	0.999780
		0	1.000500
20	1.001030
		40	1.001440
60	1.001770

根据表1中得到的数据画出附图5所示的温度补偿前加速度计输出电流随温度变化的曲线图，从数据结果表明全温变化量约0.003mA。

实施例2

本实施例对温度补偿后加速度计各温度下补偿电流以及补偿后的输出电流进行理论计算。

令REF+＝10V，REF+＝-10V，R1＝R2＝R3＝R4＝5000，R5＝162，R8＝200，R7＝200，R9＝R10＝开路，R6为阻值1000温度系数0.0088/℃的热敏电阻，则：

VR1＝0.5×10V＝5V

VR2＝0.5×-10V＝-5V

根据公式

(I+)＝VR1/((R6+R7)//R5)

(I-)＝VR2/((R9+R10)//R8)

可得到各温度下补偿电流，参见下表2。

表2各温度下补偿电流值

温度补偿前后理论计算得到的输出电流值比较结果见下表3。

表3温度补偿前后输出电流理论值

根据上表中数据画出图6所示的理论计算温度补偿前后加速度计输出电流变化对比曲线图。

理论计算数据说明温度补偿后温度变化量几乎为零，实际电路由于元件性能差异，补偿效果会有所下降。

实施例3

本实施例对温度补偿后的输出电流进行实际测定。

实际测试得到的温度补偿前后的输出电流比较结果见下表4。

表4温度补偿前后输出电流实际测定值

根据上表中数据画出图7所示的实际测试温度补偿前后加速度计输出电流变化对比曲线图。

实际测试结果表明温补型石英加速度计温度变化量降低了约2个数量级。

由以上实施例可以看出，本实用新型提供的温补型石英加速度计在不改变原有石英加速度计测量优势的前提下，实现了对加速度计偏值、标度因数的温度补偿，消除了石英加速度计因温度变化产生的测量误差，使石英加速度计的应用不受温度的影响，提高了石英加速度计的环境温度适应性，成品测试结果表明温补型石英加速度计全温(-40℃～60℃)变化量小于3×10^-5，全温温度系数提高了2个数量级，在10^-7量级水平。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.温补型石英加速度计，包括表头、伺服电路板和温度补偿电路板，所述伺服电路板上设有伺服电路接线柱，其特征在于,所述温度补偿电路板贴装于所述伺服电路板设有伺服电路接线柱的一侧，所述温度补偿电路板上设置有焊盘，所述焊盘上具有通孔，所述伺服电路接线柱穿过所述通孔向外延伸。

2.根据权利要求1所述的温补型石英加速度计，其特征在于，所述温度补偿电路板上设有温度补偿电路模块，所述温度补偿电路模块包括精密电流源电路模块。

3.根据权利要求2所述的温补型石英加速度计，其特征在于，所述精密电流源电路模块包括基准电压电路模块、正电流源电路模块和负电流源电路模块；所述正电流源电路模块和负电流源电路模块均与所述基准电压电路模块电性连接。

4.根据权利要求3所述的温补型石英加速度计，其特征在于，所述基准电压电路模块由电阻R₁、R₂、R₃和R₄组成，R₁与R₃串联构成正基准电压电路模块，R₂与R₄串联构成负基准电压电路模块。

5.根据权利要求4所述的温补型石英加速度计，其特征在于，所述正电流源电路模块包括运算放大器N₁、电阻R₅、R₆、R₇和三极管Q₁，所述电阻R₅并联于R₆和R₇组成的串联电路，电阻R₅、R₆、R₇组成的电路一端接正参考电压VREF+，其另一端接于运算放大器N₁的反向输入端，运算放大器N₁的同相输入端接于所述正基准电压电路模块，所述三极管Q₁的基极接于运算放大器N₁的输出端，所述三极管Q₁的集电极与二极管D₁电性连接，所述三极管Q₁的发射极接于电阻R₅、R₆、R₇组成的电路的另一端。

6.根据权利要求5所述的温补型石英加速度计，其特征在于，所述电阻R₆为热敏电阻，所述电阻R₅和R₇均为精密电阻。

7.根据权利要求4所述的温补型石英加速度计，其特征在于，所述负电流源电路模块包括运算放大器N₂、电阻R₈、R₉、R₁₀和三极管Q₂，所述电阻R₈并联于R₉和R₁₀组成的串联电路，电阻R₈、R₉、R₁₀组成的电路一端接负参考电压VREF-，其另一端接于运算放大器N₂的反向输入端，运算放大器N₂的同相输入端接于所述负基准电压电路模块，所述三极管Q₂的基极接于运算放大器N₂的输出端，所述三极管Q₂的集电极与二极管D₂电性连接，所述三极管Q₂的发射极接于电阻R₈、R₉、R₁₀组成的电路的另一端。

8.根据权利要求7所述的温补型石英加速度计，其特征在于，所述电阻R₈、R₉、R₁₀均为用于提供基准电流的精密电阻。

9.根据权利要求5或7所述的温补型石英加速度计，其特征在于，所述二极管D₁的负极与二极管D₂的正极电性连接。