撓性加速度計(jì)是航天背后的英雄

   隨著“天舟”發(fā)射任務(wù)的順利完成，重要部件石英撓性加速度計(jì)的“功勞簿”上又增添了濃墨重彩的一筆，撓性加速度計(jì)準(zhǔn)確對(duì)接提供了重要技術(shù)保證。從“神舟一號(hào)”到“神舟七號(hào)”，石英撓性加速度計(jì)成功為飛船返回艙提供了準(zhǔn)確的測(cè)量；從“神舟八號(hào)”到“神舟十一號(hào)”，作為石英撓性加速度計(jì)組合的核心器件，石英撓性加速度計(jì)身兼數(shù)職，為交會(huì)對(duì)接提供速度增量測(cè)量、為飛船姿態(tài)控制提供微重力測(cè)量、為飛船返回艙提供速度測(cè)量等；在已經(jīng)完成的嫦娥3號(hào)飛行任務(wù)和即將開(kāi)展的嫦娥5號(hào)飛行任務(wù)中，它都是不可或缺的重要產(chǎn)品，以其穩(wěn)定的表現(xiàn)提供精準(zhǔn)的測(cè)量數(shù)據(jù)。石英撓性加速度計(jì)是一種通過(guò)敏感石英擺片相對(duì)位置變化來(lái)檢測(cè)加速度的精密慣性傳感器，石英撓性加速度計(jì)按其應(yīng)用分為：船用，航空航天用，車載等。1℃的溫控電路，高、中、低精度的I/F轉(zhuǎn)換電路，加速度計(jì)組合等。主要有：QA-3000，QA-2000，INN-202，INN-203，INN-204等。廊坊市航新儀器儀表有限公司石英撓性加速度計(jì)已經(jīng)形成了系列化產(chǎn)品，撓性加速度計(jì)產(chǎn)品類型從航天器微重力測(cè)量用的的μg級(jí)GJN-06A-I加速度計(jì)，到石油鉆井用低成本、抗惡劣環(huán)境型GJN-06K加速度計(jì)，多達(dá)十幾種，廣泛應(yīng)用于航天、航空、船舶、軍械、石油、巖土工程等諸多領(lǐng)域，為各類系統(tǒng)的導(dǎo)航、制導(dǎo)、控制、調(diào)平、監(jiān)測(cè)等提供信號(hào)。

撓性加速度計(jì)數(shù)字閉環(huán)檢測(cè)電路噪聲研究

為了解決當(dāng)前數(shù)字閉環(huán)石英柔性加速度計(jì)（DCLA）測(cè)量精度及其理論極限精度存在一個(gè)數(shù)量級(jí)的問(wèn)題，進(jìn)行DCLA閉環(huán)檢測(cè)電路噪聲分析。建立閉環(huán)系統(tǒng)誤差模型，采用逐級(jí)噪聲檢測(cè)方法構(gòu)建基于噪聲分離的開(kāi)環(huán)噪聲測(cè)試平臺(tái)。廊坊市航新儀表有限公司石英撓性加速度計(jì)是一款小型化、耐高溫抗震型加速度計(jì)。確定差分電容檢測(cè)鏈路（C/V）是影響系統(tǒng)精度的主要因素。在此基礎(chǔ)上，測(cè)試改進(jìn)的測(cè)試原型的偏差穩(wěn)定性，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行Allan方差分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)的DCLA系統(tǒng)的準(zhǔn)確度從65.49μg提高到12.24μg，與理論精度基本一致。充分驗(yàn)證了理論分析方法的正確性，為進(jìn)一步完善和優(yōu)化數(shù)字閉環(huán)加速度計(jì)系統(tǒng)提供了指導(dǎo)和依據(jù)。

數(shù)字閉環(huán);石英加速度計(jì);檢測(cè)電路;噪聲分析。

撓性加速度計(jì)具有精度高，長(zhǎng)期穩(wěn)定，體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。它在各種慣性導(dǎo)航，制導(dǎo)，測(cè)量和控制領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。傳統(tǒng)的石英柔性加速度計(jì)一般采用模擬伺服電路，輸出為模擬信號(hào)。傳感器越來(lái)越多地被應(yīng)用到社會(huì)發(fā)展及人類生活的各個(gè)領(lǐng)域，如工業(yè)自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、航天技術(shù)、軍事工程、機(jī)器人技術(shù)、資源開(kāi)發(fā)、海洋探測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、安全保衛(wèi)、醫(yī)學(xué)診斷、交通運(yùn)輸、家用電器等。需要開(kāi)環(huán)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路來(lái)為導(dǎo)航計(jì)算機(jī)提供數(shù)字信息，并且在轉(zhuǎn)換過(guò)程中不可避免地會(huì)發(fā)生精度損失并隨著時(shí)間累積。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)石英柔性加速度計(jì)的研究主要集中在儀表元件和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路（I/F，V/F，A/D）的改進(jìn)上。盡管I/F和V/F方案可以實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)換精度，但頻率測(cè)量芯片的使用決定了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換速率不快且成本高;對(duì)于A/D轉(zhuǎn)換方案，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換精度受芯片數(shù)量的限制，特別是在信號(hào)較小的情況下，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換誤差較大?？梢钥闯?，模擬石英柔性加速度計(jì)對(duì)所用器件的依賴性很大，難以解決精度損失的問(wèn)題。

本文提出的基于數(shù)字閉環(huán)方案的石英柔性加速度計(jì)可以直接輸出數(shù)字量。從理論上講，開(kāi)環(huán)模數(shù)轉(zhuǎn)換不會(huì)造成精度損失，并且由于使用了模擬電流反饋，因此可以避免脈沖引起的增加。撓性加速度計(jì)具有抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

撓性加速度計(jì)的原理和用途

撓性加速度計(jì)是根據(jù)慣性原理，通過(guò)石英撓性支撐，加上先進(jìn)的電子技術(shù)構(gòu)成的精密儀表。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)石英柔性加速度計(jì)的研究主要集中在儀表元件和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路（I/F，V/F，A/D）的改進(jìn)上。在力平衡狀態(tài)下，加速度計(jì)的輸出量與輸入加速度準(zhǔn)確成比例，通過(guò)測(cè)量加速度計(jì)的輸出量，可以準(zhǔn)確計(jì)算出輸入的加速度物理量;具有高輸出阻抗的電流輸出形式，用戶可以根據(jù)情況選擇所需要的采樣電阻而不致影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。

撓性加速度計(jì)用途:

1． 自導(dǎo)飛彈的平臺(tái)式和捷聯(lián)式慣性基準(zhǔn)

2． 飛機(jī)的導(dǎo)航平臺(tái)和慣性標(biāo)準(zhǔn)

3． 遠(yuǎn)程艦船的慣導(dǎo)平臺(tái)

4． 自動(dòng)駕駛儀、坦克炮瞄和飛行控制

5． 樓房、高塔、橋梁和水壩的搖擺、振動(dòng)、傾斜的測(cè)量

6． 引起的運(yùn)動(dòng)和狀態(tài)變化的測(cè)量

7． 各種汽車、火車、輪船、飛機(jī)等運(yùn)載體的加速度測(cè)量和慣性運(yùn)動(dòng)記錄

8． 油井測(cè)斜和鉆井方向的控制

9． 環(huán)境監(jiān)測(cè)的振動(dòng)測(cè)量

10． 各種振動(dòng)、離心和沖擊試驗(yàn)設(shè)備的校準(zhǔn)與標(biāo)定

11． 體育運(yùn)動(dòng)加速記錄

  撓性加速度計(jì)是用來(lái)感知載體所受加速度的慣性器件，它的應(yīng)用領(lǐng)域正在逐步擴(kuò)大，配套系統(tǒng)對(duì)其性能指標(biāo)的要求也越來(lái)越高。為滿足軍事上機(jī)動(dòng)性能的迅速發(fā)展，保證核心競(jìng)爭(zhēng)力，尤其要求加速度計(jì)具有更高的測(cè)量范圍一即量程。撓性加速度計(jì)采用減小電流標(biāo)度因數(shù)Ｉｇ和增加撓性支承的約束力兩個(gè)方法，有助于實(shí)現(xiàn)提高 石英撓性加速度計(jì)大量程的預(yù)期目的，在工程上可以生產(chǎn)出更高水平的大量程的石英 撓性加速度計(jì)。 石英撓性加速度計(jì)的測(cè)量范圍是在規(guī)定的性能指標(biāo)下所能測(cè)量的大加速度，該指 標(biāo)以ｇ為單位，從正負(fù)兩個(gè)方向同時(shí)考核。而直流響應(yīng)的加速度傳感器，具有直流耦合輸出，能夠響應(yīng)低至0赫茲的加速度信號(hào)。提高石英撓性加速度計(jì)的測(cè)量范圍具有重要意義。如果線加速度的量值超過(guò)加速度計(jì)的測(cè)量范 圍，那么從該加速度計(jì)輸出量中可以發(fā)現(xiàn)噪聲變大，甚至對(duì)應(yīng)的正弦波波形出現(xiàn)削頂。 此時(shí)擬和計(jì)算的模型方程系數(shù)中的二次項(xiàng)將很大。在這種情況下，加速度計(jì)無(wú)法正常反 映輸入的運(yùn)動(dòng)加速度。正由于此，擴(kuò)大石英撓性加速度計(jì)的測(cè)量范圍是滿足型號(hào)發(fā)展需 要的重要的戰(zhàn)略手段。另外，石英撓性加速度計(jì)的應(yīng)用領(lǐng)域也逐步擴(kuò)大，很多應(yīng)用領(lǐng)域 對(duì)其測(cè)量范圍要求也越來(lái)越寬。