撓性加速度計是航天背后的英雄

   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的“功勞簿”上又增添了濃墨重彩的一筆，撓性加速度計準(zhǔn)確對接提供了重要技術(shù)保證。從“神舟一號”到“神舟七號”，石英撓性加速度計成功為飛船返回艙提供了準(zhǔn)確的測量；從“神舟八號”到“神舟十一號”，作為石英撓性加速度計組合的核心器件，石英撓性加速度計身兼數(shù)職，為交會對接提供速度增量測量、為飛船姿態(tài)控制提供微重力測量、為飛船返回艙提供速度測量等；在已經(jīng)完成的嫦娥3號飛行任務(wù)和即將開展的嫦娥5號飛行任務(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)的測量數(shù)據(jù)。石英撓性加速度計是一種通過敏感石英擺片相對位置變化來檢測加速度的精密慣性傳感器，石英撓性加速度計按其應(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已經(jīng)形成了系列化產(chǎn)品，撓性加速度計產(chǎn)品類型從航天器微重力測量用的的μg級GJN-06A-I加速度計，到石油鉆井用低成本、抗惡劣環(huán)境型GJN-06K加速度計，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)測等提供信號。

撓性加速度計數(shù)字閉環(huán)檢測電路噪聲研究

為了解決當(dāng)前數(shù)字閉環(huán)石英柔性加速度計（DCLA）測量精度及其理論極限精度存在一個數(shù)量級的問題，進(jìn)行DCLA閉環(huán)檢測電路噪聲分析。建立閉環(huán)系統(tǒng)誤差模型，采用逐級噪聲檢測方法構(gòu)建基于噪聲分離的開環(huán)噪聲測試平臺。廊坊市航新儀表有限公司石英撓性加速度計是一款小型化、耐高溫抗震型加速度計。確定差分電容檢測鏈路（C/V）是影響系統(tǒng)精度的主要因素。在此基礎(chǔ)上，測試改進(jìn)的測試原型的偏差穩(wěn)定性，并對測試結(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;檢測電路;噪聲分析。

撓性加速度計具有精度高，長期穩(wěn)定，體積小，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)。它在各種慣性導(dǎo)航，制導(dǎo)，測量和控制領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。傳統(tǒng)的石英柔性加速度計一般采用模擬伺服電路，輸出為模擬信號。傳感器越來越多地被應(yīng)用到社會發(fā)展及人類生活的各個領(lǐng)域，如工業(yè)自動化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、航天技術(shù)、軍事工程、機(jī)器人技術(shù)、資源開發(fā)、海洋探測、環(huán)境監(jiān)測、安全保衛(wèi)、醫(yī)學(xué)診斷、交通運(yùn)輸、家用電器等。需要開環(huán)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路來為導(dǎo)航計算機(jī)提供數(shù)字信息，并且在轉(zhuǎn)換過程中不可避免地會發(fā)生精度損失并隨著時間累積。目前，國內(nèi)學(xué)者對石英柔性加速度計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，特別是在信號較小的情況下，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換誤差較大。可以看出，模擬石英柔性加速度計對所用器件的依賴性很大，難以解決精度損失的問題。

本文提出的基于數(shù)字閉環(huán)方案的石英柔性加速度計可以直接輸出數(shù)字量。從理論上講，開環(huán)模數(shù)轉(zhuǎn)換不會造成精度損失，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。

撓性加速度計的原理和用途

撓性加速度計是根據(jù)慣性原理，通過石英撓性支撐，加上先進(jìn)的電子技術(shù)構(gòu)成的精密儀表。目前，國內(nèi)學(xué)者對石英柔性加速度計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，加速度計的輸出量與輸入加速度準(zhǔn)確成比例，通過測量加速度計的輸出量，可以準(zhǔn)確計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。

撓性加速度計用途:

1． 自導(dǎo)飛彈的平臺式和捷聯(lián)式慣性基準(zhǔn)

2． 飛機(jī)的導(dǎo)航平臺和慣性標(biāo)準(zhǔn)

3． 遠(yuǎn)程艦船的慣導(dǎo)平臺

4． 自動駕駛儀、坦克炮瞄和飛行控制

5． 樓房、高塔、橋梁和水壩的搖擺、振動、傾斜的測量

6． 引起的運(yùn)動和狀態(tài)變化的測量

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

8． 油井測斜和鉆井方向的控制

9． 環(huán)境監(jiān)測的振動測量

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

11． 體育運(yùn)動加速記錄

  撓性加速度計是用來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)對其性能指標(biāo)的要求也越來越高。為滿足軍事上機(jī)動性能的迅速發(fā)展，保證核心競爭力，尤其要求加速度計具有更高的測量范圍一即量程。撓性加速度計采用減小電流標(biāo)度因數(shù)Ｉｇ和增加撓性支承的約束力兩個方法，有助于實(shí)現(xiàn)提高 石英撓性加速度計大量程的預(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。 石英撓性加速度計的測量范圍是在規(guī)定的性能指標(biāo)下所能測量的大加速度，該指 標(biāo)以ｇ為單位，從正負(fù)兩個方向同時考核。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。提高石英撓性加速度計的測量范圍具有重要意義。如果線加速度的量值超過加速度計的測量范 圍，那么從該加速度計輸出量中可以發(fā)現(xiàn)噪聲變大，甚至對應(yīng)的正弦波波形出現(xiàn)削頂。 此時擬和計算的模型方程系數(shù)中的二次項(xiàng)將很大。在這種情況下，加速度計無法正常反 映輸入的運(yùn)動加速度。正由于此，擴(kuò)大石英撓性加速度計的測量范圍是滿足型號發(fā)展需 要的重要的戰(zhàn)略手段。另外，石英撓性加速度計的應(yīng)用領(lǐng)域也逐步擴(kuò)大，很多應(yīng)用領(lǐng)域 對其測量范圍要求也越來越寬。