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1石英撓性加速度計精度提升方案

本系統選用石英撓性加速度計作為加速度測量傳感器。國內常用的慣性級石英撓性加速度計不能直接滿足要求，為實現高精度加速度測量，需要對加速度計進行誤差分析與補償。石英撓性加速度計的測量誤差主要來自2個方面:一方面是加速度計自身結構的不完善，比如:質量不平衡、結構的彈性變形、不等彈性等;另一方面，一些物理因素的影響，如變化的溫度場、儀表內部的雜散磁場或外部干擾磁場等。對于前者，只能通過改進制造工藝來提高加速度計的測量精度;而對于后者，可以通過改善加速度計工作環境，為加速度計建立嚴格電磁屏蔽和精密溫控的環境，提高石英撓性加速度計的穩定性，從而提高測量精度［7，8］。由于系統工作環境復雜，外界溫度變化范圍大，為有效地實現加速度計高精度溫度控制，設計了二級溫控結構。

為有效抑制外界低頻磁場干擾，設計了二級磁屏蔽結構，理論上屏蔽的總效果在50dB以上，完全能滿足石英撓性加速度計對磁場屏蔽結構的要求。圖2為本系統加速度計磁屏蔽和兩級溫控結構示意圖。第一級溫控結構采用數字溫度傳感器作為溫度測量傳感器，半導體制冷器(TEC)作為溫度控制件，改變控制電流大小和流向可以實現不同功率的制冷或制熱，將溫度控制在30℃，精度控制為±0．5℃。第二級溫控結構采用Pt電阻器作為溫度測量傳感器，采用薄膜加熱片作為溫度控制件，改變控制電流的大小實現不同功率的加熱，將溫度控制在50℃，與第一級溫控環境保持一定溫差，實現±0．1℃的控制精度。溫度控制芯片采用TIC2000系列DSP，控制算法采用積分分離的PI控制。當系統剛開機工作時，由于偏差較大，容易產生積分飽和，因此，取消積分作用，只采用比例控制，以加快系統的響應時間;當系統溫度接近設定值時，加入積分作用，以消除穩態誤差，提高精度。雖然各誤差系數與諸物理參數有確定的函數關系，但誤差系數并不是通過這些函數關系計算出來的，而是通過實驗室條件下的測試確定出來的。所以，安裝好加速度計后需要通過實驗室轉臺測試出各誤差系數，對加速度計輸出數學模型進行誤差補償。

2測量電路設計

2．1測量電路模擬部分設計石英撓性加速度計輸出信號為微弱電流信號，需要高精度電流測量電路將其轉換為數字信號輸出。整個加速度測量誤差主要包括加速度計誤差和電路測量誤差兩部分，為充分體現加速度計性能，要求測量電路的精度高于加速度計。本系統電流測量靜態精度需要達到1nA，這已經接近電子元器件的精度上限，任何微小的噪聲都會對測量精度產生很大的影響。因此，要達到本系統測量精度的要求，需要仔細分析各種噪聲產生的原因，從電路和結構兩方面進行優化設計，最大程度地抑制各種噪聲，從而有效提高測量精度。圖3為本系統前端模擬測量通道原理示意圖。加速度計輸出的電流信號進入測量電路的輸入通道，首先通過采樣電阻器將電流信號轉換為電壓信號，由輸入信號調理電路對電壓信號進行濾波并調整幅值到A/D轉換器的輸入范圍，最后通過A/D轉換為數字信號。本系統選用低噪聲低溫漂運放作為信號調理電路，并采用32位∑-Δ型高分辨率A/D轉換器，降低電路噪聲，提高測量精度。同時，為降低外部干擾影響，為前端模擬測量通道安裝屏蔽殼并進行恒溫控制。本系統選用的石英撓性加速度計標度因數約1．3mA/gn，測量電路電流測量量程設計為－2．6～+2．6mA，等效加速度測量量程－2～2gn。

2．2測量電路數字部分設計本系統采用FPGA+DSP作為數字部分主控系統，FP-GA實現8路AD同步采樣控制和通信邏輯，DSP實現數字濾波和加速度信息解算。數字部分原理框圖如圖4所示。

3實驗結果

完成系統測量電路和加速度計的標定后，將系統放置于隔振地基平臺，對重力加速度的測量精度進行測試。監測系統內部各項溫度數據，待系統模擬測量通道溫度為(50±0．5)℃，加速度計溫度為(50±0．1)℃，開始采集系統測量到的重力加速度數據。圖5為溫度穩定后加速度計溫度數據圖，由測試數據可知加速度計溫度穩定性優于0．1℃，有效地提高了加速度計的穩定性。系統重復性測試:每天采集30min靜態加速度數據，測完后關閉系統，第2天開機重復測試，共測7天，7次詳細數據如表1所示，系統7次測量到的重力加速度均值標準差為6．1μg。從以上測試數據可知，本加速度測量系統具有很好的穩定性和重復性，各項指標都處于μgn級別，已充分發揮了現有石英撓性加速度計的測量性能，達到了高精度加速度測量要求。

4結論

本文針對μgn級的高精度微小運動加速度測量要求，設計了一種基于石英撓性加速度計的高精度微加速度測量系統。通過磁屏蔽結構和多級精密溫控有效地提高了加速度計的測量精度，并針對加速度計信號采集設計了高精度電流測量電路。實驗結果表明:該測量系統測量范圍為－2～2gn，測量誤差小于2．1μgn，滿足高精度微小加速度測量要求，為高精度加速度測量系統應用設計提供參考。

作者：鄧立新馬幫軍葉凌云單位：浙江大學生物醫學工程與儀器學院