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高精度全数字式超低频石英挠性加速度计研制

姜宏蕾  
【摘要】:石英挠性加速度计以其高分辨力、高稳定性和高准确度等优点被广泛应用于低频振动校准、惯性导航等涉及加速度的测控系统中。传统石英挠性加速度计输出模拟电流量,需要IV转换和模数转换电路的配合才能在测控系统中有效发挥功能,而这些转换环节会引入额外的误差分量,造成了系统测量精度的损失;此外,模拟伺服回路控制器设计完成后无法进行参数调整,而机械加工装配误差的存在不可避免的会使实际获得的表头特性与设计值不一致,这意味着按理论需求设计的模拟伺服回路控制器的参数无法与实际加工得到的加速度计表头的特性良好匹配,也就是说,性能参数固定的伺服回路无法保证加速度计伺服系统达到预期的性能指标,在批量化生产过程中这一问题尤为显著。本课题针对模拟石英挠性加速度计存在的上述问题,设计了一种全数字式石英挠性加速度计。首先对表头内的机械结构进行了分析和优化,然后设计了全数字式伺服回路,通过系统模型辨识的方法获得加速度计表头的数学模型及特性参数,然后再针对性地调整数字控制器的参数,实现系统的校正补偿,使得表头和控制器之间获得良好的参数匹配,最后对全数字式石英挠性加速度计的性能进行了实验测试。课题主要完成以下几部分工作:针对石英摆片二阶扭转模态在加速度测量中引入交叉干扰影响加速度计稳定性的问题,建立了石英摆片悬臂梁模型,分析了石英摆片结构参数对加速度计性能的影响,并采用ANSYS模态和静力学仿真对其进行优化设计,从而提高了加速度计的稳定性。针对线圈工作气隙内磁场分布不均匀影响加速度计稳定性的问题,建立了力矩器磁路模型,并且采用Maxwell仿真了力矩器磁路结构内磁场分布情况,根据线圈工作气隙内磁场分布情况,进一步优化了力矩器结构。针对模拟伺服回路与数字测量系统兼容时转换电路产生额外的精度损失问题,以及数字脉冲伺服回路由于器件的精度、稳定性和对称性的限制,性能难以提高的问题,设计了全数字伺服回路。其中,采用交流不平衡电桥实现加速度计内差动电容信号的检测,减小了寄生电容的影响;通过相敏检波的方法提取加速度信号,提高了信号的抗干扰能力;在伺服回路中增加了模数转换和数模转换电路,实现了闭环控制环节的全数字化,从而直接数字化测量加速度;最后,通过功率放大提高反馈电压的驱动能力,提高了加速度计的量程。针对石英挠性加速度计伺服回路由于无法对每个加速度计表头的系统函数进行特定的补偿网络设计而影响最终加速度测量系统动态特性的问题,采用电激励法进行了加速度计开环系统辨识实验并且获得准确的加速度计表头传递函数,之后根据加速度计动态特性设计指标设计了数字补偿控制器,从而改善加速度计的静态和动态特性。完成了全数字石英挠性加速度计静态和动态性能指标的测试。通过重力场中标定的方法建立了加速度计的静态数学模型。实验结果表明,加速度计的测量分辨力达到20μg,稳定性优于100μg,非线性为0.37%,测量带宽为198Hz。本文的研究成果改进了传统模拟石英挠性加速度计信号输出和控制器的形式,解决了由机械加工装配误差和伺服回路参数不可调整而引起的表头和伺服回路参数不能良好匹配的问题,针对每一个工作参数不同的加速度计表头,通过系统模型辨识的方法实现控制系统的优化设计,提高加速度计的静态和动态性能。


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