專利名稱：一種零位自補償?shù)木€性加速度計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種零位自補償?shù)木€性加速度計。
背景技術(shù)：
加速度計是慣性導(dǎo)航、慣性制導(dǎo)、飛行自動控制系統(tǒng)中最核心的敏感元件之一，用來測量沿其輸入軸作用的常值和低頻加速度％，無論在航天航空，還是在其它技術(shù)領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。慣性級加速度計常為閉環(huán)擺式結(jié)構(gòu)形式，其主要由信號傳感器、力矩器、 再平衡電路組成。當(dāng)前高精度加速度計的信號傳感器一般采用電容式，例如，應(yīng)用在戰(zhàn)術(shù)與戰(zhàn)略導(dǎo)彈上的美國QA3000加速度計傳感器就為電容式?，F(xiàn)有高精度加速度計的組成及原理見圖1。在該圖中電容器Cp C2的差動電容大小(pF級)及穩(wěn)定性直接決定了加速度計零位的大小及零位的長期穩(wěn)定性性能。近年來隨著應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展，對加速度計零位的大小及零位的長期穩(wěn)定性性能的要求在不斷提高。依照其應(yīng)用對象和使用環(huán)境，加速度計零位的大小大體要求在10- 10_5g范圍；零位的長期穩(wěn)定性性能10_5g 10_6g。從現(xiàn)有高精度加速度計的組成及原理圖1可以看出，由于電容信號傳感器中決定電容量大小的動板和定板采用機(jī)械連接或膠粘工藝，隨著時間的推移或溫度的變化，動板、 定板會發(fā)生變形，機(jī)械連接部分也會變化或膠粘變形，使傳感器的電容量發(fā)生變化，使加速度計零位的大小及零位的長期穩(wěn)定性性能發(fā)生變化。為了滿足加速度計的零位大小要求及提高零位的長期穩(wěn)定性性能，從國內(nèi)外的信息可以得出，一方面用戶應(yīng)用加速度計時，需定期對加速度計及用戶系統(tǒng)反復(fù)重新進(jìn)行標(biāo)定，可靠性差且成本高；另一方面研制新型加速度計，包括改進(jìn)磁路(采用高磁稀土永磁材料以及改善溫度穩(wěn)定性等)、選用新型信號傳感器、改進(jìn)撓性鉸鏈、優(yōu)化電子線路和增加溫度補償?shù)确矫?，采用此種方式生產(chǎn)的加速度計，其原理復(fù)雜、成本高、體積大、可靠性差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了原理簡單、實施方便、成本低、可靠性高的一種零位自補償?shù)木€性加速度計。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是裝置包括電容定板、電容動板、電容檢測極板、第一電容拾取電路、第二電容拾取電路、補償電路、校正驅(qū)動電路、力矩器、固定柱、殼體；電容定板位于電容動板和電容檢測極板的中間位置，電容定板兩工作面均有對稱的電極板13，電容定板上的電極板分別與電容動板和電容檢測極板上的電極板構(gòu)成四個電容器；電容檢測極板及其上面電極板的材料、形狀、尺寸大小與電容動板完全相同，并且結(jié)構(gòu)完全對稱；第一電容拾取電路拾取電容動板和電容定板所構(gòu)成電容C” C2的電壓值，第一電容拾取電路輸出端與補償電路的正輸入端相連，第二電容拾取電路拾取電容定板和電容檢測極板所構(gòu)成電容C3、C4的電壓值，第二電容拾取電路輸出端與補償電路的負(fù)輸入端相連接；補償電路的輸出信號U3接入校正驅(qū)動電路的輸入端，校正驅(qū)動電路輸出端與力矩器中的力矩線圈輸入端連接，力矩線圈輸出端通過采樣電阻&與信號地連接，電容定板、電容動板、電容檢測極板通過機(jī)械緊固件或膠連接在固定柱上。所述的第一電容拾取電路由振蕩器AZ、檢測電橋R1、&、C1、C2、電壓放大器A1組成， 將Ci、C2電容的變化量轉(zhuǎn)換為與Cp C2電容差成正比例的電壓信號仏；第二電容拾取電路由振蕩器AZ、檢測電橋Rp1、Rp2、C3、C4、電壓放大器A2組成，將C3、C4電容的變化量轉(zhuǎn)換為與 C3、C4電容差成正比例的電壓信號U2。所述的補償電路由R3、R4、R5、R6、運算放大器A3組成，其中R3 = R4 = & = &，補償電路的輸出信號U3 = U1-Uy本發(fā)明具有的優(yōu)點和有益效果是在不改變現(xiàn)有加速度計原理的基礎(chǔ)上通過增加電容檢測極板和補償電路，實現(xiàn)加速度計的零位自補償，易于實現(xiàn)加速度計零位大小的調(diào)節(jié)并可提高零位的長期穩(wěn)定性性能?？杀苊庥捎诩铀俣扔嬃阄坏淖兓斐傻挠脩魬?yīng)用系統(tǒng)需定期反復(fù)標(biāo)定的現(xiàn)象，同時可降低應(yīng)用成本，該發(fā)明實施簡單方便，可滿足慣性導(dǎo)航、 慣性制導(dǎo)等系統(tǒng)對加速度計零位大小及零位長期穩(wěn)定性性能的需求。


圖1是現(xiàn)有線性加速度計的組成及原理示意圖；圖2是本發(fā)明線性加速度計的組成及原理示意圖；圖3是本發(fā)明零位自補償?shù)囊环N實施方案及其工作原理示意圖。
具體實施例方式下面對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。參見圖1，圖2，圖3，它包括電容定板1、電容動板2、電容檢測極板3、電容拾取電路4、電容拾取電路5、補償電路6、校正驅(qū)動電路7、力矩器8、固定柱9、殼體10 ；電容定板1位于電容動板2和電容檢測極板3的中間位置，電容定板1兩工作面均有對稱的電極板13，電容定板1上的電極板分別與電容動板2和電容檢測極板3上的電極板構(gòu)成四個電容器，其中CpC2用來敏感輸入的加速度且CpC2電容差與電容動板2所敏感的加速度成正比例關(guān)系，C3、C4電容用來敏感電容定板1、電容檢測極板3、 固定柱8的變形量，電容檢測極板3及其上面電極板的材料、形狀尺寸大小與電容動板2完全相同，則C3、C4電容差可反映因電容定板1、電容動板2、機(jī)械連接部分變形所造成的Cp C2電容差的變化量。電容拾取電路5與電容拾取電路4的原理及元器件性能相一致，電容拾取電路4拾取電容動板和電容定板所構(gòu)成電容C” C2的電壓值，電容拾取電路4由振蕩器AZ、檢測電橋禮、R2, C1, C2,電壓放大器A1組成，實現(xiàn)將Q、C2電容的變化量轉(zhuǎn)換為與Q、 C2電容差成正比例的電壓信號U115電容拾取電路5拾取電容定板和電容檢測極板所構(gòu)成電容C3、C4的電壓值，電容拾取電路5由振蕩器AZ、檢測電橋RPl、Rp2、C3、C4、電壓放大器A2組成，實現(xiàn)將C3、C4電容的變化量轉(zhuǎn)換為與(3、(；電容差成正比例的電壓信號U2。電容拾取電路4輸出端與補償電路6的正輸入端相連，電容拾取電路5輸出端與補償電路6的負(fù)輸入端相連接。補償電路6由R3、R4、R5、R6、運算放大器A3組成，其中R3 = R4 = R5 = R6，則補償電路7的輸出信號U3 = U1I2，補償電路6的輸出信號U3接入校正驅(qū)動電路AX7的輸入端， 校正驅(qū)動電路AX7輸出端與力矩器8中的力矩線圈LjIl輸入端連接，力矩線圈LjIl輸出端通過采樣電阻&與信號地連接，電容定板1、電容動板2、電容檢測極板3通過機(jī)械緊固件或膠連接在固定柱9上，力矩器8包括力矩線圈L:11、磁路12。圖3是本發(fā)明零位自補償?shù)囊环N實施方案及其工作原理示意圖，在該圖中(^、(2是由電容定板1上的電極板與電容動板2上的電極板所構(gòu)成的兩個電容器，CpC2電容差值的大小與電容動板2所敏感的輸入加速度值成正比例關(guān)系，Cl、C2電容差的正負(fù)決定了輸入加速度的方向。由振蕩器AZ、檢測電橋RPl、Rp2, C3、C4、電壓放大器A2組成的電容拾取電路4 將(^丄2電容差值轉(zhuǎn)換成正比例的電壓信號U1,同時電壓信號U1的正負(fù)極性決定了 CpC2電容差的正負(fù)。C3、C4是由電容定板1上的電極板與電容檢測極板3上的電極板所構(gòu)成的兩個電容器，C3、C4電容用來敏感電容定板1、電容檢測極板3、固定柱8的變形量，電容檢測極板3及其上面電極板的材料、形狀尺寸大小與電容動板2完全相同，則C3、C4電容差可反映因電容定板1、電容動板2、機(jī)械連接部分變形所造成的C1W2電容差的變化量。電容拾取電路5與電容拾取電路4的原理及元器件性能相一致，電容拾取電路5由振蕩器AZ、檢測電橋 RPl、Rp2, C3> C4、電壓放大器A2組成，實現(xiàn)將C3、C4電容的變化量轉(zhuǎn)換為與C3、C4電容差值成正比例的電壓信號U2。電容拾取電路4輸出端與補償電路6的正輸入端相連，電容拾取電路5輸出端與補償電路6的負(fù)輸入端相連接。補償電路6由&、R4、I 5、I 6、運算放大器A3組成，其中R3 = R4 = R5 = R6，則補償電路7的輸出信號U3 = U1-U20理想情況下，當(dāng)輸入加速度為Og時，電容拾取電路4的輸出信號U1 = 0V,電容拾取電路5的輸出信號U2 = 0V，則補償電路6的輸出信號U3 = U1-U2 = 0V，校正驅(qū)動電路7 的輸出為0，加速度計的模擬輸出信號為OV ；實際應(yīng)用中，由于材料、制造及安裝工藝等因素，當(dāng)輸入加速度為Og時，電容拾取電路4的輸出信號U1 Φ 0V，造成校正驅(qū)動電路7的輸出端產(chǎn)生了零位誤差，通過調(diào)節(jié)電容拾取電路5檢測電橋中的Rp1或Rp2使電容拾取電路5的輸出信號U2發(fā)生變化，補償電路6 的輸出信號U3 = U1-U2 = 0V，加速度計的模擬輸出信號為0V，實現(xiàn)了零位大小的調(diào)節(jié)功能；隨著時間的推移或溫度的變化，電容定板1、電容動板2會發(fā)生變形、機(jī)械連接部分也會變化或膠粘變形，使傳感器的Cp C2電容量發(fā)生變化，電容拾取電路4的輸出信號 U1 ^ OV = Ultl，校正驅(qū)動電路7的輸出端將會產(chǎn)生零位誤差；但是由于電容檢測極板3及其上面電極板的材料、形狀尺寸大小與電容動板2完全相同，C3、C4電容差與因電容定板1、電容動板2、機(jī)械連接部分變形所造成的C1W2電容差的變化量基本相同。電容拾取電路5與電容拾取電路4的原理及元器件性能相一致，電容拾取電路5將產(chǎn)生電壓信號且^tl Ultl， 補償電路6由R3、R4、R5、R6、運算放大器A3組成，由于R3 = R4 = R5 = R6，則補償電路7的輸出信號U3 = U10-U20 - 0，從而補償了電容拾取電路4所產(chǎn)生的輸出誤差信號U10，使得校正驅(qū)動電路7的輸出端零位誤差近似為零。實施例一電容定板1上的電極板與電容動板2構(gòu)成的CpC2電容器的變化范圍0⑴IOOpF, 電容定板1上的電極板與電容檢測極板3上的電極板所構(gòu)成的電容器C3 = C4 = 50pF, R1 =R2 = IOOkΩ，Rp1 = Rp2 = 150kΩ , R3 = R4 = R5 = R6 = IOkΩ ,采樣電阻 & = IkΩ，將加速度計固定到機(jī)械分度頭上，轉(zhuǎn)動分度頭使加速度計的輸入加速度為0g，用數(shù)字電壓表檢測采樣電阻&端電壓值為llmv，調(diào)節(jié)電容拾取電路5檢測電橋中的Iip2的阻值大小，使采樣電阻&端電壓值從Ilmv減小到0. IOlmv實現(xiàn)了零位大小的調(diào)節(jié)；將加速度計固定到測量基準(zhǔn)穩(wěn)定的高低溫試驗箱中，分別在常溫23°C、-40°C、+70°C用數(shù)字電壓表測量出電容拾取電路4的輸出端電壓值仏、電容拾取電路5的輸出端電壓值隊、采樣電阻&兩端電壓值、并記錄在表1中。從表1可以看出，隨著溫度的變化，電容定板1、電容動板2、電容檢測極板3會發(fā)生變形使Cp C2, C3、C3電容量發(fā)生了變化，由于采用了零位自補償，加速度計的零位模擬輸出信號變化較小(2*10、)，實現(xiàn)了零位的補償作用。表1 記錄的原始數(shù)據(jù)
權(quán)利要求
1.一種零位自補償?shù)木€性加速度計，其特征在于加速度計包括電容定板(1)、電容動板(2)、電容檢測極板C3)、第一電容拾取電路(4)、第二電容拾取電路( 、補償電路(6)、校正驅(qū)動電路(7)、力矩器(8)、固定柱(9)、殼體(10)；電容定板⑴位于電容動板⑵和電容檢測極板C3)的中間位置，電容定板(1)兩工作面均有對稱的電極板(1 ，電容定板(1) 上的電極板分別與電容動板( 和電容檢測極板C3)上的電極板構(gòu)成四個電容器；電容檢測極板(3)及其上面電極板的材料、形狀、尺寸大小與電容動板(2)完全相同，并且結(jié)構(gòu)完全對稱；第一電容拾取電路⑷拾取電容動板⑵和電容定板⑴所構(gòu)成電容C1W2的電壓值，第一電容拾取電路⑷輸出端與補償電路(6)的正輸入端相連，第二電容拾取電路(5) 拾取電容定板⑴和電容檢測極板⑶所構(gòu)成電容(3丄4的電壓值，第二電容拾取電路(5) 輸出端與補償電路(6)的負(fù)輸入端相連接；補償電路(6)的輸出信號U3接入校正驅(qū)動電路 (7)的輸入端，校正驅(qū)動電路(7)輸出端與力矩器⑶中的力矩線圈(12)輸入端連接，力矩線圈(12)輸出端通過采樣電阻&與信號地連接，電容定板(1)、電容動板O)、電容檢測極板C3)通過機(jī)械緊固件或膠連接在固定柱(9)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種零位自補償?shù)木€性加速度計，其特征在于所述的第一電容拾取電路⑷由振蕩器AZ、檢測電橋札、R2, C1, C2、電壓放大器A1組成，將C” C2電容的變化量轉(zhuǎn)換為與Cp C2電容差成正比例的電壓信號U1 ；第二電容拾取電路(5)由振蕩器 (AZ)、檢測電橋RPl、Rp2, C3、C4、電壓放大器A2組成，將C3、C4電容的變化量轉(zhuǎn)換為與C3、C4 電容差成正比例的電壓信號U2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種零位自補償?shù)木€性加速度計，其特征在于所述的補償電路(6)由R3、R4、R5、R6、運算放大器A3組成，其中R3 = R4 = R5 = R6，補償電路(7)的輸出信號 U3 = U1-U2。
全文摘要
本發(fā)明屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種零位自補償?shù)木€性加速度計。加速度計包括電容定板、電容動板、電容檢測極板、兩個電容拾取電路、補償電路、校正驅(qū)動電路、力矩器、固定柱、殼體。本發(fā)明在不改變現(xiàn)有加速度計原理的基礎(chǔ)上通過增加電容檢測極板和補償電路，可自動補償隨時間推移或溫度變化所造成的加速度計零位大小的變化。該發(fā)明原理簡單、實施方便、成本低、可靠性高，可滿足慣性導(dǎo)航、慣性制導(dǎo)等系統(tǒng)對加速度計零位大小及零位長期穩(wěn)定性能的需求。
文檔編號G01P15/125GK102323448SQ20111026727
公開日2012年1月18日 申請日期2011年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月1日
發(fā)明者張堯舜, 肖衛(wèi)民 申請人:中國航空工業(yè)第六一八研究所