一种高精度石英挠性加速度计自动测试系统设计

・８６・　工业仪表与自动化装置　２０１７年第１期　一种高精度石英挠性加速度计自动测试系统设计　于浩，傅凯渤，刘英男　（北京航天控制仪器研究所，北京１０００９４）　摘要：石英挠性加速度计（简称石英加表）作为惯性平台的核心器件，其精度、可靠性是国内外　研究的重点。该文研发了一套加速度计自动测试系统，采用强制均温和半导体制冷片调温的温控　仪实现了采样电阻的精确温控，可针对不同采样电阻对测试精度的影响，应用采样电阻补偿算法，　有效提高了温度稳定性和采样测量精度。经试验验证，采样电阻最小误差为百万分之４．３，可控采　样电阻温度变化小于０．０２　ｏＣ，输出最大温度漂移为０．０１　Ｖ，满足实际工程需求。　关键词：石英挠性加速度计；温控仪；采样电阻补偿；多路数据采集　中图分类号：ＴＰ２１６　文献标志码：Ｂ　文章编号：１０００—０６８２（２０１７）０１—００８６—０５　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｔｅｓｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｑｕａｒｔｚ　ｆｌｅｘｕｒｅ　ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ　ＹＵ　Ｈａｏ，ＦＵ　Ｋａｉｂｏ。ＬＩＵ　Ｙｉｎｇｎａｎ　（Ｂｅｏ＇ｉｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＡｅｒｏｓｐａｃｅ　ＣｏｎｔｒｏＺ　Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００９４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｑｕａｒｔｚ　ｆｌｅｘｉｂｌｅ　ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ（ｒｅｆｅｒｒｅｄ　ｔｏ　ａｓ　ｑｕａｒｔｚ　ａｅｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ）ａｓ　ｔｈｅ　ｃｏｒｅ　ｄｅｖｉｃｅ　ｏｆ　ｉｎｅｒｔｉａｌ　ｐｌａｔｆｏｒｍ，ｉｔｓ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ａｎｄ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｆｏｃｕｓ　ｏｆ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｔ　ｈｏｍｅ　ａｎｄ　ａｂｒｏａｄ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ａ　ｓｅｔ　ｏｆ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｔｅｓｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ａｅｅｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ　ｉｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓａｍｐｌｉｎｇ　ｒｅｓｉｓｔｏｒ　ｉｓ　ｒｅａｌｉｚｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｗｉｔｈ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｆｏｒｃｅｄ　ｕｎｉｆｏｒｍ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｂｙ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ｃｏｏｌｉｎｇ　ｐｌａｔｅ．　Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓａｍｐｌｉｎｇ　ｒｅｓｉｓｔｏｒ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ，ｉｔ　ｃａｎ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｔｅｓｔ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓａｍｐｌｉｎｇ　ｒｅｓｉｓｔｏｒ．Ｉｔ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｉｍｐｒｏｖｅｓ　ｔｈｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｏｆ　ｓａｍｐｌｉｎｇ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｍｉｎｉｍｕｍ　ｅｒｒｏｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓａｍｐｌｉｎｇ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｉｓ　４．３　ｐｐｍ，ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｈａｎｇｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ　ｓａｍｐｌｉｎｇ　ｒｅｓｉｓｔｏｒ　ｉｓ　ｌｅｓｓ　ｔｈａｎ　０．０２　ｏＣ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｄｒｉｆｔ　０．Ｏ　１　Ｖ，ｗｈｉｃｈ　ｍｅｅｔｓ　ｔｈｅ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｑｕａａｚ　ｆｌｅｘｉｂｌｅ　ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；ｓａｍｐｌｉｎｇ　ｒｅｓｉｓｔｏｒ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ；　ｍｕｌｔｉ—ｃｈａｎｎｅｌ　ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　０　引言　石英加表是线加速度传感器，广泛应用于航空　控制系统的需求　。该文设计了一套自动测试系　统，不仅对石英加表表头进行温控，还将采样电阻纳　入高稳定度的温控环境，采用自主研发的惯性仪表测　试用温控仪对采样电阻进行高精度控制，同时应用多　种举措来降低数据采集中的测量误差，并通过试验验　证该测试系统的各项功能。　天惯性导航系统，其精度对导航系统的控制精度和　应速度有直接影响…。除内部结构和制造工艺外，检　测仪器的精度也制约了石英加表的最终精度。传统　控制系统的温控精度一般为０．１℃，不能满足高精度　收稿日期：２０１６—０６—１３　１　自动测试系统概述　１．１石英加表性能指标　当加速度沿加速度计的输入轴方向作用时，挠　作者简介：于浩（１９８８），男，山东淄博人，硕士，助理工程师，研　究方向为电机控制，精密机电技术。　２０１７年第１期　工业仪表与自动化装置　・８７・　性摆片发生偏转，由差动电容检测到信号变化，经驱　动放大转换成电流信号反馈到恒定磁场中的力矩器　产生再平衡力矩，使挠性摆片回复到平衡位置；同时　出控制量，进而控制加热器的工作。针对采样电阻　对测试精度的影响，应用采样电阻补偿算法，可有效　地提高温度稳定性和检测精度。自动测试系统工作　原理如图１所示。　加速度计也输出该电流信号　Ｊ。反馈惯性力与　加速度引起的惯性力相等，则：　，＝ｍａ／ＢＬ　（１）　石英加表的输出为：　Ｖ＝Ｒ采样ｍａ／ＢＬ　（２）　图１　自动测试系统工作原理图　式中：，为差动电容检测输出电流，Ｒ为采样电阻。　由式（２）可知，串联一个精密电阻，即可获得石　英加表的输出电压信号　。　１．２自动测试系统工作原理　石英加表能够灵敏的感到重力变化而输出电压　２　高精度温控系统设计　２．１结构设计　石英加表自动测试系统由石英加表温控系统、　高精度采样电阻温控系统、工控机、数据采集系统、　转台等组成，其结构如图２所示。采样电阻温控系　统是自动测试系统的关键部件，包括温度控制器、功　信号，若提高该信号的检测精度则需要提高采样电　阻的采样精度。将采样电阻置于温控仪中，测量采　样电阻的温度，并与期望温度对比，通过控制算法输　盘链ｌ２　《０　表】ｌ装　率放大电路、恒温容器和温度传感器。　ＳＷＹ．４　旗挠性　违度ｌＩ湍控披（Ａ　Ｂ）　凰旦，　雕谴ＳＷ艘Ｙ　４　Ｉ越石蹦　甍ｌ仪　挠（ｃ健—　Ｄ　８５０８Ａ８　Ｉ，２幢数字多川表　亿　ｔ　板　多路数据采集控静ｊ毹镜　ＳＷＹ；４膏乏群电　高精度　ｆ莨控制誊统　总电源纾涟　化ｑｆ　、ｒ扳　跤ｌ　图２石英加表自动测试系统构成图　２．１．１温控仪设计　半导体制冷片安装在恒温容器的四周和上下　侧。采取４种措施增强温控仪的温控精度和敏　感度：　传统温控器一般用帽罩加热，以空气作为导热　介质，由于空气比热容小，易受外界环境温度影响，　会使内部温度分布不均匀。石英加表信号的高精度　采样电阻必须置于一种更好的温控介质中。针对石　１）恒温容器外壳选用高热导率材料制作。目　前工业上运用的高导热率均温材料主要有紫铜、黄　英加表采样电阻，该文采用了一种控温精度高、稳定　性好、控温均匀，具有强制均温和半导体制冷片调温　功能的高精度温度控制仪。　温控仪包括温度控制器、功率放大电路、恒温容　铜与铝（三者热导率见表１）。最终选用热导率最高　的紫铜作为壳体材料，制成恒温槽体和恒温槽盖，起　首次均温的作用。　表１紫铜、黄铜与铝的热导率　器和温度传感器４个部分，构成闭环温度控制系统。　温度传感器和被测对象置于恒温容器内。由恒　温容器中心部位的温度传感器实时采集被测对象的　温度信号传给温度控制器，与温度预设值进行比较　产生控温信号，经滤波和功率放大后给恒温容器外　侧的半导体制冷片供电，调节恒温容器的温度对被　测对象进行加热或制冷，直到稳定在设定值。　２）恒温容器内壁温差较大，为保证采样电阻温　度的稳定性，采用紫铜制成具有孔洞的均温体包容　采样电阻，增强采样电阻的强制均温效果。　３）通过控制恒温槽体底部和恒温槽盖上的半　・８８・　工业仪表与自动化装置　２０１７年第１期　导体制冷片的电流大小产生上下间的微小温差，加　速恒温容器腔内介质（硅油）的流动，以强化均温　作用。　４）在介质（硅油）上、下流动的途径中设置挡流　２．１．２多路数据采集及多线制测量技术　每个系统通过多路数据采集能同批测量４８只　石英加表，效率大为提高。为了提高测量精度，将石　英加表输出的电流通过精密采样电阻转化为电压，　１　片，使介质产生水平方向旋转，加强传导和对流，以　强化均温作用。　再用高精度的参考级８　ｑ　－位数字多用表８５０８Ａ测　二　上述均温措施结构紧凑，体积小，控温功耗小。　采用半导体制冷片作为调温元件，加热效率高，升温　温控时节电效果明显；降温温控时不需要传统温控　系统的压缩机部分，具有反应快，无震动，无致冷剂，　无污染的优点。　量电压。如图３所示，为减少测量误差采用两种方　法：１）每个采样电阻采用四线制测量；２）所有采样　电阻的４根引出线严格采用等截面、等长度。　试验证明，系统温度控制精度可达±０．０２℃，　稳态温控精度相应提高，达到稳定温度的时间缩短　３０％以上，电源功率大幅下降。以实验用采样电阻　温控系统为例，在设定温度比环境温度高２—３℃的　供电＋　供电一　图３采样电阻采用四线制测量　情况下电压可由２６　Ｖ降至５　Ｖ，电流由３．６　Ａ降至　０．４　Ａ，节能效果明显，减少了对环境的影响；由于电　压、电流大幅下降，减少了对被测对象的振动干扰；　２．２硬件电路设计　系统选用ＦＢ４００作为核心控制器，硬件电路包　括电源模块、信号调理模块和过热保护模块。电路　组成如图４所示。　结构紧凑，体积缩小近一半。　刚囹蜓Ｉ　电源模块　　图４温控系统电路组成图　１）主控制器ＦＢ４００控制采集的温度信号跟踪　件配置直接切断温控系统的控制电路，避免测试工　位中的石英加表与高精度采样电阻受到高温环境　破坏。　给定温度信号，通过ＰＩＤ调节输出信号。　２）控制系统由工频电源供电，首先将２２０　Ｖ变　压，经整流滤波、浪涌抑制后，用稳压芯片ＬＭ３１７Ｔ　和ＬＭ３３７Ｈ变换为±５　Ｖ为调理电路供电，同时得　到＋２４　Ｖ为过热保护模块供电。为保证电源输出　２．３采样电阻补偿算法设计　石英加表的输出电流经采样电阻转化为电压　值。采样电阻的精度直接影响被测惯性仪表的精　度，因此尽量选用高精度的采样电阻。但随着选用　采样电阻精度的提高，成本急剧升高。为降低生产　成本，采用人工操作的方式进行优化。　精度，调整电源稳压芯片的输出电阻，使电压精度　≤１％，电压调整率≤０．５％。　３）主控制器对温度进行算法处理后输出控制　信号。选用低成本、高精度仪表放大器ＡＤ６２０对　ＦＢ４００输出控制信号进行放大，经ＭＡＸ２８０滤波，　再经过ＭＡＸ４１６８驱动放大后控制三极管通断，控　制加热器工作。　４）对控制器ＦＢ４００设定温度控制上限，当温　该次采样电阻是阻值为８４０　ｎ的精密合金箔　电阻器，精度±０．０１％，ＴＣＲ±２×１０　／℃。所有　１　电阻在恒温操作间内采用８÷位的高精度数字表　二　８０８５Ａ测量阻值。然后分组，阻值彼此差值最小的　４８只为一组，共１２组；每组的４８只电阻的阻值加　控系统输出失常使温度异常升高时，切断温度控制　器输出，并对温度控制器复位；若监测到温控系统　温度继续上升，ＦＢ４００会输出高电平信号，利用硬　权平均算出平均值，作为该组的系统平均值，进行　误差补偿。有以下两点优点：　１）使每组阻值的分散性（即相对于该组的随　・８９・　机　）犬人缩小；　的１／４６．５）；最大　为　Ｉ万分之１　０．５（为　２）埘符组的平均值（系统误篪）经过计算机进　行补偿，他珥组的平均值均成为８４０　。　的ｌ／１　９．０）；平均　的Ｉ／３　１．２）．．　＝为　万分之６．４（为　３　结果分析　３．１　采样电阻误差分析　ｎ：实际测试时，１２只，ｒ　加表安装　用一　泓控制的．［装中，以１２只采样电阻为一组进行　补偿，精度将进一步提高　８５０８Ａ，５７２０等离精　度洲　仪器，使用前心　输入端清零　采样电阻测量表　２昕示，试制的ｌ　２　洲试系统巾，测得　的采样ｌＵ　最小误筹为玎万分之４．３（为原误　表２　泓下保持３～４　ｈ，测　３．２采样电阻温度特性　ｒ１功测试系统能够同【Ｊ、ｆ完成４８只　焚ＪＪ＇ｌ　Ｊ　的测试　试验厂房搭建ｒ　ｆ　１动测试系统，采ｊｔＪ温控　过４０　ｒａｉｎ左右温控仪能够达剑稳定状态。．【｝｛　３　ＩＩｊ‘　度　变化≤０．０２　ｏＣ（　３　ｒｆ１　１２个热敏电『５ｌ【放　仪ｐ　Ｂ４００；　『　部和侧面共柯ｌ　２个ＪＪＩＩ热器，用ｌ『维　持　度　定；温控仪　设置仃ｌ　２个热敏电阻检测　温发变化　温榨仪如Ｉ冬１　５所示，测试系统如［冬１　６　所　丁濉控仪的上、下干¨　圳），测试各项指标满足Ｊ　使川要求　Ｊ纠５采样Ｉ【ｉ　Ｊ５Ｊｌ　仪实物　６测试系统　经过　试与改进，目　一套　炎挠性加速发｝　・９０・　工业仪表与自动化装置　表３热敏电阻测试温度变化　２０１７年第１期　３．３石英加表输出温度特性　系统要求石英加表必须满足高稳定性。将采样　电阻放置在温控仪中，转台采用帽罩保温，设置温度　从２０℃升至４０℃，经４０　ｍｉｎ左右系统达到稳定状　态，记录石英加表的输出值。图７为石英加表输出　围内，石英加表输出最大温漂０．０１　Ｖ，保证石英加　表的测试精度和稳定性满足实际工程需求。　参考文献：　［１］　李永光．高精度加速度计标定与补偿技术研究［Ｄ］．哈　尔滨：哈尔滨工业大学，２０１１．　值随温度变化曲线图，石英加表输出的最大温度漂　移为０．０１　ｖ。　ｌＯ．６Ｏ　［２］Ｔｅｘａｓ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ　Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ．１６一Ｂｉｔ，Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｏｕｔｐｕｔ，　ＳｅｆｉＭ　Ｉｎｐｕｔ　ＤＩＧＩＴＡＬ——ＴＯ——ＡＮＡＬＯＧ　ＣＯＮＶＥＲＴＥＲ　［ＤＢ／ＯＬ］．（２００７—１１）［２０１５—７］　［３］　戴逸狲．高精度智能石英挠性加速度计温控仪的研制　［Ｄ］．北京：北方工业大学，２０１２．　一　ｌＯ．５５　ｌ０．５０　ｉ０　４５　ｌ０　４０　１０　３５　ｌ０　３０　１０　２５　１０．２Ｏ　；　［４］刘梅，李秋萍，潘成炜．一种加速度计自动测试系统的　设计与应用［Ｊ］．航空精密制造技术，２０１０，４６（５）：　９—１１．　［５］　于湘涛，魏超，武志忠，等．基于ＰＳＶＲ的加速度计组合　温控系统被控对象建模［Ｊ］．系统工程与电子技术，　２０１４，３６（０９）：１８３３—１８３７．　图７石英加表输出值随温度变化曲线图　［６］　赵媛，尚雅层，刘岩，等．石英挠性加速度计性能分析　平台的构建［Ｊ］．弹箭与制导学报，２０１０，３０（５）：　１９３—１９５．　４结论　该文在分析石英挠性加速度计稳定度和测量精　［７］　段永远．三轴石英挠性加速度计组合的温度控制研究　［Ｄ］．重庆：重庆大学，２０１２．　度的基础上，设计了一套石英挠性加速度计自动测　试系统，试验结果表明采样电阻最小误差为百万分　之４．３，能将采样电阻温度波动控制在±０．０２　ｏＣ范　［８］程远超，黄伟，姚少非，等．一种手自一体石英挠性加　速度计温控仪的设计［Ｊ］．导航与控制，２０１４，１３（６）：　２４—２８．