石英撓性加速度計(jì)輸出噪聲特性分析*

侯文超 劉曉東 吳 畏 王得信

(天津航海儀器研究所 天津 300131)

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石英撓性加速度計(jì)輸出噪聲特性分析*

侯文超 劉曉東 吳 畏 王得信

(天津航海儀器研究所 天津 300131)

論文針對(duì)高精度加速度計(jì)的輸出噪聲特性進(jìn)行分析,包括加速度計(jì)表體、線路、檢測(cè)儀表及測(cè)試環(huán)境。通過(guò)分析闡明加速度計(jì)輸出噪聲產(chǎn)生的根源,給出加速度計(jì)表體具有的分辨能力以及采取相應(yīng)措施滿足系統(tǒng)對(duì)分辨率的需求。

高分辨率; 加速度計(jì); 噪聲分析

Class Number V241.622

1 引言

加速度計(jì)是慣性導(dǎo)航與制導(dǎo)系統(tǒng)的核心元件,隨著系統(tǒng)對(duì)其精度的需求越來(lái)越高,重力無(wú)源輔助導(dǎo)航是必不可少的,它需要精確測(cè)量地球重力場(chǎng)加速度[1]。同時(shí)地球物理勘探、礦物資源開(kāi)發(fā)也需要精確測(cè)量地球重力場(chǎng)加速度梯度的變化。這也是目前國(guó)內(nèi)研究的重點(diǎn)。重力場(chǎng)加速度及加速度梯度測(cè)量的關(guān)鍵指標(biāo)之一是分辨率。分辨率是靜態(tài)指標(biāo),測(cè)試時(shí)需要小的加速度輸入,通過(guò)輸出信號(hào)判斷是否能敏感這個(gè)加速度。進(jìn)行超高分辨率測(cè)試時(shí),對(duì)環(huán)境的要求是比較苛刻的,包括隔振地基、穩(wěn)定的環(huán)境溫度、均衡的磁場(chǎng)等。噪聲是動(dòng)態(tài)指標(biāo),是對(duì)環(huán)境條件、測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行評(píng)估,看是否滿足分辨率對(duì)應(yīng)的輸出指標(biāo)要求。噪聲用頻譜及功率譜密度表示,依據(jù)測(cè)試結(jié)果,選擇功率譜密度低的頻段進(jìn)行分辨率測(cè)試,才能挖掘加速度計(jì)表體本身具有的分辨率潛力。當(dāng)然噪聲低并不代表具有高的分辨率,但它是一個(gè)前提。分辨率與噪聲的關(guān)系如下:

(1)

式中,D為分辨率;An為噪聲功率譜密度;Bw為帶寬。

2 加速度計(jì)工作原理及輸出特性

本文選用的加速度計(jì)類型為石英撓性加速度計(jì)。石英撓性加速度計(jì)由檢測(cè)質(zhì)量、磁鋼、位置傳感器、感應(yīng)線圈和反饋回路所組成[2～4]。如圖1所示。

圖1 石英撓性加速度計(jì)結(jié)構(gòu)

石英撓性擺組件包括石英擺片和上下力矩器線圈。力矩器線圈外圍石英擺片盤面上下沉積有金屬電極,與磁鋼組件的端面形成差動(dòng)電容敏感器。石英撓性擺組件夾持在上下磁鋼組件之間。磁鋼組件提供所需的氣隙磁場(chǎng)。當(dāng)有加速度輸入時(shí),由石英擺片和力矩器線圈組成的檢測(cè)質(zhì)量相對(duì)平衡位置發(fā)生偏轉(zhuǎn),擺片端部的變距離差動(dòng)電容的橋路容抗發(fā)生變化,輸出反映擺偏角的電信號(hào),伺服放大器把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào),輸入到力矩器線圈,兩個(gè)力矩器推挽式工作,使舌形擺片重新回到平衡位置[5～7]。

其工作原理[8～9]可以用圖2所示的方框圖表示,圖中R為標(biāo)準(zhǔn)采樣電阻。

圖2 石英撓性加速度計(jì)輸出特性方框圖

輸出特性方程:

(2)

3 輸出噪聲

從特性方程(2)可以看出KF反饋放大系數(shù)大可降低a0交叉加速度對(duì)輸出的影響,但線路輸出的信噪比也相對(duì)增大,因此合理選擇回路參數(shù)及器件對(duì)降低噪聲至關(guān)重要。

為了降低環(huán)境對(duì)加速度計(jì)測(cè)試性能的影響,通常選擇隔振基座和恒溫恒壓條件,隔振基座減震水平要高于加速度計(jì)要測(cè)試的分辨力精度?，F(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室隔振基座精度為10-6g量級(jí),恒溫恒壓條件為T±3℃/d,在此基礎(chǔ)上對(duì)研制的石英撓性加速度計(jì)進(jìn)行噪聲測(cè)試。測(cè)試儀表為八位半的agillent-3458A,采用不同的積分時(shí)間得到不同頻段的輸出特性,利用頻譜分析和功率譜密度表征噪聲特征及大小。積分時(shí)間2E-3對(duì)應(yīng)采集頻率430Hz,2E-2對(duì)應(yīng)采集頻率43Hz,2E-1對(duì)應(yīng)采集頻率4.9Hz。通過(guò)對(duì)采集數(shù)據(jù)的移動(dòng)濾波處理,窗口寬度為10,可得到相應(yīng)的噪聲特性,如圖3所示。

(a) 2E-1噪聲測(cè)試

(b) 2E-2噪聲測(cè)試

(c) 2E-3噪聲測(cè)試圖3 噪聲測(cè)試

從頻譜圖可以看出,在6Hz～8Hz、10Hz～12Hz、20Hz、40Hz、60Hz、80Hz頻率附近噪聲相對(duì)比較大,對(duì)多只石英撓性加速度計(jì)進(jìn)行測(cè)試后發(fā)現(xiàn)都有相同特性。采用相同實(shí)驗(yàn)室不同的基座或不同實(shí)驗(yàn)室的基座進(jìn)行測(cè)試,發(fā)現(xiàn)在上述頻段或附近仍具有較大的噪聲共性。不同頻段輸出噪聲功率譜密度如表1所示。

表1 加速度計(jì)不同頻段輸出噪聲

4 噪聲特性分析

要降低噪聲,就要了解噪聲產(chǎn)生的根源,本文主要從加速度計(jì)表體本身、力反饋回路、檢測(cè)儀表和測(cè)試環(huán)境進(jìn)行噪聲特性分析。

4.1 表體本身

加速度計(jì)工作采用模擬力反饋回路,工作時(shí)石英擺組件不是靜止不動(dòng)的,從電容敏感偏移到電磁力反饋拉到中心是有時(shí)間差的,這個(gè)時(shí)間是力反饋回路工作的時(shí)間,一般比較短在幾百微秒,相對(duì)頻率在幾百赫茲,然而從測(cè)試結(jié)果看并不存在這個(gè)頻率。并且石英擺組件運(yùn)動(dòng)會(huì)帶動(dòng)周圍氣體運(yùn)動(dòng),對(duì)擺組件產(chǎn)生擠壓,其頻率與擺組件運(yùn)動(dòng)頻率一致。

另外,為了驗(yàn)證擺組件固有頻率是否會(huì)帶來(lái)噪聲,對(duì)其采取了有限元模態(tài)分析[10～11],如圖4所示。

(a) 一階陣型

(b) 二階陣型

模態(tài)分析主要包括基頻、扭頻。扭頻主要是擺不平衡運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)所致。

為進(jìn)一步驗(yàn)證石英擺組件運(yùn)動(dòng)可能帶來(lái)的噪聲干擾,對(duì)石英擺組件進(jìn)行了固有頻率、扭頻及衰減特性測(cè)試。測(cè)試方法為對(duì)石英擺組件檢測(cè)質(zhì)量中心短暫吹氣,檢測(cè)擺組件運(yùn)動(dòng)特性,測(cè)其基頻和扭頻。測(cè)試結(jié)果如表2所示,測(cè)試裝置如圖5所示。

表2 擺片組件模態(tài)分析和測(cè)試結(jié)果

4.2 力反饋回路及檢測(cè)儀表

力反饋回路主要包括電容敏感、交流放大、帶通濾波、相敏解調(diào)、校正網(wǎng)絡(luò)、低通濾波和電流放大。測(cè)試時(shí)回路不接加速度計(jì)表體,將輸入短路測(cè)輸出噪聲。測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖5 擺片組件固有頻率測(cè)試裝置

(a) 2E-1短接測(cè)試

(b) 2E-2短接測(cè)試

(c) 2E-3短接測(cè)試圖6短接測(cè)試結(jié)果

由圖6(c)可知,在頻率20Hz、40Hz、60Hz、80Hz上噪聲比較大,與加速度計(jì)輸出噪聲頻率能對(duì)應(yīng)上,說(shuō)明在該頻率上產(chǎn)生的噪聲不是表體引起的。然而這種測(cè)試還不能說(shuō)明噪聲是力反饋回路引起的,因?yàn)闄z測(cè)儀表也在檢測(cè)線路中,為了驗(yàn)證是否由其引起,對(duì)檢測(cè)儀表也進(jìn)行了噪聲測(cè)試。測(cè)試方法將3458A輸入短路進(jìn)行噪聲測(cè)試,結(jié)果與圖6(c)對(duì)應(yīng)積分時(shí)間噪聲相同,可以說(shuō)明20Hz、40Hz、60Hz、80Hz上的噪聲不是力反饋回路所致,而是由檢測(cè)儀表所引起。并且由圖6(b)可以給出在6Hz～8Hz、10Hz～12Hz上的噪聲與加速度計(jì)表體有關(guān),但是與表體本身有關(guān)還是與環(huán)境輸入震動(dòng)加速度有關(guān),還需要進(jìn)一步分離試驗(yàn)。

4.3 隔振基座

隔振基座是加速度計(jì)性能測(cè)試的關(guān)鍵。其是否能滿足10-8～10-9g量級(jí)的需求沒(méi)有檢測(cè)驗(yàn)證過(guò),為此借助三分向?qū)掝l帶地震計(jì)CMG-3ESPC對(duì)隔振基座進(jìn)行了震動(dòng)測(cè)試,用上述噪聲分析法對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,采集頻率為50Hz,其結(jié)果如圖7所示。

圖7 隔震基座噪聲測(cè)試

由圖7可知,在頻率6Hz～8Hz、10Hz～12Hz、17Hz～23Hz上的噪聲比較大,與加速度計(jì)輸出噪聲頻段基本能對(duì)上,因地震計(jì)采集頻率相對(duì)加速度計(jì)采集頻率高,所以反映出了在17Hz～23Hz處也有大的噪聲。

綜上試驗(yàn)噪聲分析,可以確定加速度計(jì)輸出在20Hz、40Hz、60Hz、80Hz、6Hz～8Hz、10Hz～12Hz上的噪聲是由檢測(cè)儀表,表體固有頻率及隔振基座引起。但在6Hz～8Hz、10Hz～12Hz上的噪聲是否就由隔振基座引起,是否有表體的噪聲疊加在其上,還不能斷論,希望有更好的隔振基座來(lái)試驗(yàn)分離。

4.4 山洞實(shí)驗(yàn)

山洞遠(yuǎn)離城市繁雜活動(dòng),具有安靜恒溫的條件。本試驗(yàn)借助了山洞的超凈環(huán)境,其隔振基座減震能達(dá)到10-9～10-10g量級(jí),最有利的是不需要通風(fēng)保持恒溫,通過(guò)防風(fēng)措施,使溫度保持在T±0.01℃/h。在此條件下對(duì)加速度計(jì)輸出噪聲進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

表3 山洞中加速度計(jì)不同頻段輸出噪聲

(a) 2E-1噪聲測(cè)試

(b) 2E-2噪聲測(cè)試

(c) 2E-3噪聲測(cè)試圖8 噪聲測(cè)試結(jié)果

由圖8(c)可知,20Hz、40Hz、60Hz、80Hz的噪聲還是存在的,說(shuō)明是檢測(cè)儀表引起的。而由圖8(b)可知在6Hz～8Hz、10Hz～12Hz上的噪聲不存在了,可以確定加速度計(jì)表體不會(huì)產(chǎn)生此頻段噪聲。從功率譜密度來(lái)看,山洞高頻噪聲在2E-2、2E-3頻段沒(méi)有太大的差別,但較中心實(shí)驗(yàn)室低1～2個(gè)數(shù)量級(jí),在低頻段2E-1及2E-1(濾波)噪聲只降低了1倍,說(shuō)明山洞對(duì)高頻隔振效果好。從長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性測(cè)試看(10s采集),輸出噪聲帶寬要低于實(shí)驗(yàn)室1個(gè)數(shù)量級(jí),這有利于分辨率測(cè)試。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)噪聲測(cè)試及試驗(yàn)分析,闡明了噪聲產(chǎn)生的根源,提出了高分辨率加速度計(jì)測(cè)試必須注重檢測(cè)儀表及環(huán)境因素,尤其是隔振基座和周圍環(huán)境的溫度、風(fēng)阻、磁場(chǎng)等。也挖掘了加速度計(jì)具有的最低噪聲和高的分辨能力。對(duì)后期系統(tǒng)使用可提出建設(shè)性意見(jiàn)。

[1] 李曉平,楊功流,楊曄.旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)重力梯度儀加速度計(jì)匹配技術(shù)研究[A].中國(guó).寧波,2008,34-40.

[2] LEMKIN M, BOSER B E. A three axis micro machined accelerometer with a CMOS position sense inter face and digital offset trim electronics[J]. IEEE Journal of solid State Circuits,1999,34(4):456-468.

[3] ALBERT WILLIAM C. Monolithic quartz structure vibrating beam accelerometer[C]//The Annual IEEE, International Frequency Control Symposium, Boston, MA, USA,1994:415-420.

[4] O’KEEFE Graeme Joseph, LEE James Beresford, TURNER Robert John, et al. Gravity Gradiometer Accelerometers[P]. US, 6575029 B1.2003-06-10.

[5] 宋開(kāi)臣,梁萌.基于平面線圈的石英撓性加速度計(jì)的初步設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2008(3):13.

[6] 何鐵春,周世勤.慣性導(dǎo)航加速度計(jì)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1983:253-263.

[7] 王春愛(ài),蔡體菁.撓性加速度計(jì)石英擺片的力學(xué)分析[J].艦船電子工程,2009,29(3):56-60.

[8] 任思聰.實(shí)用慣導(dǎo)系統(tǒng)原理[M].北京:宇航出版社,1988:145-161.

[9] 張鵬飛,龍興武.石英撓性加速度計(jì)誤差補(bǔ)償模型研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2006,(04):1100-1102.

[10] 李亞智.有限元法基礎(chǔ)與程序設(shè)計(jì)[M].北京:科學(xué)出版社,2004:143-150.

[11] 凌桂龍,丁金濱,溫正.ANSYS Workbench 13.0從入門到精通[M].北京:清華大學(xué)出版社,2012:137-158.

Output Noise Characteristics Analysis of the Quartz Flex Accelerometer

HOU Wenchao LIU Xiaodong WU Wei WANG Dexin

(Tianjin Institute of Navigation Instrument, Tianjin 300131)

Analysis were made in the paper aiming at the output noise characteristics of high precision accelerometer, including accelerometer itself, circuit, testing instrument and testing environment. The reasons which lead to produce the noise through the analysis are found out to provide the resolution of the accelerometer and take some measures to meet the system’s need of the resolution.

high precision, accelerometer, noise analysis

2014年9月11日,

2014年10月31日

國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào):2006AA06A203)資助。

侯文超,男,碩士研究生,研究方向:慣性導(dǎo)航元件噪聲。劉曉東,女,研究員,碩士生導(dǎo)師,研究方向:慣性導(dǎo)航器件的結(jié)構(gòu)與性能。吳畏,男,工程師,研究方向:慣性元件技術(shù)。王得信,男,高級(jí)技師,研究方向:石英撓性加速度計(jì)工藝。

V241.622

10.3969/j.issn1672-9730.2015.03.012