高精度石英撓性加速度測量裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究

孫 霖，郭 嵩，王 磊，宋開臣

(1. 海軍駐武漢七一九所軍事代表室，湖北 武漢 430205；2. 武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢 430205；3. 浙江大學(xué) 航空航天學(xué)院，浙江 杭州 310027)

高精度石英撓性加速度測量裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究

孫 霖1，郭 嵩2，王 磊2，宋開臣3

(1. 海軍駐武漢七一九所軍事代表室，湖北 武漢 430205；2. 武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢 430205；3. 浙江大學(xué) 航空航天學(xué)院，浙江 杭州 310027)

加速度測量設(shè)備是現(xiàn)代水下航行器操縱控制系統(tǒng)中不可缺少的關(guān)鍵器件之一，其性能的好壞在整個系統(tǒng)中起著關(guān)鍵性的作用。本文首先介紹了石英撓性加速度測量裝置的工作原理，然后針對磁場和溫度變化影響石英撓性加速度計標(biāo)度因數(shù)和零偏的穩(wěn)定性問題，提出屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計和溫度控制結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方案，并對優(yōu)化效果進(jìn)行預(yù)估計算。結(jié)果表明，經(jīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后加速度測量裝置的測量精度明顯提升。

石英撓性加速度計；屏蔽結(jié)構(gòu)；溫度控制結(jié)構(gòu)

0 引 言

加速度測量裝置是現(xiàn)代水下航行器操縱控制系統(tǒng)的重要測量敏感部件之一，主要用于測量航行器水下運(yùn)動過程中垂直方向的運(yùn)動加速度和運(yùn)動速度，其性能的好壞在整個系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用。加速度測量裝置是以加速度計為主要傳感器件的裝置，因此，加速度計的測量精度是實現(xiàn)高精度運(yùn)動加速度測量裝置的核心。石英撓性加速度計是一種用來測量微小運(yùn)動加速度的傳感器，具有精度高、穩(wěn)定性好、體積小等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于高精度導(dǎo)航技術(shù)以及其他領(lǐng)域。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，實際應(yīng)用中精度要求的不斷提高，對石英撓性加速度計的輸出精度也隨之提高。石英撓性加速度計標(biāo)度因數(shù)和零偏的穩(wěn)定性是衡量加速度計性能好壞非常重要的2項指標(biāo)。在測量微小運(yùn)動加速度過程中，某些物理因素會對加速度計標(biāo)度因數(shù)和零偏的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，比如外界的干擾磁場以及變化的溫度場等。本文針對磁場和溫度變化影響石英撓性加速度計標(biāo)度因數(shù)和零偏穩(wěn)定性問題，通過采用嚴(yán)密電磁屏蔽結(jié)構(gòu)和溫度控制結(jié)構(gòu)，提高加速度測量裝置的測量精度。

1 工作原理

加速度測量裝置采用石英撓性加速度計測量原理，采用4個石英撓性加速度計作為傳感器，4軸冗余設(shè)計，其中Z軸和–Z軸2個加速度計測量垂直方向加速度（通過數(shù)據(jù)融合提高測量精度），X軸和Y軸2個加速度計測量水平方向的加速度。通過對加速度測量裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，進(jìn)行嚴(yán)密電磁屏蔽和精密溫度控制，提高測量精度，實現(xiàn)載體高精度三維運(yùn)動加速度測量。利用X軸和Y軸2個加速度測量裝置實現(xiàn)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，并通過CAN總線接收水下航行器的深度和姿態(tài)信息，對重力加速度進(jìn)行分離，從而得到垂向運(yùn)動加速度和運(yùn)動速度。工作原理如圖1所示。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

加速度測量裝置采用框架式裝配結(jié)構(gòu)，外殼四周安裝散熱片，底部為安裝底座，與安裝平臺連接，頂部設(shè)置電氣接插件，進(jìn)行信息通訊。加速度測量裝置外形如圖2所示。

加速度測量裝置主要由機(jī)架、石英撓性加速度計、加速度計和測量通道屏蔽結(jié)構(gòu)、加速度計和測量通道溫度控制結(jié)構(gòu)、加速度計安裝結(jié)構(gòu)組成。加速度計安裝結(jié)構(gòu)是由一個長方體的航空鋁塊掏出4個圓柱體制成，X軸Y軸Z軸兩兩垂直，–Z軸和Z軸反向。這樣的安裝結(jié)構(gòu)可以確保各加速度計位置固定，且減小了裝置體積。加速度測量裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.1 屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1.1 加速度計屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計

外界磁場對石英撓性加速度計標(biāo)度因數(shù)會產(chǎn)生遲滯性、非線性影響。有試驗數(shù)據(jù)表明，10 Gs的磁場變化可引起標(biāo)度因數(shù)變化達(dá)5～20 ppm[1]。

考慮到加速度測量裝置會有不可避免的開孔和接縫，會導(dǎo)致漏磁，而漏磁大小主要取決于開孔的最大直線尺寸。因此，加速度測量裝置的屏蔽結(jié)構(gòu)采取盡量多的小面積開孔來代替大面積開孔，以此提高屏蔽效果。其次，選用磁導(dǎo)率較高的坡莫合金1J85作為屏蔽材料，可有效抑制低頻磁場的干擾。

綜合考慮屏蔽結(jié)構(gòu)的反射作用、吸收作用及其他因素，屏蔽的總效果可表示為：

式中：A為吸收損耗；R為反射損耗；Bs為屏蔽層內(nèi)的多次反射引起的校正項。對于低頻的磁場干擾，有

其中：x為屏蔽層厚度；μr為相對磁導(dǎo)率；σr為相對電導(dǎo)[2]；f為干擾磁場頻率；δ為集膚深度。

由以上可知，對于低頻磁場干擾，坡莫合金的屏蔽效果很好，但此材料的磁飽和強(qiáng)度較低，當(dāng)遇到較高的磁場強(qiáng)度時，坡莫合金很容易達(dá)到磁飽和。因此，加速度測量裝置設(shè)計雙層屏蔽結(jié)構(gòu)來減少漏磁。第1層屏蔽使用航空鋁，磁飽和強(qiáng)度高，磁導(dǎo)率低；第2層屏蔽采用坡莫合金，磁導(dǎo)率高。外界干擾磁場經(jīng)過第1層屏蔽后，磁場強(qiáng)度被大大衰減，再利用第2層屏蔽的高磁導(dǎo)率，干擾磁場可以被衰減到很低的程度。加速度計屏蔽結(jié)構(gòu)分解圖如圖4所示。

2.1.2 測量通道屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計

測量通道的屏蔽結(jié)構(gòu)是由上蓋和下蓋合起來的屏蔽殼，材料為坡莫合金1J85。每個通道均由一個屏蔽殼包裹，實現(xiàn)測量通道的電磁屏蔽。測量通道的屏蔽結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.2 溫度控制結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.2.1 加速度計溫度控制結(jié)構(gòu)設(shè)計

溫度對石英撓性加速度計的零偏和標(biāo)度因數(shù)均會產(chǎn)生影響。造成加速度計溫度變化主要有2個因素[3-4]：一是當(dāng)裝置啟動后，裝置內(nèi)部的溫度會緩慢升高，引起加速度計溫度的變化；二是裝置內(nèi)的力矩器線圈通電后會發(fā)熱，造成加速度計溫度的變化。

加速度測量裝置的工作環(huán)境溫度變化范圍較大，而加速度計需滿足0 ℃～50 ℃的工作環(huán)境要求，這使得精密溫度控制難度很大，常規(guī)的一級溫度控制方案難以達(dá)到溫控要求。為實現(xiàn)±0.1 ℃的加速度計溫控精度要求，加速度測量裝置設(shè)計了兩級精密溫控結(jié)構(gòu)。兩級溫控結(jié)構(gòu)分解如圖6所示。

第1級溫控結(jié)構(gòu)溫度穩(wěn)定精度設(shè)計為±0.5 ℃，溫度控制目標(biāo)為30 ℃。采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20作為溫度測量傳感器，采用熱電制冷器（TEC）作為溫度控制件，改變控制電流流向和大小可以利用熱電制冷器實現(xiàn)不同功率的制熱或制冷。

第2級溫控結(jié)構(gòu)溫度精度設(shè)計為加速度計目標(biāo)精度±0.1 ℃，溫度控制目標(biāo)為45 ℃，與第1級溫控環(huán)境保持一定的溫差。第2級溫控結(jié)構(gòu)采用鉑電阻作為溫度測量傳感器，溫度系數(shù)較穩(wěn)定。采用薄膜加熱片作為溫度控制件，包裹著加速度計第1層屏蔽層，通過改變控制電流的大小實現(xiàn)不同的加熱功率。

為提高溫控穩(wěn)定性，加速度計保溫層材料選用聚氨酯，它的導(dǎo)熱系數(shù)低，加工性能好，能有效地實現(xiàn)保溫絕熱功能。

2.2.2 測量通道溫度控制結(jié)構(gòu)設(shè)計

測量通道的溫控結(jié)構(gòu)類似于加速度計第1級溫控結(jié)構(gòu)，通過熱電制冷器（TEC）來進(jìn)行制冷或制熱。TEC一側(cè)緊貼著測量通道屏蔽殼的上蓋和下蓋，另一側(cè)緊貼散熱機(jī)殼，屏蔽殼外面包裹著保溫層，材料是聚氨酯。測量通道溫控結(jié)構(gòu)如圖7所示。

3 設(shè)計效果預(yù)估

3.1 屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計效果預(yù)估

屏蔽層的厚度x=1 mm，f=0.5 Hz，坡莫合金μr=5.57×104，σr=0.024，可得，A=3 412 dB，R和Bs遠(yuǎn)小于A。屏蔽的總效果S=3 450 dB，在裝置結(jié)構(gòu)中設(shè)計了引線繞彎結(jié)構(gòu)和螺紋結(jié)構(gòu)，以此來減小裝置開孔和接縫造成的漏磁。試驗結(jié)果表明開孔的漏磁因數(shù)范圍為0.1～0.5，預(yù)估本屏蔽結(jié)構(gòu)的漏磁影響因數(shù)為0.15左右，則加速度計的理論屏蔽效果可達(dá)3 450×0.15×0.15=78 dB。

3.2 溫度控制結(jié)構(gòu)設(shè)計效果預(yù)估

加速度計保溫材料聚氨酯厚度為10 mm。加速度計第2級溫控仿真結(jié)果如圖8所示，仿真時加熱功率取2 W，第2級溫控結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度達(dá)到控制目標(biāo)溫度時，加速度計的內(nèi)部溫度場均勻，溫度梯度小，加速度計上下溫差約0.02 ℃，溫控結(jié)構(gòu)可以達(dá)到溫控精度要求。

4 結(jié) 語

本文針對外界磁場和溫度變化對石英撓性加速度計測量精度產(chǎn)生影響的問題提出了精度提升方案，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計了加速度計磁屏蔽結(jié)構(gòu)和精密兩級溫控結(jié)構(gòu)，提高了標(biāo)度因數(shù)和零偏的穩(wěn)定性，從而提升測量精度。通過理論計算和仿真分析表明，優(yōu)化設(shè)計的加速度測量裝置的零偏穩(wěn)定性達(dá)到0.5×10–6g、標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性到達(dá)0.5 ppm，加速度計對溫度控制精度的要求達(dá)到±0.1 ℃，實現(xiàn)了載體高精度運(yùn)動加速度的測量目標(biāo)。

[1]王巍. 光纖陀螺慣性系統(tǒng)[M]. 北京: 中國宇航出版社, 2010.

[2]高晉占. 微弱信號檢測[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2011.

[3]張開東. 基于SINS/DGPS的航空重力測量方法研究[D].長沙：國防科技大學(xué), 2007.

[4]宋開, 梁萌. 基于平面線圈的石英撓性加速度計的初步設(shè)計[J]. 儀表技術(shù)與傳感器, 2008(03): 17–18,35.

[5]LI J, ZHANG K, ZHANG Q, et al. Study and implemention of the precise temperature control used in airborne gravimetry[C]//2010 8th World Congress on Intelligent Control and Automation(WCICA). 2010: 2064–2068.

Research on structure design of quartz-flex accelerometer

SUN Lin1, GUO Song2, WANG Lei2, SONG Kai-chen3
(1. Military Representative Office of Navy Stationed in 719 Institute, Wuhan 430205,China; 2. Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430205,China; 3. School of Aeronautics and Astronautics, Zhejiang University, Hangzhou 310027,China)

Quartz-flex accelerometer is one of the key components for the Underwater vehicle Control System, the state of its performance will influence the whole system seriously. The stucture and the principle of the quartz-flex accelerometer is simply introduced in the paper firstly, then in view of the magnetic field and temperature variations affect quartz flexible accelerometer scale factor and the stability of the zero bias problem, the method of shielded structure design and temperature control structure design is put forward. The effect of optimize design is evaluated. The results show that the acceleration measurement device after structure optimization of measurement accuracy is improved significantly.

quartz-flex accelerometer；shielded structure；temperature control structure

TP274

A

1672 – 7649(2017)09 – 0190 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.09.038

2017 – 03 – 16；

2017 – 03 – 30

孫霖(1979 – )，男，工程師，研究方向為船舶系統(tǒng)。