天津大学2010届本科生毕业设计（论文）
第一章 绪论
1.1 课题背景
惯性导航是利用惯性敏感元件测量载体相对于惯性空间的线运动和角运动参数，在给定的初始条件下，输出载体的姿态参数和导航定位信息的一种导航技术。它是一种自主性强、精度高、安全可靠的精密导航技术，在航空、航海及宇航技术领域有着广泛的应用。
加速度计是惯性导航和惯性制导的基本测量元件之一，它安装在弹、箭内部测量其加速度，并通过对加速度的积分，求其速度和位置，因此加速度计的性能和精度直接影响导航和制导系统的精度，加速度计是惯性导航的基础。随着现代化科学技术的发展，航空、航海和宇航技术对惯性导航的要求更加迫切，对导航系统的精度要求也越来越高，而惯性导航系统的精度主要取决于惯性元件的精度，即要想进一步提高导航系统的精度，必须研制高精度的精密加速度计。
种类繁多的加速度计有多种分类方法：按检测质量的运动方式可分为线位移加速度计和摆式加速度计；测量系统形式分，有开环式和闭环式两类；按输出信号分，有加速度计、积分加速度计和双重积分加速度计；测量的自由度分，有单轴、双轴、三轴加速度计；测量加速度的原理分，有压电、振弦、振梁、光学和摆式加速度计；按支承方式分，有液浮、挠性和静电加速度计；按精度等级可分为高精度(优于10-6g)加速度计、中等精度(10-3~10-4g)加速度计和低精度(低于10-2g)加速度计三类。由于加工方法的革新，又出现了新一类加速度计——微机械加速度计，就是应用微机电系统(MEMS)技术，在硅片上用特殊加工方法制造成的、体积非常小的测量加速度的传感器[1]。
目前在导航系统中常用的加速度计有宝石支撑摆式加速度计、气浮线性加速度计、液浮摆式加速度计、挠性摆式加速度计、振弦式加速度计、振梁式加速度计和摆式积分陀螺加速度表等。上述加速度计各有特点，可根据不同的需要选用不同的类型。而在本论文中主要研究的对象即为挠性摆式加速度计中的石英挠性加速度计。
1.2 石英挠性加速度计
石英挠性摆式加速度计是一种力平衡式加速度计，由表头组件和再平衡回路两部分组成，是惯性导航和制导系统中不可缺少的关键器件之一[2]，特别适合于低频、低g值的加速度测量，在运载火箭、导弹、军用飞机、舰船等导航与制导系统中有着广泛的应用。
当沿敏感轴方向有加速度作用时，摆片将偏离平衡位置并产生角位移，信号传感器检测这一变化，然后将信号输入放大器，放大器驱动力发生器，使检测质量恢复到平衡位置。加速度计的输出是流过力发生器与输入加速度成比例的电流[3]。 1、表头
表头由挠性支撑摆组件、力矩器、差动电容传感器、空气阻尼器组成[1]。检测质量是敏感惯性力测量加速度的关键部件，由石英动极板及装在极板中央的力矩器动线圈组成；差动电容传感器由固定于壳体的两个镀金膜板组成电容传感器的两个定极板并和接地的石英动极板组成；力矩器采用永磁动圈式力矩器，由两
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组对称E形磁路与动线圈组成，两个磁路相互独立，构成推挽式结构，可以互相补偿，提高其线性度，同时也大大提高了磁路的利用率和抗干扰性。
石英挠性加速度计结构简单、体积小、精度和灵敏度高、功耗小、易于小型化；人造石英稳定性好、弹性模量小、弹性后效应小、有利于提高仪表的稳定性和重复性；支撑摩擦力力矩为零、机械零位误差小；石英挠性加速度计的一个主要缺点就是标度因数的温度系数偏大，通常有+0.016%左右。 2、再平衡回路
敏感加速度的传感器在受到外来加速度作用时，会产生与加速度成正比的电信号[2]。通常这个电信号（直流或交流）是极其微弱的，无法直接加载到力矩器线圈上以提供足够大的平衡力矩，这就需要在传感器和力矩器之间设计再平衡回路或者称为伺服放大器。再平衡回路的主要作用有以下几点：1）把传感器敏感加速度所得的微弱电信号加以放大。2）给力矩器提供足够大的力矩电流，使加速度计获得再平衡力矩。3）为加速度系统提供合适的放大倍数和必要的校正网络，使系统正常工作并满足一定的静态和动态性能指标。再平衡回路由信号传感器、伺服放大器和力矩器组成[4]。
再平衡回路由信号传感器、伺服放大器和力矩器组成，如图2所示。
表头aP+Ma石英摆片-θ角度传感器U放大器IMt力矩器采样电阻V信号处理我做的工作
图1-1 再平衡回路原理框图
当加速度计的输入轴方向有加速度a作用时，摆组件敏感到惯性力后将发生微小偏转，引起差动电容传感器的电容量发生变化，伺服电路检测这一变化并换成比例反馈电流，通过接线柱输给力矩线圈，使其在永久磁场的作用下，产生一
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电磁力与摆组件的惯性力精确平衡，使检测质量摆回到原来的平衡位置。此时，流过力矩器的电流精确反映被测加速度。在力平衡状态下有：
Pai?KTI
I?PKT （1）
ai?K1ai （2）
P：摆性；KT：力矩器系数；I：力矩器电流；K1：标度因数
加速度再平衡回路可分为模拟和数字两种再平衡回路，二者在各种惯性系统中都有广泛的应用。模拟式再平衡回路，即流经力矩器的电流是连续变化的直流量。脉冲再平衡回路，即力矩器施加幅值恒定的电流，将载体的运动信息调制在电流的方向和持续时间上[5]。
相对于模拟回路，数字化回路的特点是：
1）更高的稳定性能。这是数字电路最大的优点,数字量在传输过程中远比模拟量所受的干扰小。与模拟电路相比，数字电路的高抗干扰能力也就决定了其高可靠性，另外加入了实时控制的操作系统，根据不同的情况进行实时控制，使得回路更加稳定可靠，而这在导航系统中是至关重要的[6]。
2）更高的精度。模拟回路中所用的模拟器件的非线性误差和量化误差将直接造成精度的下降。而数字再平衡回路直接将敏感元件的输出信号转化为高精度的数字信号，直接向上位机输出载体运动的数字信息，避免了再次转换和传输造成的误差；而且可以方便的将信号细分，实现高精度的输出。
3）更高通用性和升级性。对于模拟再平衡回路网络，一旦型号定型，如需要调整与修改线路参数需要重新对其进行设计生产，系统的通用性和升级性不强。而再平衡回路数字化的实现，可以灵活的优化调整线路参数，线路的型号通用性强，转型快。 随着硬件技术的发展，更换精度更高的A/D、D/A转换板后，可以顺利地提高系统整体精度水平，完全不需要重新对线路进行设计，升级性极强。
4）软硬件结合。数字再平衡回路中，模拟的解调网络和校正网络采用数字化实现，经采样得到的陀螺偏角信号经过数字控制器运算处理，可以采用多种数字校正和控制算法以提高系统的鲁棒性及动态响应特性，可随时对线路的参数进行调整。
本课题中所采用的表头是北斗神舟测控仪器提供的石英挠性加速度计表头，其内部集成了再平衡力反馈回路，输出是流经力反馈回路的一个微小电流，这个课题的设计任务就是把这个电流信号取出经过测控电路的处理，然后在上位机上分析求得加速度计的模型方程，并显示出表头测得的加速度值。
1.3 国内外发展情况简介
石英挠性加速度计是由森德斯坦数据控制公司(SDC)于六十年代首先研制出来的，随着石英加速度计研制工作的深入和应用范围的扩大，新的品种系列不断推出。八十年代初和九十年代初，该公司相继推出性能更为优异的QA-2000
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和QA-3000系列加速度计。QA-2000吸收和继承了以前的成熟技术，针对惯导系统的特殊要求，进行了许多改进，因此其重复性更好、稳定性更高、阀值与分辨率均小于10-6g，QA-3000系列的加速度计是在QA-2000系列的基础上，经过十年的改进提高而发展起来的。这是一种高性能、低成本的惯导级加速度计，是精密惯性导航系统的理想仪表。这种加速度计可用于一般的振动测量，如桥梁、大型构件、大型旋转机械、精密机械、电梯、船舶、飞机、堤坝、建筑等方面的振动测量，另外还可用于惯性导航、地震测量及钻井倾斜测量等。
八十年代初，我国开始研制石英挠性加速度计。航天三院三十三所、航天八院八零三所、航天十院十三所和十六所、华北航天学院、清华大学、哈尔滨工程大学、西北工业大学和哈尔滨工业大学相继开始了这方面研制工作[7]。目前，我国的石英加速度计与国外先进水平相比，精度低约1至2个数量级。
航天科工集团第三研究院33所研制的石英挠性加速度计是融机电结构和伺服电子线路于一体的小型加速度计。其特点是整体熔融石英摆片，双挠性摆支撑系统，检测质量的动电容器极板提供压膜气体阻尼和差动电容位置检测；再平衡力矩由双永磁音圈式系统提供；混合集成电路体积很小，直接“贴”在表头上；电子线路为高输出阻抗形式，允许很宽的读出电阻范围，且滤波不影响回路的稳定性；当要求高性能时，可以使用偏值和刻度系数温度模型。每个仪表均具有自测试功能，其电流力矩自测试功能使得可用简单的电模拟方法产生一个相当于加速度力的作用。用户可以用这种方法验证仪表是否能正常工作，测量其动态特性、量程及线性度等性能[8]。
此外，三十三所生产的JN-06G型加速度计具有很高的稳定度，它己成功地用于卫星微重力测量系统和高精度定位定向系统，为卫星、飞船、飞机等提供高精度的比力信息。JN-06B (F)能承受较大冲击，耐恶劣环境，主要应用于石油钻井工业的随钻测量系统和连续测量系统。JN-06D的特点是具有40g的量程，用于多种型号的捷联惯导系统。JN-10 (A)的特点是体积小、质量轻(38克)，能在较高的环境温度下稳定工作，现已用在小型的平台惯导系统中。
加速度计的发展趋势是减小干扰力矩，提高热稳定性，改进结构材料，提高轴对准稳定性，标度因数稳定性，偏值稳定性，提高可靠性，降低成本，减小体积。为了改善仪表性能，采用新技术，如改进软导线结构，采用新的材料，改进温控线路。采用磁悬浮有利于提高标度因数稳定性及对准稳定性。加速度计主要沿以下两种途径发展：1，对现有常规加速度计的结构和元件进行改进，以提高仪表的特性。2，研制其他新型加速度计。总之，加速度计作为惯导系统的核心元件，集中了现代科技的一些精华。今后加速度计也必然在不断吸取新原理，新材料，新技术的基础上继续发展[1]。
目前国内和国外的加速度计表头多数都已经集成了力反馈加矩系统，因此如何把表头的输出电流信号引出来并加以处理和显示就成了一个关键的问题。
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第二章 信号处理电路
2.1 电路结构框图
信号处理电路是本课题的关键部分，其结构框图如下：
表头计算机精密采样电阻DSP跟随器ADC低通滤波器差动放大器 图2-1 信号处理电路框图
通过这样的信号处理电路，表头输出的微小电流信号被放大并且转化为数字信号，在DSP处理之后用串口传送给计算机来进行下一步处理。以下是对电路各部分的具体介绍。
2.2 精密采样电阻
由于加速度计的输出是一个微小的电流信号，不便于后续处理，因此采用
采样电阻把信号转化为电压信号。我们常用的色环电阻（如四环、五环）的碳膜电阻标100欧的不一定是100欧，可能是95欧，误差一般在5%，误差再小的也只能有1%，这在精密的电路中是不能应用的，所以就要用到精密采样电阻了，其精度可以达到百万分之几。本课题中使用的是51欧姆（RCK02A 020656 51RLS）的精密采样电阻，该产品因体积小、精度高、温度系数小、稳定性好、可靠性高等良好的电气特性而广泛用于航空、航天、航海的惯导配电控制、各类工业仪器、仪表精密测量系统中。
2.3 电压跟随器
电压跟随器，顾名思义，就是输出电压与输入电压是相同的，就是说，电压跟随器的电压放大倍数恒小于且接近1。 电压跟随器的显著特点就是，输入阻抗高，而输出阻抗低，一般来说，输入阻抗要达到几兆欧姆是很容易做到的。输出阻抗低，通常可以到几欧姆，甚至更低。在电路中，电压跟随器一般做缓冲级及隔离级。因为，电压放大器的输出阻抗一般比较高，通常在几千欧到几十千欧，如果后级的输入阻抗比较小，那么信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中。在这个时候，就需要电压跟随器来从中进行缓冲。起到承上启下的作用。应用电压跟随器的另外一个好处就是，提高了输入阻抗，这样，输入电容的容量可以大幅度减小，为应用高品质的电容提供了前提保证。电压跟随器的另外一个作用就是隔离，在HI-FI电路中，关于负反馈的争议已经很久了，其实，如果真的没有负反馈的作用，相信绝大多数的放大电路是不能很好的工作的。但是由于引入了大环路负反馈电路，扬声器的反电动势就会通过反馈电路，与输入信号叠加。造成音质模糊，清晰度下降，所以，有一部分功放的末级采用了无大环路负反馈的电路，试图通过断开负反馈回路来消除大环路负反馈的带来的弊端。但是，由于放大器的末级的工作电流变化很大，其失真度很难保证。在这里，电压跟随器的作用正好达到应用，把电路置于前级和功放之间，可以切断扬声器的反电动势对前级的干扰作用，使音质的清晰度得到大幅度提高[9]。
本课题中为了提高系统的带负载能力和起到阻抗隔离效果，在电压信号得到
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