导航系统MEMS加速度计的设计

　　1　引言

　　加速度计是惯性测量和导航系统的主要惯性元件之一,它的输出与运载体的运动加速度成比例,其作用原理是基于牛顿的经典力学定律。自二次世界大战中德国人成功在V_2型火箭　　上应用第一个积分加速度计以来,便有近百种不同类型的加速度计问世。从最初的机械式发展到液浮、气浮、磁悬浮,到60年代后期的挠性、静电、激光、压电晶体谐振式等特殊支承形式的仪表。特别是近十几年来,随着科技技术的飞速发展,惯导系统对加速度计精度、体积、重量、寿命、结构牢固性、可靠性提出了越来越高的要求;同时在研制加速度计时不断采用了新技术、新材料、新工艺,因而推进了微机械惯性加速度计的产生与发展。　其中,硅微型加速度计是一类重要的微惯性器件。本论文研究的加速度计是基于美国Analog Devices公司生产的表面微机械加速度传感器ADXL250芯片进行设计的。

　　2　加速度计的设计方案

　　本文研究的加速度计基于AD公司的ADXL250芯片。　ADXL250是一种单芯双轴表面微机械加速度传感器,它是将加速度计与信号调理电路集成在一个芯片上的双轴、容性加速度　　测量系统。其特点为:用户可选择从±5g~±50g测量量程;输出灵敏度也可从38mV/g~400mV/g中选择;分辨率为10mg;带宽为1KHz;+5V单电源工作;不加电时可以承受2000g的振动冲击而不致损坏。相对于传统的加速度,它的成本较低,且能同时测量两个正交方向的加速度,适用于静态和动态的加速度测量。该芯片可测量两个正交方向的加速度,将测量结果以电压形式输出。它的使用很简单,一个电源旁路电容是芯片正常工作需要的唯一外部元件[1]。

　　但是由于直接从ADXL250输出的加速度测量信号存在着零位误差、高频噪声信号等,大大影响其测量精度。为了使加速度计满足惯性测量的要求,需要设计相应的标定电路以及后置　　滤波电路,如图1所示。

　　3　加速度计的参数标定[2,4,5]

　　由于加速度计芯片本身的零偏值和标度因数与理论值均有偏差,因此要提高测量精度,就需要在加速度计进行测试之前先对其标定。传感器的标定一般包括零位标定和标度因数标定。

　　对于此加速度计,即标定(2)式中的K0,K1。理论上,输入加速度为0g时,加速度计的输出电压为2.5V,因此零偏值应标定为2.5V;对于标度因数的选择,考虑到设计的加速度计应用于小范围加速度的测量场合,选择加速度测量范围为±5g,由文献[1],此时标度因数应标定为400mV/g。根据文献[2],理论分析和试验均可证明,加速度计在其通频带内各个频率点的灵敏度是相同的、线性是一致的。因此,在零频点(静态)对加速度的灵敏度和线性度进行精确的测量和标定,即可给出加速度计在其频带内的主要特征参数。本文的标定和参数测试均选择在±1g的范围内进行。