KXP84型加速度计在空中风测量中的应用

　　0　引言

　　目前获取空中风资料的手段有很多,其中最常用的有单(双)经纬仪测风气球、测风雷达、无线电经纬仪以及下投式探空仪。下投式探空仪测风结合了GPS测速、定位技术,利用探空仪携带的GPS接收机实时跟踪采集速度、位置数据,并将数据发送到机载或地面处理设备,经下投式测风数学模型反演出空中风矢量。可见,基于GPS接收机的下投式探空仪测量空中风需要GPS卫星提供的庞大数据链作支持,数据处理、计算过程也较为繁琐。

　　随着微加工工艺的不断提高,加速度计在航空、汽车、电子等行业得到了广泛应用。基于MEMS制造工艺的美国KIONIX公司生产的KXP84型三轴加速度计具有响应速度快、低成本和低功耗等优点。本文对KXP84型加速度计性能特点、结构原理进行了详细介绍,提出利用KXP84型加速度计替代目前下投式探空仪中所采用的GPS接收机,获取探空仪在空中的三维加速度,经探空仪携带的数据处理设备计算出空中风矢量的方法,减少数据传输链路,简化地面数据处理及计算过程,避免了依赖GPS卫星受制于人的局面。

        1　加速度传感器芯片

　　1.1　KXP84型加速度计性能

　　KXP84型加速度计是基于单片CMOS集成电路制造工艺生产出来的一个完整的三轴加速度测量系统,主要具有以下性能特点:

　　(1)KXP84型加速度计属于低功耗单片三轴加速度传感器,可同时测量沿X轴、Y轴、Z轴三个方向的加速度,分辨力为5 mg(g为一个重力加速度)。工作环境温度范围为-40~80℃。

　　(2)经过A/D转换后输出的加速度值,可直接送给端口处理。XYZ三轴输出带宽可根据需要配置,上限分别为3 500 Hz,3 500 Hz,1 750 Hz。

　　(3)KXP84型加速度计的量程为±2 g,用于测量探空仪的加速度比较合适。因为探空仪在下落的过程中速度变化缓慢,通常都在2 g以下。输出灵敏度为794 count/g,输出比例误差变化为0.4%。

　　(4)非线性误差为0.1% FS(FS代表满量程),噪声密度为175μg/ Hz,零点温度偏移误差为150 mg。

　　(5)芯片处理板设置了中断端口,当采集到的加速度值超出量程时进行中断控制。

　　1.2　KXP84型加速度计结构

　　为了提高加速度计的工作灵敏度,通常采用电容式结构。我们这里所研究的KXP84型加速度计属于电容式结构的一种。采用质量块-弹簧-阻尼器系统来感应加速度,其结构如图1所示。图中只画出了一个基本单元。它是利用比较成熟的硅加工工艺在硅片内形成的立体结构(图1只给出其剖面示意图)。图中的质量块是微加速度计的执行器,与质量块相连的是可动臂;与可动臂相对的是固定臂。可动臂和固定臂形成了电容结构,作为微加速度计的感应器。其中的弹簧并非真正的弹簧,而是由硅材料经过立体加工形成的一种力学结构,它在加速度计中的作用相当于弹簧。