石英挠性加速度计中高精度低零偏伺服电路的设计

    1 石英挠性加速度计

    加速度计广泛应用于航天、航空、航海及武器系统的导航制导与控制中, 石英挠性加速度计是单自由度的闭环式挠性机械摆式加速度计, 这种加速度计一般是把挠性杆和电容传感器动极板做成一体, 因此结构简单、体积小。由表头和伺服电路构成。伺服电路主要是将石英加速度传感器由于外界加速度而引起电容的微小变化转换为相应的电流输出。

    本文将介绍一种石英挠性加速度计中高精度、低零偏的伺服电路。该伺服电路由差动电容检测器、积分器、跨导 /补偿放大器及反馈网络等部分构成。

    当沿加速度计的输入轴有加速度 a_i作用时, 差动电容传感器的电容值发生变化。伺服电路检测这一变化, 并把它变换成相应的输出电流 i, 以反馈给力矩器, 该电流的大小与输入加速度a_i成正比。其信号流程图如图 1 所示。

    在该伺服电路中, 积分器与跨导 /补偿放大器一起完成对系统的频率补偿作用, 使系统满足一定的动、静态指标。改变反馈网络的参数可以改变系统的频率响应。

    2 伺服电路系统

    2.1 工作原理

    石英加速度计的基本模型是一个质量- 弹簧- 阻尼系统, 加速度通过敏感质量块形成惯性力作用于系统, 其传递函数如图2 所示。

    由图 2 可以求出系统的输入 /输出特性:

    2.2 伺服电路中的差动电容检测器

    在伺服电路中, 差动电容检测器的设计将极大的影响整个伺服电路的功能。

    如图 3 所示, 该差动电容检测器的基本结构是电流镜电路。

    从(6) 式可以看出, 差动电流检测器的输出电流与加在电容传感器两端的电压的变化率成正比, 与电容传感器的差动电容C_p1和 C_p2之差成正比。所以它能检测差动电容的变化。

    2.3 电路零偏的影响

    当加速度计在未受外界加速度时, 伺服电路的输出从式(4)中可计算出其输出电流应为 0。但由于伺服电路存在电路零偏,此时电路将会输出一个零偏电流, 这个输出电流会使后期处理系统认为加速度计已受到外界加速度的作用, 同时当加速度计受到外界加速度作用时, 该零偏电流会叠加在伺服电路的输出电流上, 影响系统的精度。因此对整个加速度计系统来说是十分有害的。

    本伺服电路的零偏主要产生于差动电容检测器。设零偏值为 I_b, 它在回路中的作用如图 4 所示。