石英挠性加速度计二元调宽数字脉冲控制系统的研制

　　1　引　言

　　石英挠性加速度计因其具有精度高、量程大、体积小、重量轻、结构简单、成本低等诸多优点而广泛应用于航天、航空、航海、汽车测震以及钻井测斜等各个领域。但由于其结构上的特殊性,目前一般都采用模拟控制线路,若需数字信号则需再外加模/数转换电路,因而数字精度较低。经过对石英挠性加速度计特性及数字脉冲控制方案的充分分析,作者设计并研制成功了石英挠性加速度计二元调宽数字脉冲控制线路,对外直接输出数字脉冲信号。其精度比常规的模拟控制+模/数转换电路高一个数量级,而成本却低5～10倍。

　　2　问题的提出

　　如图1所示,加速度信号的获取是通过摆片摆动所引起的摆片与二定极片之间的电容变化来实现的。为使摆片呈现挠性,摆轴A处必须加工得极薄。当采用数字脉冲控制方案,其相当于总是在强迫摆片B绕着摆轴A来回的对拆,由于任何物质都存在疲劳强度,因而,石英挠性加速度计能否承受得起这样交替振动,就成了令人担扰的关键性问题。

　　石英挠性加速度计一般多采用模拟控制方式,若需数字信号时则需外加模数转换电路(如图2所示)。由于模/数转换电路并不在闭环回路之中,其转换精度将直接影响输出,因而精度损失较大。由于其性能取决于模/数转换器件的精度及性能,系统性能的提高总是受到制约,要想提高系统精度,必须重新考虑控制方案。

　　3　石英挠性加速度计二元调宽数字脉冲控制回路的分析和设计

　　数字脉冲力反馈控制方案有多种实现方式(如表1所示)。选择力反馈控制方式时应综合考虑标度因数的稳定性、偏值稳定性、分辨率以及交叉干扰等各项因素。基于以上原则,选择二元调宽脉冲控制方案(见图3)。采用这种控制方案,其模数转换过程是在反馈控制回路中完成的,转换误差通过反馈加以补偿,因而损失小,精度高。

　　为使石英挠性加速度计控制回路采用数字脉冲控制方案,应尽可能减小摆片的疲劳强度,为此,我们提出了通过提高系统采样频率,以便尽可能限制摆片摆动幅度,进而减轻其疲劳强度的方法。基于这一思想组构了石英挠性加速度计二元调宽数字脉冲控制方案,其逻辑框图如图4所示。为便于讨论,设最大输入加速度为2.5g,系统时钟为240KHz,采样频率为9.6KHz。下面讨论图4中的各传递函数。

　　①当力矩作用于石英挠性加速度计的摆组件时,输出一个角位移θ,其传递函数为

　　式中,J表示摆惯量,为0.53×10-³g·cm·s2;C表示摆阻尼,为1.53g·cm·s;K表示摆弹性刚度,为4.14dyn·cm。