石英挠性加速度计输出噪声特性分析*

侯文超 刘晓东 吴 畏 王得信

(天津航海仪器研究所 天津 300131)



石英挠性加速度计输出噪声特性分析*

侯文超 刘晓东 吴 畏 王得信

(天津航海仪器研究所 天津 300131)

论文针对高精度加速度计的输出噪声特性进行分析,包括加速度计表体、线路、检测仪表及测试环境。通过分析阐明加速度计输出噪声产生的根源,给出加速度计表体具有的分辨能力以及采取相应措施满足系统对分辨率的需求。

高分辨率; 加速度计; 噪声分析

Class Number V241.622

1 引言

加速度计是惯性导航与制导系统的核心元件,随着系统对其精度的需求越来越高,重力无源辅助导航是必不可少的,它需要精确测量地球重力场加速度[1]。同时地球物理勘探、矿物资源开发也需要精确测量地球重力场加速度梯度的变化。这也是目前国内研究的重点。重力场加速度及加速度梯度测量的关键指标之一是分辨率。分辨率是静态指标,测试时需要小的加速度输入,通过输出信号判断是否能敏感这个加速度。进行超高分辨率测试时,对环境的要求是比较苛刻的,包括隔振地基、稳定的环境温度、均衡的磁场等。噪声是动态指标,是对环境条件、测试平台进行评估,看是否满足分辨率对应的输出指标要求。噪声用频谱及功率谱密度表示,依据测试结果,选择功率谱密度低的频段进行分辨率测试,才能挖掘加速度计表体本身具有的分辨率潜力。当然噪声低并不代表具有高的分辨率,但它是一个前提。分辨率与噪声的关系如下:

(1)

式中,D为分辨率;An为噪声功率谱密度;Bw为带宽。

2 加速度计工作原理及输出特性

本文选用的加速度计类型为石英挠性加速度计。石英挠性加速度计由检测质量、磁钢、位置传感器、感应线圈和反馈回路所组成[2～4]。如图1所示。

图1 石英挠性加速度计结构

石英挠性摆组件包括石英摆片和上下力矩器线圈。力矩器线圈外围石英摆片盘面上下沉积有金属电极,与磁钢组件的端面形成差动电容敏感器。石英挠性摆组件夹持在上下磁钢组件之间。磁钢组件提供所需的气隙磁场。当有加速度输入时,由石英摆片和力矩器线圈组成的检测质量相对平衡位置发生偏转,摆片端部的变距离差动电容的桥路容抗发生变化,输出反映摆偏角的电信号,伺服放大器把电信号转换成电流信号,输入到力矩器线圈,两个力矩器推挽式工作,使舌形摆片重新回到平衡位置[5～7]。

其工作原理[8～9]可以用图2所示的方框图表示,图中R为标准采样电阻。

图2 石英挠性加速度计输出特性方框图

输出特性方程:

(2)

3 输出噪声

从特性方程(2)可以看出KF反馈放大系数大可降低a0交叉加速度对输出的影响,但线路输出的信噪比也相对增大,因此合理选择回路参数及器件对降低噪声至关重要。

为了降低环境对加速度计测试性能的影响,通常选择隔振基座和恒温恒压条件,隔振基座减震水平要高于加速度计要测试的分辨力精度。现有的实验室隔振基座精度为10-6g量级,恒温恒压条件为T±3℃/d,在此基础上对研制的石英挠性加速度计进行噪声测试。测试仪表为八位半的agillent-3458A,采用不同的积分时间得到不同频段的输出特性,利用频谱分析和功率谱密度表征噪声特征及大小。积分时间2E-3对应采集频率430Hz,2E-2对应采集频率43Hz,2E-1对应采集频率4.9Hz。通过对采集数据的移动滤波处理,窗口宽度为10,可得到相应的噪声特性,如图3所示。

(a) 2E-1噪声测试

(b) 2E-2噪声测试

(c) 2E-3噪声测试图3 噪声测试

从频谱图可以看出,在6Hz～8Hz、10Hz～12Hz、20Hz、40Hz、60Hz、80Hz频率附近噪声相对比较大,对多只石英挠性加速度计进行测试后发现都有相同特性。采用相同实验室不同的基座或不同实验室的基座进行测试,发现在上述频段或附近仍具有较大的噪声共性。不同频段输出噪声功率谱密度如表1所示。

表1 加速度计不同频段输出噪声

4 噪声特性分析

要降低噪声,就要了解噪声产生的根源,本文主要从加速度计表体本身、力反馈回路、检测仪表和测试环境进行噪声特性分析。

4.1 表体本身

加速度计工作采用模拟力反馈回路,工作时石英摆组件不是静止不动的,从电容敏感偏移到电磁力反馈拉到中心是有时间差的,这个时间是力反馈回路工作的时间,一般比较短在几百微秒,相对频率在几百赫兹,然而从测试结果看并不存在这个频率。并且石英摆组件运动会带动周围气体运动,对摆组件产生挤压,其频率与摆组件运动频率一致。

另外,为了验证摆组件固有频率是否会带来噪声,对其采取了有限元模态分析[10～11],如图4所示。

(a) 一阶阵型

(b) 二阶阵型

模态分析主要包括基频、扭频。扭频主要是摆不平衡运动产生扭转所致。

为进一步验证石英摆组件运动可能带来的噪声干扰,对石英摆组件进行了固有频率、扭频及衰减特性测试。测试方法为对石英摆组件检测质量中心短暂吹气,检测摆组件运动特性,测其基频和扭频。测试结果如表2所示,测试装置如图5所示。

表2 摆片组件模态分析和测试结果

4.2 力反馈回路及检测仪表

力反馈回路主要包括电容敏感、交流放大、带通滤波、相敏解调、校正网络、低通滤波和电流放大。测试时回路不接加速度计表体,将输入短路测输出噪声。测试结果如图6所示。

图5 摆片组件固有频率测试装置

(a) 2E-1短接测试

(b) 2E-2短接测试

(c) 2E-3短接测试图6短接测试结果

由图6(c)可知,在频率20Hz、40Hz、60Hz、80Hz上噪声比较大,与加速度计输出噪声频率能对应上,说明在该频率上产生的噪声不是表体引起的。然而这种测试还不能说明噪声是力反馈回路引起的,因为检测仪表也在检测线路中,为了验证是否由其引起,对检测仪表也进行了噪声测试。测试方法将3458A输入短路进行噪声测试,结果与图6(c)对应积分时间噪声相同,可以说明20Hz、40Hz、60Hz、80Hz上的噪声不是力反馈回路所致,而是由检测仪表所引起。并且由图6(b)可以给出在6Hz～8Hz、10Hz～12Hz上的噪声与加速度计表体有关,但是与表体本身有关还是与环境输入震动加速度有关,还需要进一步分离试验。

4.3 隔振基座

隔振基座是加速度计性能测试的关键。其是否能满足10-8～10-9g量级的需求没有检测验证过,为此借助三分向宽频带地震计CMG-3ESPC对隔振基座进行了震动测试,用上述噪声分析法对采集数据进行分析,采集频率为50Hz,其结果如图7所示。

图7 隔震基座噪声测试

由图7可知,在频率6Hz～8Hz、10Hz～12Hz、17Hz～23Hz上的噪声比较大,与加速度计输出噪声频段基本能对上,因地震计采集频率相对加速度计采集频率高,所以反映出了在17Hz～23Hz处也有大的噪声。

综上试验噪声分析,可以确定加速度计输出在20Hz、40Hz、60Hz、80Hz、6Hz～8Hz、10Hz～12Hz上的噪声是由检测仪表,表体固有频率及隔振基座引起。但在6Hz～8Hz、10Hz～12Hz上的噪声是否就由隔振基座引起,是否有表体的噪声叠加在其上,还不能断论,希望有更好的隔振基座来试验分离。

4.4 山洞实验

山洞远离城市繁杂活动,具有安静恒温的条件。本试验借助了山洞的超净环境,其隔振基座减震能达到10-9～10-10g量级,最有利的是不需要通风保持恒温,通过防风措施,使温度保持在T±0.01℃/h。在此条件下对加速度计输出噪声进行了测试,测试结果如图8所示。

表3 山洞中加速度计不同频段输出噪声

(a) 2E-1噪声测试

(b) 2E-2噪声测试

(c) 2E-3噪声测试图8 噪声测试结果

由图8(c)可知,20Hz、40Hz、60Hz、80Hz的噪声还是存在的,说明是检测仪表引起的。而由图8(b)可知在6Hz～8Hz、10Hz～12Hz上的噪声不存在了,可以确定加速度计表体不会产生此频段噪声。从功率谱密度来看,山洞高频噪声在2E-2、2E-3频段没有太大的差别,但较中心实验室低1～2个数量级,在低频段2E-1及2E-1(滤波)噪声只降低了1倍,说明山洞对高频隔振效果好。从长时间稳定性测试看(10s采集),输出噪声带宽要低于实验室1个数量级,这有利于分辨率测试。

5 结语

本文通过噪声测试及试验分析,阐明了噪声产生的根源,提出了高分辨率加速度计测试必须注重检测仪表及环境因素,尤其是隔振基座和周围环境的温度、风阻、磁场等。也挖掘了加速度计具有的最低噪声和高的分辨能力。对后期系统使用可提出建设性意见。

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Output Noise Characteristics Analysis of the Quartz Flex Accelerometer

HOU Wenchao LIU Xiaodong WU Wei WANG Dexin

(Tianjin Institute of Navigation Instrument, Tianjin 300131)

Analysis were made in the paper aiming at the output noise characteristics of high precision accelerometer, including accelerometer itself, circuit, testing instrument and testing environment. The reasons which lead to produce the noise through the analysis are found out to provide the resolution of the accelerometer and take some measures to meet the system’s need of the resolution.

high precision, accelerometer, noise analysis

2014年9月11日,

2014年10月31日

国家863计划项目(编号:2006AA06A203)资助。

侯文超,男,硕士研究生,研究方向:惯性导航元件噪声。刘晓东,女,研究员,硕士生导师,研究方向:惯性导航器件的结构与性能。吴畏,男,工程师,研究方向:惯性元件技术。王得信,男,高级技师,研究方向:石英挠性加速度计工艺。

V241.622

10.3969/j.issn1672-9730.2015.03.012