CN117388526A - 一种集成if数字输出的石英挠性加速度计 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成IF数字输出的石英挠性加速度计，包括上力矩器、下力矩器、摆片组件、外壳以及控制电路；在控制电路中集成IF数字转换模块；所述加速度计的摆片组件与上、下力矩器形成差动电容，将敏感载体差动电容信号转换为电压及电流信号，并回流与摆片上粘接的线圈中，形成闭环的反馈，使加速度计工作在零位状态；同时，控制电路的IF数字转换模块实时将该电流信号转变为数字脉冲信号输出。本发明将IF的功能进行了集成，直接输出数字信号，无需进行数字转换；加速度计精度与传统IF转换后的精度相当；可满足惯导***小型化的使用要求，可有效节约IF转换电路的成本。通过设置加热***，运用该方案后，加速度计启动时间缩减了2/3。
Description
技术领域
本发明涉及一种集成IF数字输出的石英挠性加速度计，属于惯性器件技术领域。
背景技术
石英挠性加速度计是惯性导航***的核心器件之一，用于测量载体的加速度信息。石英挠性加速度计因其结构简单、体积小、具有较高的测量精度等特点被广泛应用于航空航天等高精度应用领域。图1是现有技术中的一种石英挠性加速度计的结构示意图，包括石英摆片组件、变极距型差动电容传感器、差动电容检测电路、力矩器控制***和力矩器；然而，现有的石英加速度计其输出为模拟信号，在实际应用中需要结合外置的AD或IF电路板将模拟信号转变为数字信号后使用。IF板具有体积大及发热量高、成本较贵等不足，而AD转换板受限于采样分辨率，在采样过程中精度会天然损失，同时受温度影响大，难以满足目前中高精度惯导的使用要求。
随着惯导***高精度、小型化、低成本的发展趋势，势必需求加速度计的集成化发展，传统AD转换精度较差、IF电路体积较大，随着电子行业不断的发展，高集成化为传统石英挠性加速度计行业带来了新的发展，而一种集成IF数字输出的石英挠性加速度计就有了极大的发展空间。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种集成IF数字输出的石英挠性加速度计，解决现有技术体积大、发热量高和成本较高等问题。
实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种集成IF数字输出的石英挠性加速度计，包括上力矩器、下力矩器、摆片组件、控制电路和外壳；其特征在于，在控制电路中集成IF数字转换模块；所述加速度计的摆片组件与上、下力矩器形成差动电容，将敏感载体差动电容信号转换为电压及电流信号，并回流与摆片上粘接的线圈中，形成闭环的反馈，使加速度计工作在零位状态；同时，控制电路的IF数字转换模块实时将该电流信号转变为数字脉冲信号输出。
进一步，所述控制电路由电容电压转换器、电流放大器、IF数字转换模块及温度控制模块组成；所述IF数字转换模块采用现有成熟产品实现加速度计又模拟信号转变为数字信号；其中，电容电压转换模块、电流放大模块等模拟部分与现有技术相同。
进一步，由于增加了数字转换的功能，导致加速度计的功耗增加，热效应表内部的热平衡所需的时间延长，所述温控模块是通过将控制电路中流入摆片组件中线圈中的电流进行采样比例放大后，回流于与外壳固连的加热片中，通过控制恒温的工作环境保证加速度计的内部热平衡所需时间减少，有效保证精度及缩短启动时间。
为了保证信号地与壳体地的绝缘，外壳与上力矩器、下力矩器及摆片组件组成的表芯之间加装绝缘的隔离环。
进一步，为保证加速度计的密封性，上力矩器、下力矩器及摆片组件组成的表芯进行环氧树脂密封，其与外壳之间同样采用氧树脂密封，控制电路与外壳间采用激光焊接密封。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、本发明用于加速度信号的测量，并输出数字脉冲信号，不需要经过模数转换，惯性导航产品可直接采集进行计算，直接输出数字信号，无需二次转换，精度与传统IF转换后的精度相当。
2、本发明可满足惯导***小型化的使用要求，可有效节约IF转换电路的成本；并且，将IF的功能进行了集成，节省相应空间，实现产品的小型化。
3、本发明通过设置加热***，运用该方案后加速度计启动时间缩减了2/3，并且不通过模数转化直接输出数字频率的加速度计。
附图说明
图1是现有技术中的一种石英挠性加速度计的结构示意图；
图2是本发明集成IF数字输出的石英挠性加速度计的结构示意图；
图3是本发明控制电路示意图；
图4是本发明中控制电路原理框图；
图5是本发明外壳示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
除非另有说明，本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
本发明中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
如图2所示，本发明提供一种集成IF数字输出的石英挠性加速度计，包括摆片组件2、上力矩器1、下力矩器3、外壳4和控制电路5；其中，加速度计的摆片组件2与上下力矩器形成差动电容，将敏感载体差动电容信号转换为电压及电流信号，并回流与摆片上粘接的线圈形成闭环的反馈，使加速度计工作在零位状态；同时，控制电路5实时将该电流信号转变为数字脉冲信号输出。其中，摆片组件2由摆片及线圈粘接而成，用于敏感载体加速度信息、提供差动电容所需的两极板以及力矩反馈的执行机构；上力矩器1由上轭铁、磁钢、补偿环、磁极片组成，分别用于提供差动电容所需的两极板、电磁洛伦兹力所需的磁场环境；下力矩器3由下轭铁、磁钢、补偿环、磁极片组成，分别用于提供差动电容所需的两极板、电磁洛伦兹力所需的磁场环境；并将信号的输入控制电路。
参见图3，控制电路5包括IF数字转换模块，所述IF数字转换模块采用现有成熟产品，其对外信号输出的管脚41与电路壳体42通过玻璃绝缘子烧结固联，电路43与外信号输出的管脚41通过锡焊固联，IF数字转换模块通过锡焊固定在电路43印制板上。
如图4所示，所述控制电路由电容电压转换模块、电流放大模块、IF数字转换模块及温度控制模块组成。当外界有加速度输入时，摆片受惯性力作用将离开平衡位置，此时由摆片上下表面与上下力矩器端面组成的差动电容值将发生变化，这一差动电容信号通过电容电压转换模块变为电压信号，以电流的方式输出至电流放大模块，经放大后的电流信号回流于加速度计的线圈中，利用通电导线在磁场中受到的安培力经推挽作用使摆片回复平衡位置，即让加速度计工作在零位状态，然后将输出信号经过IF数字转换模块采集后进行数字转换最后以数字脉冲的方式进行输出。控制电路5用于加速度计信号采集、加速度计控制及数字转换。
另外，本发明由于在加速度计的控制电路中增加IF的数字转换模块，其功耗比传统的加速度计有所增加，势必增加热效应，延长启动时间；而且，在输出的过程中加速度计中的IF转换会伴有较大的热量，导致采样精度降低，因此设计了温度控制模块为加速度计提供一个恒温的工作环境，保证加速度计的输出精度；在外壳中增加加热***以减小加速度计热平衡时间，有效缩短了启动时间。运用该方案后，加速度计启动时间缩减了2/3。
参见图5，在外壳21内置加热带22，用于提供加速度计所需的安装基准、恒定的工作温度以及密闭的工作环境。所述加热带22由温控模块控制，所述温控模块由传感器、控制器和执行器三部分组成，传感器是温控模块的核心部件，它可以用来测量环境温度并将温度信号转换为电信号；控制器则通过传感器测量到的温度信号来控制加热或冷却运行，根据需求可进行编程，实现不同的温度控制模式，如恒温控制、温度升降控制、温度循环控制等；执行器属于模块的输出部件，根据控制器的指令来控制加热或冷却的运行。而加速度计则是通过恒温控制工作环境保证加速度计的精度及有效缩短启动时间，用于加速度计的内部温度控制的一种方式。
综上，本发明在原加速度计体积不变的情况下，将IF的功能进行了集成，直接输出数字信号，无需进行数字转换；精度与传统IF转换后的精度相当，可满足惯导***小型化的使用要求，可有效节约IF转换电路的成本；不通过模数转化直接输出数字频率的加速度计，并通过设置加热***。经测试，本发明加速度计启动时间缩减了2/3。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种集成IF数字输出的石英挠性加速度计，包括上力矩器、下力矩器、摆片组件、控制电路和外壳；其特征在于，在控制电路中集成IF数字转换模块；所述加速度计的摆片组件与上、下力矩器形成差动电容，将敏感载体差动电容信号转换为电压及电流信号，并回流与摆片上粘接的线圈中，形成闭环的反馈，使加速度计工作在零位状态；同时，控制电路的IF数字转换模块实时将该电流信号转变为数字脉冲信号输出。
2.根据权利要求1所述集成IF数字输出的石英挠性加速度计，其特征在于，所述控制电路由电容电压转换器、电流放大器、数字转换模块及温度控制模块组成；电容电压转换模块、电流放大模块等模拟部分与现有技术相同。
3.根据权利要求2所述集成IF数字输出的石英挠性加速度计，其特征在于，所述温控模块是通过将控制电路中流入摆片组件中线圈中的电流进行采样比例放大后，回流于与外壳固连的加热片中，通过控制恒温的工作环境保证加速度计的精度及有效缩短启动时间。
4.根据权利要求1所述集成IF数字输出的石英挠性加速度计，其特征在于，外壳与上力矩器、下力矩器及摆片组件组成的表芯之间加装绝缘的隔离环。
5.根据权利要求1所述集成IF数字输出的石英挠性加速度计，其特征在于，上力矩器、下力矩器及摆片组件组成的表芯进行环氧树脂密封，其与外壳之间同样采用氧树脂密封，控制电路与外壳间采用激光焊接密封。
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