硅微谐振式加速度计技术现状及展望

硅微谐振式微加速度计是各种MEMS加速度计中被普遍看好并期待为将来的高精度微加速度计发展的一个重要方向,正在全世界范围内被广泛研究。本文对硅微谐振式微加速度计的发展现状进行了评述。根据国内外不同的技术实现,诸如工作原理、微加工工艺实现、应用范围等对其进行了分类阐述。最后,对硅微谐振式加速度计研究中一些关键技术进行了讨论,并提出了展望。     

静电悬浮加速度计的地面测试与评定方法综述

本综述将静电悬浮加速度计性能指标项目归为五类,阐述了它们与需求的关系,强调了采样率为10SPS、相应的闭环传递函数带宽为3Hz的必要性。指出实验室标定会受到环境振动噪声的干扰,通常的标定方法均不适用,静态标定的首要困难在于准确测定失准角;用专用摆台作动态标定可以大致判断标度因数并观察两台加速度计模型方程各参数的一致性;为了在专用摆台上进行各项性能测试,加速度计检验质量需要在地面重力下悬浮;落塔试验的功用有限,并非加速度计性能指标的量化评定试验;射前检验加速度计噪声采用分析证实的方法,为了降低噪声,必须依靠详尽的理论分析和实验验证,一一找出各种影响因素及其影响程度,采取有力措施,切实加以改进。
     

悬丝支承型加速度计静态温度模型辨识及温度补偿方法研究

为了消除环境温度变化对悬丝支承型加速度计精度的影响,采用最小二乘法拟合建立了-50～68℃温度范围内加速度计模型系数零偏K0和标度因数K1的温度模型。由TMS320F2812 DSP和测温模块LM47172组成的硬件系统,根据温度模型对加速度计输出进行补偿后,加速度计输出的拟合均方根误差保持在10-4g数量级以内,比未采用温度补偿时提高了一个数量级,补偿效果明显。     

一种重力卫星质心在轨标定算法

针对重力卫星质心在轨标定问题,提出了一种将预测滤波与卡尔曼滤波相结合的标定算法。该算法首先利用磁力矩器产生一个明显大于干扰力矩的周期性力矩作用于卫星上,然后利用陀螺数据实现了卫星角加速度的预测滤波估计,并通过静电加速度计信息设计卡尔曼滤波器,实现卫星质心的标定;最后进行了数学仿真,仿真结果表明该算法针对卫星的角加速度及质心位置能够实时估计,三轴最佳标定精度分别为[0.0628 0.0324 0.0414]mm,实现了卫星质心较为精确的标定。     

重力梯度传感器结构误差建模

机械精度设计在重力梯度传感器的结构设计过程中占有举足轻重的地位,因为结构误差对重力梯度仪输出结果的精度有很大影响。为此,采用建立数学模型的方法,根据测量原理分析加速度计输入输出关系,对理论输出结果和含有结构误差时的实际输出结果求差,得到结构误差方程。为保证重力梯度仪的测量精度,对主要结构误差方程中信号与结构误差的耦合项进行逐项分析,则可给出在不影响精度条件下,推导安装极限误差,为提出重力梯度传感器的结构所必须达到的机械精度以及载体平台稳定性的设计要求打下基础。     

石英挠性加速度计的电阻尼设计

石英挠性加速度计在低气压环境下使用时, 可能因为漏气而出现失效问 题,分析了加速度计表头在真空状态下会出现的振荡现象,提出了可以在系统内增加电 阻尼环节来应对该问题,电阻尼环节由加速度计伺服电路中增加的内环路来实现,内环 路中的微分环节可以等效为系统的阻尼项。进而通过计算机模拟仿真和具体硬件实现后 的动态比较测试,验证了电阻尼设计的可行性,证明该方法确实能够有效提高仪表的可 靠性。     

静电悬浮加速度计伺服控制分析

根据广义相对论原理选定的坐标系参照物为理想情况下在轨道上自由飘浮的卫星, 据此讨论静电悬浮加速度计检验质量块的运动和电极笼的运动, 得到检验质量在电极内运动的动力学方程, 证明以往相关文献提供的公式存在明显缺陷; 在此基础上分析了伺服控制电路, 给出了电阻尼系数、闭环自然谐振的角频率(或称为加速度计的基础角频率)、受静电负刚度等非受控刚度制约的角频率、来自于静电悬浮的加速度、检验质量的相对位移等一系列表达式, 从而提出必须有足够的增益以提供适度的闭环自然谐振角频率. 给出了位置噪声引起的加速度噪声表达式, 证明当伺服回路的增益足够大时, 在悬浮频带内检验质量的相对位移几乎为零.      

An empirical relation to correct storm-time thermospheric mass density modeled by NRLMSISE-00 with CHAMP satellite air drag data

With the help of STAR (Spatial Triaxial Accelerometer for Research) accelerometer measurements on board CHAMP (Challenging Minisatellite Payload), the global distributions of total mass density changes at about 400 km height during major magnetic storms are studied, aiming to improve the capability of current thermospheric model for predicting the storm-time mass density distribution. The density calculated by the NRLMSISE-00 model without using the geomagnetic active index as input is taken as a reference on top of which the storm-time changes are added. In total 19 storm events during 2001–2004 are used to perform a comprehensive statistical analysis. A relative calibration of drag coefficient along with accelerometer calibration parameters is made by fitting the CHAMP observed initial mass densities in with the NRLMSISE-00 model on quiet days before each storm. The dependences of the storm-time changes in mass density on both the total global Joule heating power, ∑_Qj$\sum Q_{\text{j}}$ and the high-resolution ring current index, Sym-H, are investigated. The lag times of mass density changes with respect to the Joule heating and Sym-H variation are obtained as a function of latitude and sunlight. By using a multiple linear regression analysis with proper time shift, an empirical relation connecting storm-time changes in mass density for 400 km height with the two parameters, ∑_Qj$\sum Q_{\text{j}}$ and Sym-H, has been worked out for different latitude and sunlight conditions (day-side or night-side). Adding a correction calculated from the empirical relation to the NRLMSISE-00 model reference leads to a better prediction of storm-time thermospheric mass density distribution.     

线加速度计高次项系数校准初探

对线加速度计高次项系数的校准方法进行了初步的探讨和研究,对加速度高次项系数校准的影响因素进行了分类和初步分析,对数据处理方法进行了初步算法仿真,为进一步研究线加速度计高次项系数校准奠定了基础.     

一种分体式石英振梁加速度计的研制

加速度计作为导航制导系统的重要元件，要在严酷的条件下及系统全生命周期内保证精度、稳定性、线性度等性能指标要求，这对加速度计的研制提出了极大的挑战。介绍了一种基于振梁谐振和力频特性原理的分体式石英振梁加速度计，给出了加速度计的总体结构和简化的力学模型，并进行了受力分析，指出不能简单通过增加摆质量的厚度来提高加速度计的标度因数。阐述了用双端固定音叉结构制作石英振梁的工艺加工过程，指出铬金掩膜的制作是振梁加工的关键工序。针对振梁等效参数，电路采用具有更大增益的双门振荡器方案。最后，对加速度计进行了标定测试，标度因数为55Hz/g，量程达到±70g，4h的零偏稳定性为8.1μg。测试结果表明，双振梁推挽差分输出的设计有效改善了加速度计的零偏稳定性。