阅读说明：本技术 一种三轴石英挠性加速度计总成及其测量方法 (Triaxial quartz flexible accelerometer assembly and measuring method thereof ) 是由 徐鑫 刘骅峰 刘发 阮晓明 郑东飞 于 2020-07-31 设计创作，主要内容包括：本发明一种三轴石英挠性加速度计总成,包括测量部件和数据转换部件；测量部件包括安装平台和三个石英挠性加速度计；安装平台呈三棱锥状,三个石英挠性加速度计分别对应固定设置在安装平台的三个侧面,安装平台的底面水平设置；三个石英挠性加速度计形成的轴线之间相互垂直,三个石英挠性加速度计的轴线之间沿水平面的夹角等分；一种加速度测量方法,步骤1,将三个石英挠性加速度计的敏感轴分别定义为U、V、W坐标轴,测量得到UVW坐标系下的加速度；步骤2,通过数据转换部件将UVW坐标系下的加速度转换为XYZ坐标系下的加速度,对外输出XYZ坐标系下的X、Y、Z三个轴向的加速度数字信号。结构简单,无需对石英挠性加速度计进行特殊设计。(The invention relates to a triaxial quartz flexible accelerometer assembly, which comprises a measuring component and a data conversion component, wherein the measuring component is connected with the data conversion component; the measuring component comprises a mounting platform and three quartz flexible accelerometers; the mounting platform is in a triangular pyramid shape, the three quartz flexible accelerometers are respectively and fixedly arranged on three side surfaces of the mounting platform correspondingly, and the bottom surface of the mounting platform is horizontally arranged; the axes formed by the three quartz flexible accelerometers are mutually vertical, and the included angles between the axes of the three quartz flexible accelerometers along the horizontal plane are equally divided; an acceleration measuring method comprises the steps of 1, defining sensitive axes of three quartz flexible accelerometers as U, V, W coordinate axes respectively, and measuring to obtain acceleration under a UVW coordinate system; and 2, converting the acceleration under the UVW coordinate system into the acceleration under the XYZ coordinate system through a data conversion component, and outputting X, Y, Z three-axial acceleration digital signals under the XYZ coordinate system. The structure is simple, and the quartz flexible accelerometer is not required to be specially designed.)

一种三轴石英挠性加速度计总成及其测量方法

技术领域

本发明涉及惯性测量领域，具体为一种三轴石英挠性加速度计总成及其测量方法。

背景技术

惯性测量单元(Inertial Measurement Unit，简称IMU)通过测量载体在惯性参考系中的三个轴向角速度和加速度，通过对时间进行积分解算得到载体在导航坐标系中的速度、偏航角以及其他位置信息，是惯性导航系统的核心信息源。另外，惯性测量单元也已广泛应用于远程武器精确制导、卫星姿态控制、石油地质勘探、铁路轨道检查车测振等各个国防民生领域，具有极高的军事与社会效益。

作为IMU的重要仪表，三轴加速度计的性能直接影响导航系统的整体性能。石英挠性加速度计以其精度高、体积小、能耗低、可靠性高等特点，是目前IMU的首选器件。通常，三个单轴石英挠性加速度计相互正交放置，其中两个相互正交水平放置，第三个垂直方向放置，形成最基本的笛卡尔坐标系，从而达到三个轴向XYZ的加速度测量。使用这种加速度计配置方式时，在地球重力加速度的影响下，垂直方向放置的石英挠性加速度计的传动结构会受到持续的外界应力，使得三个方向的石英挠性加速度计工作状态不同，在静态下，x轴为0g，y轴为0g，z轴为+1g或-1g。这种持续的外界应力会加速老化石英挠性加速度计的使用寿命，放大三个轴向的石英挠性加速度计因工艺误差所导致的测量误差，因此，在一些精密测量领域需要单独对z轴加速度计进行特殊设计。另外，惯性导航系统在使用XYZ三个轴向的加速度分量时，需要提前消除实时重力加速度的影响，而重力加速度会随着地面高度、纬度以及附近矿藏分布等发生变化，从而对提高了惯性导航系统的复杂度。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种三轴石英挠性加速度计总成及其测量方法，结构简单，无需对石英挠性加速度计进行特殊设计，同时降低重力加速度对三轴加速度计的影响。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种三轴石英挠性加速度计总成，包括测量部件和数据转换部件；所述测量部件测量UVW坐标下的加速度，数据转换部件将UVW坐标下的加速度转换为XYZ直角坐标系下的加速度；

所述测量部件包括安装平台和三个石英挠性加速度计；

所述安装平台呈三棱锥状，三个石英挠性加速度计分别对应固定设置在安装平台的三个侧面，安装平台的底面水平设置；所述三个石英挠性加速度计形成的轴线之间相互垂直，三个石英挠性加速度计的轴线之间沿水平面的夹角等分；

所述数据转换部件包括模数转换单元和FPGA信号处理单元；

所述三个石英挠性加速度计的输出端均连接模数转换单元的输入端，模数转换单元的输出端连接FPGA信号处理单元的输入端，FPGA信号处理单元的输出端连接数字系统。

优选的，所述安装平台底部依次设置有电路板和金属底座，所述数据转换部件设置在电路板上，所述安装平台上石英挠性加速度计的安装孔为通孔，石英挠性加速度计的输出端穿过通孔与底部的数据转换部件的输入端连接，所述金属底座上设置有引出端接口，数据转换部件的输出端连接引出端接口。

优选的，还包括温度控制系统，所述温度控制系统包括加热装置、测温装置和控制装置；所述加热装置对测量部件进行加热，测温装置测量加热装置的加热温度，控制装置控制加热装置；

所述加热装置包括金属套筒和加热器，测温装置包括恒流源、惠斯通电桥和仪表放大器，控制装置包括PID控制器、脉宽调制器和功率驱动电路；所述惠斯通电桥包括热敏电阻Rt和三个调试电阻Rc；所述恒流源包括精密电压基准、运算放大器和精密电阻Rp；

所述金属套筒套设在测量部件的外侧，金属套筒的外侧固定设置有加热器，所述热敏电阻Rt固定设置在加热器与金属套筒之间；所述精密电压基准的输出端连接运算放大器的同相输入端，运算放大器的输出端连接惠斯通电桥的输入端，输入端对角的输出端连接精密电阻Rp的输入端和运算放大器的反向输入端，精密电阻Rp的输出端接地，惠斯通电桥的另外两个输出端连接仪表放大器的输入端，仪表放大器的输出端连接PID控制器的输入端，PID控制器的输出端连接脉宽调制器的输入端，脉宽调制器的输出端连接功率驱动电路的输入端，功率驱动电路的输出端连接加热器。

进一步的，所述PID控制器包括调试电阻、限流电阻R5、调试电容和运算放大器；

所述调试电阻分别为电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4，调试电容分别为电容C1和电容C2；

所述电阻R1和电容C1的输入端连接仪表放大器的输出端，电阻R1的输出端连接运算放大器的反相输入端，电容C1的输出端连接电阻R2的输入端，电阻R2的输出端连接运算放大器的反相输入端，电容C2的输入端连接运算放大器的反相输入端，电容C2的输出端连接电阻R4的输入端，电阻R4的输出端连接运算放大器输出端；电阻R3的输入端连接运算放大器的反相输入端，电阻R3的输出端连接运算放大器的输出端；限流电阻R5的输入端连接运算放大器的同相输入端，限流电阻R5的输出端接地。

进一步的，所述脉宽调制器包括锯齿波发生器和电压比较器；

PID控制器的输出端连接电压比较器的反相输入端，锯齿波发生器的输出端连接电压比较器的同相输入端，电压比较器的输出端连接电阻的输入端，限流电阻的输出端连接达灵顿结构晶体管的基极，达灵顿结构晶体管的集电极连接加热器，发射极接地。

进一步的，所述金属套筒和金属底座之间密封连接形成密封空间，测量部件和数据转换部件设置在密封空间内部。

优选的，所述石英挠性加速度计通过螺钉固定在安装平台上。

一种加速度测量方法，基于上述任意一项所述的三轴石英挠性加速度计总成，包括以下过程，

步骤1，将三个石英挠性加速度计的敏感轴分别定义为U、V、W坐标轴，测量得到UVW坐标系下的加速度；

步骤2，通过数据转换部件将UVW坐标系下的加速度转换为XYZ坐标系下的加速度，对外输出XYZ坐标系下的X、Y、Z三个轴向的加速度数字信号。

优选的，所述UVW坐标转换XYZ直角坐标系的公式为：

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种三轴石英挠性加速度计总成，通过将三个石英挠性加速度计采用Galperin的三分量配置方式，测量UVW坐标下的加速度，通过数据转换部件将UVW坐标下的加速度转换为XYZ直角坐标系下的加速度，实现传统笛卡尔坐标系下XYZ三个轴向的加速度测量。本发明中的三个石英挠性加速度计结构完全相同，所受到的外界应力也完全相同，避免了传统石英挠性加速度计中对z轴加速度计进行特殊设计，不用将z轴器件与x、y轴器件进行区分，从而降低了惯性测量单元的设计难度与加工难度。在应用时，不必考虑外界环境重力加速度对测量系统带来的影响，降低了后级惯性导航系统、测斜系统、测振系统等的设计难度。

进一步的，还包括温度控制系统，所述温度控制系统包括加热装置、测温装置和控制装置，加热装置对测量部件进行加热，测温装置测量加热装置的加热温度，控制装置根据测温装置测量结果控制加热装置；通过温度控制系统产生稳定的温度场，可以减小温度应力对加速度测量装置带来的误差。

更进一步的，PID控制器包括调试电阻、限流电阻R5、调试电容和运算放大器；调试电阻包括电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4，调试电容包括电容C1和电容C2；电阻R1和电容C1的输入端连接仪表放大器的输出端，电阻R1的输出端连接运算放大器的反相输入端，电容C1的输出端连接电阻R2的输入端，电阻R2的输出端连接运算放大器的反相输入端，电容C2的输入端连接运算放大器的反相输入端，电容C2的输出端连接电阻R4的输入端，电阻R4的输出端连接运算放大器输出端；电阻R3的输入端连接运算放大器的反相输入端，电阻R3的输出端连接运算放大器的输出端；限流电阻R5的输入端连接运算放大器的同相输入端，限流电阻R5的输出端接地。通过调节电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1、电容C2可改变PID控制微分时间常数。选取合适的微分时间常数有助于减小系统的超调量，提高响应速度，减少调节时间。

更进一步的，金属套筒和金属底座之间密封连接形成密封空间，测量部件和数据转换部件设置在密封空间内部。通过形成密封空间，便于控制石英挠性加速度计的工作温度，减少温度对测量装置带来的误差。

一种加速度测量方法，通过先测量UVW坐标下的加速度，再将UVW坐标下的加速度转换为XYZ直角坐标系下的加速度，实现传统笛卡尔坐标系下XYZ三个轴向的加速度测量。避免了传统石英挠性加速度计中对z轴加速度计进行特殊设计，不用将z轴器件与x、y轴器件进行区分，从而降低了惯性测量单元的设计难度与加工难度。

进一步的，根据UVW坐标系与XYZ坐标系的转换矩阵，其矩阵系数小于1，从而提高了三轴石英挠性加速度计的测量量程。

附图说明

图1为本发明实施例一种三轴石英挠性加速度计总成系统原理框图；

图2为本发明实施例一种三轴石英挠性加速度计总成结构示意图；

图3为UVW坐标系与XYZ坐标系的转换示意图；

图4为本发明实施例温度控制系统结构图；

图5为本发明实施例PID控制器；

图6为本发明实施例脉宽调制与功率驱动电原理图。

图中：1为金属套筒；2为螺钉；3为石英挠性加速度计；4为安装平台；5为电子元器件；6为PCB板；7为金属底座；8为引出端接口。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明一种三轴石英挠性加速度计总成，包括测量部件和数据转换部件；所述测量部件测量UVW坐标下的加速度，数据转换部件将UVW坐标下的加速度转换为XYZ直角坐标系下的加速度。

测量部件包括安装平台4和三个石英挠性加速度计3；安装平台4呈三棱锥状，三个石英挠性加速度计3固定设置在安装平台4的三个侧面，安装平台4的底面水平设置；三个石英挠性加速度计3形成的轴线之间相互垂直，三个石英挠性加速度计3的轴线之间沿水平面的夹角等分。

数据转换部件包括模数转换单元和FPGA信号处理单元。三个石英挠性加速度计的输出端连接模数转换单元的输入端，模数转换单元的输出端连接FPGA信号处理单元的输入端，FPGA信号处理单元的输出端连接用户后级数字系统，用户后级数字系统处理测量得到的加速度数值。

一种加速度测量方法，包括以下过程：

步骤1，将三个石英挠性加速度计3的敏感轴分别定义为U、V、W坐标轴，测量得到UVW坐标系下被测物的加速度；

步骤2，通过数据转换部件将UVW坐标系下的加速度转换为XYZ坐标系下被测物的加速度，对外输出XYZ坐标系下的X、Y、Z三个轴向的加速度数字信号。

如图3所示，UVW坐标系与XYZ坐标系之间的转换矩阵为：

其中β表示V轴在XY平面的投影与Y轴之间的夹角，θ表示U、V、W轴与XY平面的夹角。为保证Galperin坐标系UVW每个轴平等地感应重力并相互正交。UVW三轴在XY平面等间距排列，则β＝30°。

根据UVW轴方向向量：

其中三者相互正交，从而θ≈35.26°。因此，UVW三个敏感轴倾斜角为35.26°，即三个石英挠性加速度计安装平面与XY平面夹角为54.74°，可以使U、V、W三轴相互正交。

本发明一种三轴石英挠性加速度计总成，通过将三个石英挠性加速度计采用Galperin的三分量配置方式，测量UVW坐标下的加速度，通过数据转换部件将UVW坐标下的加速度转换为XYZ直角坐标系下的加速度，实现传统笛卡尔坐标系下XYZ三个轴向的加速度测量。本发明中的三个石英挠性加速度计结构完全相同，所受到的外界应力也完全相同，避免了传统高精度惯性测量单元中对z轴加速度计进行特殊设计，不用将z轴器件与x、y轴器件进行区分，从而降低了惯性测量单元的设计难度与加工难度。在应用时，不必考虑外界环境重力加速度对测量系统带来的影响，降低了后级惯性导航系统、测斜系统、测振系统等的设计难度。

实施例

本发明提供的一种三轴石英挠性加速度计总成包括三个单轴敏感的石英挠性加速度计3、高精度模数转换单元、FPGA信号处理单元、温度控制系统以及相应的金属结构件。三个石英挠性加速度计3的信号输出端与高精度模数转换单元信号输入端连接，模数转换单元的信号输出端与FPGA处理单元的信号输入端相连，FPGA处理单元的信号输出端与系统对外接口连接，作为三轴石英挠性加速度计的信号输出端。

本发明采用的石英挠性加速度计3采用Φ25.4mm尺寸的常规石英挠性加速度计，高精度模数转换单元采用ADS1281，FPGA采用XC6SLX9-2FTG256I。

本发明的三轴石英挠性加速度计总体方案原理框图如图1所示。加速度计敏感单元采用三个单轴敏感的高精度石英挠性加速度计3，三个石英挠性加速度计3采用Galperin配置方式实现三分量的加速度测量。关于Galperin配置方式说明如下：三个完全相同的单轴石英挠性加速度计3与水平面呈夹角54.74°放置，且三个石英挠性加速度计3之间沿水平面内圆周相隔夹角120°分布。该种配置方式使得三个石英挠性加速度计敏感轴之间相互正交，此时三个敏感轴分别定义为U、V、W坐标轴、根据几何关系，这种基于Galperin配置的UVW坐标下的加速度计输出g_u、g_v、g_w可以通过以下公式转换成为两两正交的XYZ直角坐标系输出g_x、g_y、g_z。

位于UVW坐标系中的三个石英挠性加速度计3将敏感到的外界加速度转换为模拟电流信号输入高精度数据采集系统进行模数转换，最终输入到FPGA的数据融合模块进行数据解算，完成UVW坐标系到XYZ坐标系的加速度信息转换，最终对外输出传统笛卡尔坐标系下的X、Y、Z三个轴向的加速度数字信号。

本发明的三轴石英挠性加速度计结构图如图2所示。系统结构主要分为：金属底座7、电路板6、安装平台4、石英挠性加速度计3、金属套筒1。安装平台4采用机械加工的方式加工出安装三个石英挠性加速度计3的安装面，安装面与水平面夹角为54.74°，三个安装面的中心轴线沿水平面圆周相隔夹角120°分布，以保证三个石英挠性加速度计3按照Galperin配置方式安装。安装平台结构件z轴轴心为通孔结构，用于将三个石英挠性加速度计3的信号输入输出接口与底部的电路处理板通过软导线相连。电路板6上设置的电子元器件5主要包括高精度模数转换单元、FPGA处理单元以及相应***配置电路，电路板6采用PCB制造工艺和电子元器件5表面贴装工艺实现。电路板6组装完成后，通过螺钉2固定在圆形底座内，同时将安装平台4上的三个石英挠性加速度计3的信号输入输出端通过软导线连接在电路板6上，完成整个系统的电气连接。此时进行整个系统的电学性能调试，待系统功能调试完成后，通过螺钉将安装平台固定在金属底座7上。最后，将搭载温度控制系统的金属套筒1通过螺钉固定在安装平台4上，完成整个系统的组装。

温度控制系统结构图如图4所示，其控制对象是金属套筒1外表面加热器，温度控制系统包括惠斯通电桥、恒流源、仪表放大器、PID控制器、脉宽调制器、功率驱动和加热器。热敏电阻Rt安装在加热器与金属套筒1外表面之间。惠斯通电桥包括热敏电阻Rt和三个调试电阻Rc。

金属套筒1套设在测量部件的外侧，金属套筒1的外侧固定设置有加热器，热敏电阻Rt固定设置在加热器与金属套筒1之间；惠斯通电桥的输入端连接供电电源，对角输出端连接恒流源单元中的精密电阻和运算放大器的反向输入端，惠斯通电桥，其余输出端连接仪表放大器的输入端，仪表放大器的输出端连接PID控制器的输入端，PID控制器的输出端连接脉宽调制器的输入端，脉宽调制器的输出端连接功率驱动电路的输入端，功率驱动电路的输出端连接加热器。

恒流源包括精密电压基准、运算放大器和精密电阻，精密电压基准的输出端连接运算放大器的同相输入端，精密电阻Rp分别连接运算放大器的反相输入端和惠斯通电桥的对角输出端，另一端接地，运算放大器的输出端连接惠斯通电桥的电源输入端。

通电后，金属套筒1温度开始变化，从而使热敏电阻Rt阻值发生变化，从而使得惠斯通电桥桥臂两端电压差ΔV发生变化，ΔV通过仪表放大器进行放大后进入PID控制器产生控制电压，PID控制器结构图如图5所示，PID控制器包括调试电阻R1、R2、R3、R4，限流电阻R5，调试电容C1、C2以及运算放大器。其中电阻R1和电容C1一端相连作为PID控制器输入端，电阻R1另一端连接运算放大器反相输入端；电容C1另一端连接电阻R2一端，电阻R2另一端连接运算放大器反相输入端；电容C2一端连接运算放大器反相输入端，另一端连接电阻R4，电阻R4另一端连接运算放大器输出端；电阻R3一端连接运算放大器反相输入端，另一端连接运算放大器输出端；电阻R5一端连接运算放大器同相输入端，另一端接地。PID控制器传递函数为:

调节R1、R3可改变PID控制增益常数，调节R2、R4、C1、C2可改变PID控制积分时间常数，调节R1、R2、R3、R4、C1、C2可改变PID控制微分时间常数。当系统偏差及其变化速率为零时，积分、微分环节不起作用，控制器输出为常数，一旦输出与给定值之间产生偏差，积分器就开始工作，直至偏差为零，积分作用停止，积分器的输出又变为常值。微分器能够反映系统偏差信号的变化规律，预测系统偏差量，并提前做出调整，在偏差信号还未出现之前予以消除，起到超前控制的作用。选取合适的微分时间常数有助于减小系统的超调量，提高响应速度，减少调节时间。综上所述，微分环节减小了比例环节和积分环节对系统稳定性和响应速度带来的负面影响，积分器又能消除微分环节引入的稳态误差和高频噪声干扰，三者相互配合，相互补偿，实现对系统的有效控制。

如图6所示，脉宽调制器包括锯齿波发生器和电压比较器，PID控制器的输出端连接电压比较器的反相输入端，锯齿波发生器的输出端连接电压比较器的同相输入端，电压比较器的输出端连接电阻的输入端，电阻的输出端连接达灵顿结构晶体管的基极，达灵顿结构晶体管的集电极连接加热器，发射极接地。

PID控制器输出电压与锯齿波发生器产生的锯齿波通过电压比较器，产生PWM调宽波，该调宽波控制功率驱动电路中达灵顿结构晶体管的导通与关断，实现对加热器的加热功率控制，最终使温控区域的温度达到平衡。脉宽调制与功率驱动部分电原理图。

与热敏电阻Rt对应的电阻为可调电阻Rc，可根据需要改变可调电阻阻值，从而改变脉宽调制器输出脉宽，改变加热器加热功率，使温控系统达到所需的目标温度。

另外，为提高温控系统控制精度，惠斯通电桥采用恒流源驱动，驱动电流为：

本发明的三轴石英挠性加速度计将三个单轴敏感的石英挠性加速度计采用基于Galperin的三分量配置方式，实现传统笛卡尔坐标系下XYZ三个轴向的加速度测量以及数字量输出。相比传统XYZ三个轴向的配置方式，本发明使用的三个石英挠性加速度计所受到的外界应力完全相同，不用将z轴重力方向器件与x、y轴器件进行区分，从而降低了惯性测量单元的设计难度与加工难度。根据UVW坐标系与XYZ坐标系的转换矩阵，其矩阵系数小于1，从而可提高三轴石英挠性加速度计测量量程。本发明在应用时，不必考虑外界环境重力加速度对测量系统带来的影响，降低了后级惯性导航系统、测斜系统、测振系统等的设计难度。此外，本发明采用高精度温控系统，将三轴石英挠性加速度计3放置在金属套筒1的密闭空间内，该空间利用温度控制系统产生稳定的温度场，可以减小温度应力对测量系统带来的误差。