一种基于石英挠性加速度计的微重力测试装置

技术领域

本发明涉及一种微重力测试装置，特别是涉及一种基于石英挠性加速度计 的微重力测试装置，属于空间微重力测量技术领域。

背景技术

空间航天器上的微重力加速度包括准稳态加速度、瞬变加速度和振动加速 度。1)准稳态加速度：变化频率不大于0.01Hz，一般不超过10^-6g，引起准稳态 加速度的主要原因是大气阻力、潮汐力、太阳辐射压等；2)瞬变加速度：瞬变 加速度的量值一般在10^-4g，产生瞬变加速度的主要原因包括航天器变轨推力、 轨道控制和姿态控制推力、航天器辅助设备和有效载荷动作、航天员活动等；3) 振动加速度：振动加速度的量值一般在10^-6g以上，主要来自仪器设备的振动干 扰以及各种扰动因素引起的航天器结构的动力学响应。

由于准稳态加速度量值微弱、变化缓慢，对测量的要求相对很高，国外通 常采用静电悬浮加速度计进行测量。目前，我国航天器上尚未开展此项测试研 究。相对于准稳态加速度，瞬态加速度和振动加速度的量值较大，石英挠性加 速度计可以对其进行分辨测量。

现有微重力测量装置量程较小、通频带较窄，由于航天器微重力数据混杂， 装置在数据传输过程中容易出现由于丢帧、空帧、重帧、错码等原因丢失数据， 数据可靠性不高。同时由于加速度计未进行密封设计，装置长期在空间运行时， 随着气体压强的变化，加速度计精度降低，同时装置在轨运行阶段环境温度变 化较为剧烈，加速度计在变温情况下，精度明显下降。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于石英挠 性加速度计的空间微重力测量装置，用于实现实时测量和监视航天器在轨运行 全过程的瞬态加速度和振动加速度，为航天器的载荷动作监测、空间微重力试 验等提供科学试验数据。

本发明的技术解决方案是：一种基于石英挠性加速度计的微重力测试装置， 包括石英挠性加速度计组件、取样电路、滤波电路、选通电路、A/D转换电路、 通讯接口电路和FPGA控制器，石英挠性加速度计组件包括石英挠性加速度计和 温控系统，温控系统包括温控电路、加热元件、保温罩、安装基体和基座，石 英挠性加速度计安装在安装基体的中心位置，加热元件安装在安装基体外侧上， 安装基体通过隔热垫安装在基座上，保温罩安装在基座上，并罩在石英挠性加 速度计和安装基体外侧，加热元件与温控电路连接，石英挠性加速度计测量航 天器运动的加速度并输出稳定、低噪的模拟电流信号到取样电路，取样电路将 石英挠性加速度计输出的模拟电流信号转换为模拟量电压信号并输出到滤波电 路，滤波电路将取样电路取样后的模拟量电压信号进行低通滤波，并对电压幅 值进行限制后经选通电路送入A/D转换电路，限幅后的模拟量电压在A/D转换 电路进行数模转换，FPGA控制器采集A/D转换电路的数字电压信号经通讯接口 电路转换为422电平输出，FPGA控制器同时对选通电路进行选择控制和对A/D 转换电路进行时序控制。

所述的一种基于石英挠性加速度计的微重力测试装置，其特征在于：所述 的石英挠性加速度计的检测质量摆组件中心盘采用镂空结构，在检测质量摆组 件中心盘上加工两个圆孔，两个圆孔的圆心沿中心盘的中心轴左右对称。

所述的石英挠性加速度计的电路工艺孔压盖与电路工艺孔之间以及混合集 成电路与表头壳体之间采用激光焊接或胶接实现密封，密封漏率小于5× 10^-10Pa.m³/s。

所述的保温罩由内层和外层构成，内层采用热导率0.1～0.4W/(m·℃)的非 金属材料，外层采用热导率低于0.03W/(m·℃)的泡沫塑料。

所述的温控电路采用直流模拟电路控制方式。

所述的FPGA控制器包括分频模块、复位模块、信号锁存处理模块、A/D采 集模块、同步通讯模块和主程序模块，主程序模块负责分频模块、复位模块、 信号锁存处理模块、A/D采集模块和同步通讯模块的调用和控制，分频模块采 用计数的方式将本地40MHz时钟信号clk_i进行4分频，生成频率为10MHz占 空比50％的clk_10m信号送入信号锁存处理模块、A/D采集模块和同步通讯模 块，复位模块采用异步复位的方式，完成全局复位信号的逻辑实现，信号锁存 处理模块对外部通讯选通信号clk_8ms_i和外部提供的同步信号clk_768k_i 进行同步与锁存，A/D采集控制模块实现对选通电路、A/D转换电路的控制，同 步通讯模块实现对外部设备的同步通讯以及数据上传。

所述的取样电路由取样电阻R1和仪表运算放大器组成，其中仪表运算放大 器由运算放大器N1A、N1B、N1C、N1D、电阻R2～R12和电容C12组成，电阻R1 接在运算放大器N1A和运算放大器N1D输入正端之间，运算放大器N1A和运算 放大器N1D的输入负端通过电阻R4连接，电阻R2和电阻R3分别接在运算放大 器N1A和运算放大器N1D的输入负端与输出之间，电阻R5和电阻R6串接在运 算放大器N1D的输出端、电阻R7和电阻R8串接在运算放大器N1A的输出端， 电阻R11通过运算放大器N1C的输入正端接地，电阻R9串接在±12V电源之间 并和电阻R10串联接在运算放大器N1C的输入正端，电阻R12接在运算放大器 N1B的输出端，并通过电容C12接地。

所述的滤波电路由电阻R24～R29、电阻R71，电容C23～C24、电容C71～C72、 稳压二极管V3、V4和运算放大器N2构成的二阶压控电压源低通滤波电路，电阻 R24～R27串联接在运算放大器N2的输入正端，电阻R29和电阻R71串联接在运算 放大器N2的输入负端和输出之间，电容C24和电容C71并联接在运算放大器N2的 输入正端和地之间，电容C23和电容C72并联后一端与电阻R25和电阻R26的公共 端连接、另一端与电阻R28和电阻R71的公共端连接，电阻R28和两只反向串联的 稳压二极管V3、V4接在运算放大器N2的输出端。

本发明与现有技术相比的有益效果：

(1)本发明采用温控系统和对石英挠性加速度计实施密封，使本发明能够 适应航天器在轨运行时的气压和环境温度变化，提高了微重力的测试精度；

(2)本发明通过在石英挠性加速度计的中心盘增加镂空结构，减小了气体 压膜阻尼系数，使得石英加速度计系统阻尼降低，从而使得机械噪声降低；

(3)本发明通过采用温控系统，温控稳定精度可达±0.05℃，在温控、密 封的条件下的石英加速度计输出的噪声水平低于输出稳定性优 于3μg；

(4)本发明采用FPGA实现通道的选择和时序控制，实现测量数据的实时处 理，避免了由于丢帧、空帧、重帧、错码等原因而丢失数据，提高了数据的可 靠性；

(5)本发明采用的取样电路使量程范围扩大为±150mg；

(6)本发明采用的滤波电路扩大了通频带宽，通频带宽可达0～108.5Hz；

(7)本发明具有噪声低、量程大，通频带宽，完全覆盖了航天器飞行时的 准稳态加速度信号的幅值和频率范围。

附图说明

图1为本发明结构框图；

图2为本发明石英挠性加速度计工作原理图；

图3为本发明石英挠性加速度计的摆组件结构示意图；

图4为本发明石英挠性加速度计密封示意图；

图5为本发明温控系统原理框图；

图6为本发明温控电路原理框图；

图7为本发明取样电路框图；

图8为本发明滤波电路框图；

图9为本发明FPGA控制器外部接口框图；

图10为本发明FPGA控制器结构框图。

具体实施方式

下面就结合附图对本发明做进一步介绍。

本发明通过高阻取样放大电路，经差分取样，实现信号的取样、放大和限 幅，经二阶压控电压源低通滤波，确保微重力加速度信号频率在通频带范围内。 限幅后的模拟量电压由A/D转换电路进行数模转换，FPGA控制器采集A/D转换 电路的数字电压信号经通讯接口电路转换为422电平输出同时对选通电路进行 选择控制和对A/D转换电路进行时序控制。

如图1所示，本发明包括石英挠性加速度计组件、取样电路、滤波电路、 选通电路、A/D转换电路、通讯接口电路和FPGA控制器组成。其中石英挠性加 速度计组件包括石英挠性加速度计和温控系统，温控系统包括温控电路、加热 元件、保温罩、安装基体和基座，石英挠性加速度计安装在安装基体的中心位 置，加热元件安装在安装基体外侧上，安装基体通过隔热垫安装在基座上，保 温罩安装在基座上，并罩在石英挠性加速度计和安装基体外侧，加热元件与温 控电路连接。

如图2所示，石英挠性加速度计测量航天器运动的加速度并输出模拟电流 信号，石英挠性加速度计由表头和混合集成电路组成。其中，表头主要由检测 质量摆组件、力矩器、差动电容传感器等部分构成。在具体工作状态下，当沿 加速度计的输入轴有加速度(如振动)作用时，由于检测质量的位置变化，加 速度计产生一个再平衡电流，并以电磁力的形式使检测质量回到原来的平衡位 置，加速度计对外输出电流信号。在本发明中由三只石英挠性加速度计进行正 交安装，对外输出三路电流信号。

如图3所示，石英挠性加速度计改进了检测质量摆组件中心盘结构，通过 增加镂空结构(在检测质量摆组件中心盘上加工两个圆孔2)：其中中心盘半圆 1半径(2±0.5)mm，两侧圆孔2的圆心沿中心轴左右对称，单侧圆心到中心 盘圆心的距离为(3.6±0.1)mm，圆孔2的半径为(0.8±0.1)mm，通过增加 镂空结构减小了气体压膜阻尼系数，使得加速度计系统阻尼降低，从而使得机 械噪声降低。

如图4所示，石英挠性加速度计进行密封，主要通过加速度计电路工艺孔 压盖与电路工艺孔之间以及混合集成电路与表头壳体之间激光焊接或胶接实现 密封，实现密封漏率优于5×10^-10Pa.m³/s。

温控系统如图5所示，其温控稳定精度可达±0.05℃，包括温控电路、加 热元件12、保温罩11、安装基体13、温度传感器16和基座14。石英挠性加速 度计15安装在安装基体13内，温度传感器16置于安装基体13的中心，镍铬 材料制作的加热元件12粘贴于安装基体13的外周表面。在安装基体13的四周 加保温罩11，构成密闭温控环境。安装基体13与基座14之间使用绝热材料的 隔热垫17进行隔热，隔热垫17具有一定的机械强度、热导率(0.2～0.3) W/(m·℃)、抗拉强度和压缩强度大于300MPa。保温罩11由内外层构成，内层 采用热导率(0.1～0.4)W/(m·℃)的非金属材料，外层采用热导率低于 0.03W/(m·℃)的泡沫塑料进行保温，如聚乙烯泡沫塑料等。

温控电路采用直流模拟电路控制方式，避免了数字温度控制开关切换产生 的电磁干扰，温控电路可采用如图6所示的电路，温控电路包括电阻R101～R 105、热敏电阻、运算放大器、加热元件、三极管Q1、Q2，也可采用其他具有 相同功能的电路。

采用上述密封、温控条件下的石英挠性加速度计其输出信号的噪声水平低 于输出稳定性优于3μg。

取样电路如图7所示，由取样电阻R1和运算放大器N1A、N1B、N1C、N1D 等组成，构成一个带输出调零功能的仪表运算放大器，实现高阻取样放大。所 述取样电阻R1一般取1kΩ左右，R1接在运算放大器N1A、N1D输入正端之间， N1A、N1D的输入负端通过电阻R4连接，电阻R2、R3分别接在N1A、N1D的输 入负端与输出之间，第一级电压增益G1＝(R2+R3+R4)/R4。电阻R5、R6串接 在N1D的输出端、电阻R7、R8串接在N1A的输出端，应满足R8/R7＝R6/R5，第 二级电压增益G2＝R6/R5＝R8/R7，总的电压增益G＝G1×G2。电阻R9、R10、R11 为电平调整电阻，用于调整参考电平，通过调整电阻阻值调满度，保证加速度 计输入±150mg时，输出范围为±9.5V，其中电阻R11通过运算放大器N1C的 输入正端接地、电阻R9串接在±12V电源之间并和电阻R10串联接在N1C的输 入正端；电阻R12接在运算放大器N1B的输出端，并通过电容C12接地，构成 输出RC滤波，其电阻、电容值可根据调试需求选取。

如图8所示，滤波电路对取样电路的模拟输出电压进行低通滤波，并对输 出电压进行限幅，电压幅值的限制范围取决于微重力加速度的测量范围，经滤 波限幅后的电压信号输出至选通电路。滤波电路由电阻R24～R29、R71，电容 C23～C24、C71～C72、稳压二极管V3、V4和低噪声精密运算放大器等构成二阶 压控电压源低通滤波电路。电阻R24、R25、R26、R27串联接在运运算放大器 N2的输入正端，电阻R29、R71串联接在N2的输入负端和输出之间。电容C24、 C71并联接在N2的输入正端和地之间，电容C23、C72并联接在输出端和输入 正端之间。N2的保护电阻R28和两只反向串联的稳压二极管V3、V4接在N2的 输出端，V3、V4稳压值在8.5V～9.5V之间对输出电压进行限幅，保证输出电压 不超出±10V范围。可根据设计要求的滤波通带调整R、C的值，本发明滤波通 带为0-108.5Hz，可以覆盖准稳态加速度的测量范围。

选通电路主要通过高速CMOS模拟开关实现三路信号的选通，模拟开关导通 时间典型值为40ns，关断时间典型值为30ns，导通电阻典型值为30Ω。

A/D转换电路用于实现对三路加速度计输出信号的采集，主芯片是一种高 速并行输出的单通道ADC，模拟电压输入范围为±10V。A/D转换电路的时序由 FPGA控制器实现。

通讯接口电路由FPGA控制器结合RS-422接口芯片实现。为保证微重力测 试装置输出信号的通讯，通讯接口电路将选通信号转换成TTL电平，将FPGA 控制器输出的数据信号转换成EIA标准422电平。

为FPGA控制器外围接口如图9所示，FPGA控制器用于实现三路加速度计 模拟电压信号的选通以及采集的时序控制，同时实现装置的同步通讯。

FPGA控制器结构示意图如图10所示，主要由六个模块组成：1)分频模块； 2)复位模块；3)信号锁存处理模块；4)A/D采集模块；5)同步通讯模块；6)主 程序模块。

分频模块采用计数的方式将本地40MHz时钟信号clk_i进行4分频，生成 频率为10MHz占空比50％的clk_10m信号。

复位模块采用异步复位的方式，完成全局复位信号的逻辑实现，包括复位 信号的处理、滤波，防止微小的毛刺干扰导致系统复位。

信号锁存处理模块对外部提供的通讯选通信号clk_8ms_i和外部同步信号 clk_768k_i进行同步与锁存，每个信号进行3次锁存。图10中各个信号指代如表 1所示。

表1FPGA产品对外I/O端口定义表

A/D采集模块实现对模拟开关和A/D芯片的控制，保证数据采集的正常进 行。每8ms选通一次，在每一个8ms内，A/D采集模块实现两次三路加速度计 信号的数据采集，每4ms一次。

同步通讯模块实现与外部设备的同步通讯以及数据上传，同步通讯模块选 通信号周期为8ms，高电平有效，有效宽度为32字节数据对应的宽度；码同步 信号为768kHz，超前选通信号不超过1/8码周期；同步通讯发送信号的数据码 元的前沿相对于其输入“码同步信号”前沿的滞后量小于1/4码周期。

FPGA控制器采用反熔丝型，主程序模块采用VHDL硬件语言进行编程。主 程序模块实现对各个子模块的调用和信号声明。

对本发明进行试验测试：将本发明安装在高精度转台上，通过调整转台的 不同位置，模拟空间微重力振动加速度，记录装置在各位置的输出D(LSB)，本 发明的输出与输入加速度(即转台不同位置对应的加速度)，可以得到三通道加 速度计的输出模型方程分别为：

Ax(g)＝4.95×10^-6(g/LSB)×D(LSB)-1.098×10^-3(g)     (1)

Ay(g)＝4.95×10^-6(g/LSB)×D(LSB)+3.422×10^-3(g)     (2)

Az(g)＝4.97×10^-6(g/LSB)×D(LSB)+2.728×10^-4(g)     (3)

由上述模型可知，式(1)、(2)、(3)中为线性方程，线性方程的系数均小 于5×10^-6g，因此可确定本发明的测量分辨率均优于5×10^-6g。

通过滤波电路参数的设置，本发明的通频带宽为0～108.5Hz，通过取样电 路参数的设置，本发明量程为±150mg。

同时当模拟航天器系统向本发明提供选通信号和同步码信号后，本发明向 系统输出数据。每8ms选通一次设备，本发明将2帧数据(共32字节)送出， 可以实时反应航天器的微重力加速度随时间的变化。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。