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CN105759075B - 一种高精度挠性加速度计 - Google Patents

一种高精度挠性加速度计 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种加速度计，具体涉及一种石英加速度计，所述石英加速度计包括：石英表头，所述石英表头用于感受加速度信号，将所述加速度信号转化为惯性力矩成为表头输出信号；读出装置，所述读出装置将表头输出信号转化为脉冲产生装置可识别的输入信号；脉冲产生装置，所述脉冲产生装置将所述输入信号进行控制算法转化、过采样及数字量化得到量化的电流脉冲，所述量化的电流脉冲经转化为电磁脉冲力矩用于平衡所述惯性力矩；通过本发明的电路设计、系统稳定性设计，实现反馈电流量化的同时，实现了数字反馈。采用过采样技术实现负反馈，提高了闭环系统的线性度、动态精度等，此外SDM的应用实现了量化噪声的整形，达到低噪声、数字量输出的目的。

Description

一种高精度挠性加速度计
技术领域
本发明涉及一种加速度计，具体涉及一种高精度挠性加速度计。
背景技术
石英挠性摆式加速度计简称石英加速度计，是一种典型的力平衡式加速度传感器，现已经广泛应用于惯性导航、石油随钻测斜和测井(MWD、LWD)，相对于其他工作原理的加速度计而言，由于其在价格、精度、环境适应性等综合性能的优势，占据了惯性导航和石油随钻测斜等领域的大部分市场份额。
石英加速度计组成主要是由加速度敏感器件(表头)、伺服处理电路、输出电路等部分，其中，表头部分主要包含：石英摆片、力矩器轭铁、力矩器线圈、磁钢等部件，其中，石英摆片和力矩器轭铁的端面组成差分电容，石英摆片的上下两个镀金面作为差分电容的动极板，而力矩器轭铁作为差分电容的定极板，当有外界加速度信号输入时，石英摆片受到惯性力的作用发生摆动，从而使得差分电容的电容值发生改变，通过伺服电路的C-V读出电路，使得差分电容变化转化为电压信号的变化，再通过信号调理电路反馈输出相应的电流，经过力矩器线圈给力矩器，从而产生平衡力矩去抵消外部惯性加速度产生的惯性力，达到了闭环系统的力平衡，而输入给力矩器的反馈电流的大小正比于输入惯性加速度的值，从而实现了加速度的度量。
传统的伺服处理电路主要包含C-V读出电路、比例-积分-微分(PID)控制电路、跨导放大电路、反馈加力电路等模块，主要实现物理量的转换(C-V)，闭环系统静态及动态特性的信号调理、以及电压-电流转换及驱动能力的实现等。
伺服处理电路包括模拟负反馈电路—反馈加矩方式是模拟电流，脉冲伺服负反馈方式—反馈和加矩方式是脉冲电流。而脉冲电流又包含调宽脉冲和断续脉冲等。
输出电路(数字量化)，主要是解决加速度计的数字化问题，目前传统的输出电路采用的是电流-频率(I-F)转换电路方案和A/D方案，而I-F转换通过积分器和恒流源等模块，实现了输出电流的度量(数字化)，将电流信号转换为频率信号，便于导航计算机进行导航计算；A/D转换方案是将输出电流信号经过采样电阻转化为电压信号，在此基础上，通过传统的ADC转换芯片，转换为数字量。
现有技术1：采用电容检测，模拟PID控制策略，模拟负反馈方案，采用I-F转换电路或者AD转换电路实现数字量化。存在的问题：
1、电路规模及成本。模拟量输出，需要在进行导航解算之前转变为数字量，当前主流方案是进行I-F转换，由于不需要嵌入到闭环系统中的采样电阻，因此，I-F转换电路对测量量程及内部参数没有影响，并且I-F转换电路和伺服电路相对是独立的，互相没有影响，但是I-F设计参数及精度直接决定了石英加速度计的整体精度水平，I-F转换电路规模较为复杂，精度极易受到环境温度和自身参数变化的影响，不利于集成化和小型化以及低成本。
2、系统响应。模拟量输出，反馈的带宽受到很大的限制，要想实现很快的响应速度，必然需要增加带宽，而增加带宽，又带来了不必要的噪声，影响整机性能水平。
3、动态误差。对于模拟反馈，由于在工作频段的刚度(电刚度和响应频率相关，随着响应频率的增加，电刚度在下降，从而动态响应精度降低)，而对于本发明，采用过采样数字反馈技术，系统的电刚度在有效频段内大幅度增加，从而增加了系统的动态响应精度。
4、数字量化精度。采用PDM(脉冲密度调制反馈)加速度计的反馈信号是幅值恒定的一系列脉冲，力矩器产生的作用于活动质量块的再平衡力矩是一系列幅值恒定的力矩脉冲，每一个脉冲代表一个准确的输入加速度增量，在模拟反馈加速度计方案中，输出模拟量需要经过模数转换(如惯导常用的是IF转换电路、工业领域常用的是ADC转换：I-V—D：电流转换为电压，然后电压量实现数字化)，而数字反馈加速度计中，模数转换过程是在加速度计系统回路中完成的，数字反馈直接是系统的控制和反馈量，因此模数转换的误差小。
5、线性度。传统模拟负反馈的线性度主要受制于力矩器的线性度，在满量程范围内，力矩器的力矩电流变化范围很大，如对于测量量程为±30g,标度因子为1.2mA/g的石英加速度计，要想分辨到1ug的外部输入加速度值，那么需要的力矩反馈电流是1.2mA*10-6,而当外部输入加速度为30g时，反馈电流为1.2mA*30，力矩器在这么大动态的变化范围下，其线性度的要求是很高的，此外，也考验恒流源的电流放大能力。恒流源的精度和力矩器的线性度，就决定了加速度计的线性度。而对于数字反馈控制，将输入加速度值调制为高速、等幅值和宽度的脉冲力矩，将输入加速度量化为输出的脉冲密度。避免了力矩器大动态电流的非线性问题。
现有技术2：采用脉冲密度调制(PDM)或者脉冲宽度调制(PWM)负反馈技术，存在如下问题，或者仍然没有解决如下问题：
现有技术2，仍然是基于奈奎斯特采样定律，其总体的控制策略仍然是基于传统模拟反馈方案，因此模拟负反馈的一些动态特性缺陷仍然存在，比如动态精度、系统响应等问题。
没有解决量化噪声问题，没有实现噪声整形(noise shaping)数字量输出量化噪声比较大，数字化输出的位数不够高，或者说经过数字量化后，反而损失了系统的精度。
存在Dead-Zone(死区)或者Idle Tones问题，现有技术2的脉冲密度反馈，由于系统的电刚度很小，在加速度计处于较小输入信号工作模式，其输出容易出现由于震荡环噪声带来的不稳定性问题。
发明内容
为了有效解决上述问题，本发明在石英加速度计控制电路上采用多阶sigma-delta调制控制方法，具体来讲，将石英加速度计敏感表头作为一个近似二阶系统，嵌入到高阶sigma-delta modulator(简称SDM)当中，通过本发明的电路设计、系统稳定性设计，实现反馈电流的数字量化的同时，实现了数字反馈，采用过采样技术实现负反馈，提高了闭环系统的线性度、动态精度等有益效果，此外SDM的应用实现了量化噪声的整形(noiseshaping)，达到极低的量化噪声、数字量输出的目的。
本发明的具体技术方案如下：一种石英加速度计，所述石英加速度计包括：
石英表头，所述石英表头用于感受加速度信号，将所述加速度信号转化为惯性力矩成为表头输出信号；
读出装置，所述读出装置将表头输出信号转化为脉冲产生装置可识别的输入信号；
脉冲产生装置，所述脉冲产生装置将所述输入信号进行控制算法转化、过采样处理及数字量化得到量化的电流脉冲，所述量化的电流脉冲经转化为电磁脉冲力矩用于平衡所述惯性力矩。
进一步地，所述脉冲产生装置包括控制算法单元、过采样单元、及数字量化单元。
进一步地，所述过采样单元对脉冲产生装置可识别的输入信号实现过采样；
所述控制算法单元将过采样后的信号转化为控制信号；
所述数字量化单元将控制信号量化为输出比特流信号。
进一步地，所述控制算法单元进行控制算法转化将脉冲产生装置可识别的输入信号转化为控制信号；
所述过采样单元对控制信号实现过采样；
所述数字量化单元进行数字量化将过采样后的控制信号量化为输出比特流信号。
进一步地，所述石英加速度计还包括电磁力矩脉冲控制单元。
进一步地，所述电磁力矩脉冲控制单元包括时序控制单元、恒流源单元。
进一步地，所述电磁力矩脉冲控制单元接收量化的电流脉冲，所述时序控制单元通过控制切换恒流源单元导通的方向和导通的次数，判断加速度信号的方向及大小，并反馈控制石英表头的电磁力矩器单元用于平衡所述惯性力矩。
进一步地，所述量化的电流脉冲为比特流信号，所述比特流信号是过采样的调制信号，所述比特流信号包含用于平衡所述惯性力矩的反馈力的大小及极性信息。
进一步地，所述表头输出信号为电容信号，所述读出装置将电容信号转化为脉冲产生装置可识别的电压信号。
进一步地，所述控制算法单元包括补偿单元，所述补偿单元对所述石英加速度计的闭环回路进行相位补偿。
进一步地，所述石英表头主要包括石英摆片、力矩器轭铁、力矩器线圈及磁钢；
所述石英摆片及力矩器轭铁的端面组成差分电容，所述石英摆片的上下两个镀金面作为差分电容的动极板，所述力矩器轭铁作为差分电容的定极板；
所述时序控制单元通过控制切换恒流源单元导通力矩器线圈的方向和导通的次数，判断加速度信号的方向及大小，所述力矩器线圈与磁钢产生的反馈力矩去平衡惯性力矩。
进一步地，所述石英加速计还包括一滤波抽取单元，所述滤波抽取单元将量化后的电流脉冲进行降采样和滤波处理后输出数字量信号。
一种石英加速度计的闭环控制方法，所述控制方法包括：
提供用于感受加速度信号的石英表头，将所述加速度信号转化为惯性力矩，所述惯性力矩成为表头输出信号；
将所述输出信号转化为脉冲产生装置可识别的输入信号，并输入到脉冲产生装置；
所述脉冲产生装置将输入信号进行控制算法转化、过采样处理及数字量化得到量化的电流脉冲，所述量化的电流脉冲经转化为电磁力矩用于平衡所述惯性力矩。
进一步地，所述脉冲产生装置将所述输入信号依次进行过采样处理、控制算法转化、数字量化电流脉冲输出。
进一步地，所述脉冲产生装置将输入信号依次进行控制算法转化、过采样处理、数字量化电流脉冲输出。
进一步地，提供过采样单元，所述过采样单元对所述输入信号实现过采样；
控制算法单元，所述控制算法单元将所述过采样后的信号转化为控制信号；
数字量化单元，所述数字量化单元将控制信号量化为输出比特流。
进一步地，提供控制算法单元，所述控制算法单元将输入信号转化为控制信号；
过采样单元，所述过采样单元将所述控制信号转化为过采样的控制信号；
数字量化单元，所述数字量化单元将过采样后的控制信号量化为输出比特流。
进一步地，所述表头输出信号为电容信号，所述脉冲产生装置可识别的输入信号为电压信号；
所述电容信号通过一读出装置转化为脉冲产生装置可识别的电压信号。
进一步地，提供电磁力矩脉冲控制单元，所述电磁力矩脉冲控制单元包括一时序控制单元及一恒流源单元；
所述电磁力矩脉冲控制单元接收量化的电流脉冲，所述时序控制单元通过控制切换恒流源单元导通的方向和导通的次数，判断加速度信号的方向及大小，并反馈控制石英表头的电磁力矩器单元用于平衡所述惯性力矩。
进一步地，所述方法还提供补偿单元，对所述石英加速度计的闭环回路进行相位补偿。
进一步地，所述量化的电流脉冲为比特流信号，所述比特流信号是过采样的调制波，包含用于平衡所述惯性力矩的反馈力的大小及极性信息。
本发明的有益效果为：采用过采样技术实现负反馈，极大地提高了闭环系统的线性度、动态精度等，此外SDM的应用实现了量化噪声的整形(noise shaping)，达到低噪声、数字量输出的目的。本发明将石英加速度计表头作为一个标准的二阶系统，嵌套到sigma-delta调制器(SDM)回路(loop)当中，组成一个新的高阶(二阶、三阶、四阶、五阶、六阶等)闭环系统，并解决了数字力矩反馈加力的难题、高阶sigma-delta全闭环系统稳定性问题、量化噪声最优化设计等难题。
附图说明
图1为本发明石英加速度计的系统构架图(开关电容模式)；
图2为本发明石英加速度计的系统构架图(连续时间模式)；
图3六阶石英加速度计输出PSD(161.2dB)示意图；
图4为六阶信号传递函数频率特性曲线；
图5为六阶噪声传递函数频率特性曲线；
图6为零极点示意图；
图7为带有谐振点的前馈架构示意图；
图8为电磁力矩脉冲控制单元时序控制图；
图9(a)为石英表表头结构示意图分解图；图9(b)为石英表表头结构剖视图；图9(c)为石英表表头结构侧视图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
现有技术中石英加速度计，其组成主要是由加速度敏感器件(表头)、伺服处理电路、输出电路等部分，其中，表头部分包含：石英摆片、力矩器轭铁、力矩器线圈、磁钢等部件，其中，石英摆片和力矩器轭铁的端面组成差分电容，石英摆片的上下两个镀金面作为差分电容的动极板，而力矩器轭铁作为差分电容的定极板，当有外界加速度信号输入时，石英摆片受到惯性力的作用发生摆动，从而使得差分电容的电容值发生改变，通过伺服电路的C-V读出电路，使得差分电容变化转化为电压信号的变化，再通过信号调理电路反馈输出相应的电流，经过力矩器线圈给力矩器，从而产生平衡力矩去抵消外部惯性加速度产生的惯性力，达到了闭环系统的力平衡，而输入给力矩器的反馈电流的大小正比于输入惯性加速度的值，从而实现了加速度的度量。
作为一种实施例，如图1所示，本发明的控制系统架构将石英加速度计敏感表头嵌入到一个高阶sigma-delta modulator(SDM)当中，通过合理的电路设计、系统稳定性设计，实现反馈电流的量化(数字化)的同时，实现了数字反馈。由于采用过采样技术实现负反馈，极大地提高了闭环系统的线性度、动态精度等，此外SDM的应用实现了量化噪声的整形(noise shaping)，达到低噪声、数字量输出的目的。
本发明石英加速度计SDM电路实现方式为开关电容式模式和连续时间工作模式。
所述电容式模式的石英加速度计包括一石英表头1、一C-V读出电路2、一过采样单元3、一控制算法单元4、一数字量化单元5及一电磁力据脉冲控制单元7，所述石英表头1、C-V读出电路2、过采样单元3、控制算法单元4、数字量化单元5及电磁力据脉冲控制单元7依次连接构成回路，所述电容式模式的石英加速度计还包括一滤波抽取单元6，所述滤波抽取单元6采用降采样滤波，所述滤波抽取单元连接在数字量化单元5的输出端上。
对于开关电容实现模式，C-V读出电路2将因外部加速度输入引起的电容极板的差分电容变化转化为电压变化，通过时序控制，实现C-V读出电路2的过采样，过采样率OSR是由系统级精度水平要求、功耗、电路复杂的因素综合制约的，作为一种实施例，如对于带宽为1KHz的石英加速度计，当采样率是128KHz时，那么，其过采样率是64，过采样率和后面介绍的积分器阶数，直接决定了系统信号对量化噪声的信噪比SNQR，在后面积分器阶数介绍时会详细说明。
参见说明书附图2，为本发明的另外一种实施例，对于连续时间实现模式，类似于开关电容实现模式，唯一的区别是，连续时间实现模式的过采样是在控制算法的后一级，也就是量化比较电路模块实现了过采样，二者从本质上来说是一致的，从控制系统的分析角度，也就是Z域和S域的转换。以下分析是基于开关电容工作模式(离散域—Z域)进行分析，其原理也适用于连续时间工作模式(连续域，S域)
补偿电路实现闭环系统的相位补偿，由于多阶积分器的作用，使得环路产生大于180度的相位滞后，导致系统不稳定，尤其对高Q值的加速度敏感表头，补偿电路就尤为重要，对于离散系统，简单补偿电路的传递函数可等效为(z-z0)/z，通过调整零点(z0)位置和参数实现相位补偿的参数设定。对于石英加速度计闭环系统，由于在环路中引入了多阶积分器，如下图所示，如，四阶、五阶、六阶SDM分别引入2个、3个、4个积分器，积分器的引入给闭环系统的稳定性带来了很大的挑战，以五阶SDM为例，由于引入3个积分器，使得开环传递频率特性曲线产生270度的相移，此外，对于极低噪声使用的场合，石英挠性加速度计敏感表头需要进行真空封装，以减小其热噪声，从而在敏感表头谐振点产生一个180度相移，这样非常精确的相位补偿电路设计就非常必要。
环路滤波电路，由多阶积分器组成，其传递函数为：
H(z)＝(1-z-1)n
其中n为积分器阶数，如n＝4时，那么加上加速度敏感芯片表头的近似二阶积分，我们称之为六阶SDM。对于传统的SDM来说，有用信号对量化噪声的信噪比SQNR如下式：
可以看出，信噪比和积分器的阶数N、过采样率OSR相关。对于加速度敏感器件嵌入到SDM当中，其信号对量化噪声的信噪比亦可以参照上式。
多阶积分器输出信号经过零比较器电路，产生1bit数据流，该数据流加载到恒流源控制电路上，从而通过时序控制切换恒流源导通的方向和导通次数，判断输入加速度信号的方向和大小，实现了反馈电流的量化。比较器输出的比特流，是过采样的调制波，其包含了外部输入加速度的信息，从而实现了输入加速度的度量，至此，实现了表头嵌入到SDM的闭环工作过程。
输出的比特流是过采样的，过高速率的数据给DSP的处理带来了不利，此外，输出的比特流频谱中带有高频的噪声部分(噪声整形结果)，需要将输出比特流进行降采样(满足DSP处理的耐奎斯特采样率)和滤波(滤除高频量化噪声成分)，经过降采样滤波处理的比特流，实现了输入加速度度量的数字化。
环路滤波器的架构实现，类似于SDM架构，结合石英加速度计的二阶表头模型，以六阶模型为例，系统架构一种实施例如图7所示：
而对于采用不同的架构，设计思路大致一致，一种实施例，对于存在谐振点的拓扑架构，从能量的角度，提高了石英加速度计的量化噪声整形能力，也就是将量化噪声从工作频段“挖”到了高频段，谐振点的位置决定了被“挖”走量化噪声能量的位置。
对于基于连续时间控制架构，环路滤波器架构类似。
将石英加速度计表头嵌入到SDM闭环系统当中，一个难题就是力矩器加矩电流的实现，图8作为一种实施例给出了采用1bit数据流控制的脉冲密度调制加矩方式，加载到力矩器中的是恒定的电流幅值和恒定的频率，但其极性是受到调制的，在一个采样周期，输出的正负脉冲之和就是作为加速度的度量。
图8是采用逻辑电路实现的1bit加矩方式，控制算法单元输出信号是带着电磁力矩反馈加力的极性和大小的信息，通过极性判断数字量化单元，使得输出为1或者-1，数字量化单元与时序控制单元结合，从而控制电子开关S1、S2、S3、S4的通断，一种实施例，当比较器输出为1时，S2/S4导通，S1/S3断开，力矩器线圈的电流流向是A→B，反之，比较器输出为-1时，S1/S3导通，S2/S4断开，力矩器线圈的电流流向是B→A，力矩器线圈的电流流向，表征了电磁力矩的方向，电磁力矩用于平衡外部输入加速度产出的惯性力矩，从而数字量化单元输出的高低电平(1或者-1)个数和极性表征反馈电磁力矩的大小和极性，可以作为输入加速度的度量。上述过程都是在过采样下实现的，数字量化单元输出的是1bit的比特流信号，输出比特流信号已经是带着敏感加速度的大小与极性信息，只是比特流信号是过采样，数据流很大，为了更为方便的提供给数字计算机进行计算处理(如三个石英表与三个陀螺仪组成的IMU系统，需要对石英表的数字信号进行采集与处理)，需要对输出bit流信号降采样与滤波，一方面，降低采样率，提高了输出的位数，另一方面，滤波电路将噪声整形的有用频段外的高频信号滤除，从而实现了石英表高精度数字输出的目的，实现了石英表的数字闭环、数字输出。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已经以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (17)

1.一种石英加速度计，其特征在于，所述石英加速度计包括：
石英表头，所述石英表头用于感受加速度信号，将所述加速度信号转化为惯性力矩成为表头输出信号；
读出装置，所述读出装置将表头输出信号转化为脉冲产生装置可识别的输入信号；
脉冲产生装置，所述脉冲产生装置将所述输入信号进行控制算法转化、过采样处理及数字量化得到量化的电流脉冲，所述量化的电流脉冲经转化为电磁脉冲力矩用于平衡所述惯性力矩；
电磁力矩脉冲控制单元，所述电磁力矩脉冲控制单元包括时序控制单元、恒流源单元，所述电磁力矩脉冲控制单元接收量化的电流脉冲，所述时序控制单元通过控制切换恒流源单元导通的方向和导通的次数，判断加速度信号的方向及大小，并反馈控制石英表头的电磁力矩器单元用于平衡所述惯性力矩。
2.根据权利要求1所述的一种石英加速度计，其特征在于，所述脉冲产生装置包括控制算法单元、过采样单元、及数字量化单元。
3.根据权利要求2所述的一种石英加速度计，其特征在于，所述过采样单元对脉冲产生装置可识别的输入信号实现过采样；
所述控制算法单元将过采样后的信号转化为控制信号；
所述数字量化单元将控制信号量化为输出比特流信号。
4.根据权利要求2所述的一种石英加速度计，其特征在于，所述控制算法单元进行控制算法转化将脉冲产生装置可识别的输入信号转化为控制信号；
所述过采样单元对控制信号实现过采样；
所述数字量化单元进行数字量化将过采样后的控制信号量化为输出比特流信号。
5.根据权利要求1所述的一种石英加速度计，其特征在于，所述量化的电流脉冲为比特流信号，所述比特流信号是过采样的调制信号，所述比特流信号包含用于平衡所述惯性力矩的反馈力的大小及极性信息。
6.根据权利要求1所述的一种石英加速度计，其特征在于，所述表头输出信号为电容信号，所述读出装置将电容信号转化为脉冲产生装置可识别的电压信号。
7.根据权利要求3或4所述的一种石英加速度计，其特征在于，所述控制算法单元包括补偿单元，所述补偿单元对所述石英加速度计的闭环回路进行相位补偿。
8.根据权利要求1所述的一种石英加速度计，其特征在于，所述石英表头主要包括石英摆片、力矩器轭铁、力矩器线圈及磁钢；
所述石英摆片及力矩器轭铁的端面组成差分电容，所述石英摆片的上下两个镀金面作为差分电容的动极板，所述力矩器轭铁作为差分电容的定极板。
9.根据权利要求1所述的一种石英加速度计，其特征在于，所述石英加速度计还包括一滤波抽取单元，所述滤波抽取单元将量化后的电流脉冲进行降采样和滤波处理后输出数字量信号。
10.一种石英加速度计的闭环控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：
提供用于感受加速度信号的石英表头，将所述加速度信号转化为惯性力矩，所述惯性力矩成为表头输出信号；
将所述输出信号转化为脉冲产生装置可识别的输入信号，并输入到脉冲产生装置；
所述脉冲产生装置将输入信号进行控制算法转化、过采样处理及数字量化得到量化的电流脉冲，所述量化的电流脉冲经转化为电磁力矩用于平衡所述惯性力矩；提供电磁力矩脉冲控制单元，所述电磁力矩脉冲控制单元包括一时序控制单元及一恒流源单元；所述电磁力矩脉冲控制单元接收量化的电流脉冲，所述时序控制单元通过控制切换恒流源单元导通的方向和导通的次数，判断加速度信号的方向及大小，并反馈控制石英表头的电磁力矩器单元用于平衡所述惯性力矩。
11.根据权利要求10所述的一种石英加速度计的闭环控制方法，其特征在于，所述脉冲产生装置将所述输入信号依次进行过采样处理、控制算法转化、数字量化电流脉冲输出。
12.根据权利要求10所述的一种石英加速度计的闭环控制方法，其特征在于，所述脉冲产生装置将输入信号依次进行控制算法转化、过采样处理、数字量化电流脉冲输出。
13.根据权利要求11所述的一种石英加速度计的闭环控制方法，其特征在于，提供过采样单元，所述过采样单元对所述输入信号实现过采样；
控制算法单元，所述控制算法单元将所述过采样后的信号转化为控制信号；
数字量化单元，所述数字量化单元将控制信号量化为输出比特流。
14.根据权利要求12所述的一种石英加速度计的闭环控制方法，其特征在于，提供控制算法单元，所述控制算法单元将输入信号转化为控制信号；
过采样单元，所述过采样单元将所述控制信号转化为过采样的控制信号；
数字量化单元，所述数字量化单元将过采样后的控制信号量化为输出比特流。
15.根据权利要求10所述的一种石英加速度计的闭环控制方法，其特征在于，所述表头输出信号为电容信号，所述脉冲产生装置可识别的输入信号为电压信号；所述电容信号通过一读出装置转化为脉冲产生装置可识别的电压信号。
16.根据权利要求13或14所述的一种石英加速度计的闭环控制方法，其特征在于，所述方法还提供补偿单元，对所述石英加速度计的闭环回路进行相位补偿。
17.根据权利要求10所述的一种石英加速度计的闭环控制方法，其特征在于，所述量化的电流脉冲为比特流信号，所述比特流信号是过采样的调制波，包含用于平衡所述惯性力矩的反馈力的大小及极性信息。
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Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6895397B2 (ja) * 2018-01-09 2021-06-30 株式会社日立製作所 加速度センサ
CN109142791A (zh) * 2018-09-27 2019-01-04 重庆天箭惯性科技股份有限公司 抗冲击力挠性加速度计及其提高抗冲击力的方法
JP2020159941A (ja) * 2019-03-27 2020-10-01 株式会社日立製作所 加速度センサ、出力信号制御方法
CN112698050A (zh) * 2019-10-23 2021-04-23 航天科工惯性技术有限公司 一种加速度计接地结构
CN113030511A (zh) * 2019-12-24 2021-06-25 航天科工惯性技术有限公司 一种数字化输出加速度计
CN111830594B (zh) * 2020-06-23 2022-10-28 中国船舶重工集团公司第七0七研究所 电磁加力式加速度计伺服系统测试装置、补偿系统及方法
CN111983259B (zh) * 2020-08-24 2022-03-01 西安微电子技术研究所 伺服控制电路及基于其的石英挠性加速度计和制造方法
CN112394197A (zh) * 2020-11-06 2021-02-23 中国航空工业集团公司西安飞行自动控制研究所 一种摆式加速度计
CN112429277B (zh) * 2020-11-25 2022-07-08 山东航天电子技术研究所 一种磁力矩器反向电动势抑制方法
CN112798993B (zh) * 2021-04-08 2021-07-13 中国电子科技集团公司第九研究所 基于加速度计测量永磁材料温度系数的装置及测量方法
CN113640544B (zh) * 2021-07-13 2023-07-18 西安航天精密机电研究所 动圈可切换式加速度计及其逻辑门切换开关的切换方法
CN113624993A (zh) * 2021-08-04 2021-11-09 西安微电子技术研究所 一种加速度信号转换方法、伺服电路及石英挠性加速度计
CN113777349B (zh) * 2021-08-20 2025-02-11 中国航空工业集团公司西安飞行自动控制研究所 基于速度反馈原理的摆式加速度计闭环控制系统及方法
CN114264842B (zh) * 2021-11-27 2024-03-19 陕西华燕航空仪表有限公司 一种轴尖支承摆式伺服加速度计
CN114264843B (zh) * 2021-12-17 2023-05-12 贵州振华风光半导体股份有限公司 一种用于大量程石英挠性加速度计伺服电路
CN114778891A (zh) * 2022-05-09 2022-07-22 北京信息科技大学 三轴加速度计
CN116027139B (zh) * 2023-03-29 2023-08-22 华中光电技术研究所(中国船舶集团有限公司第七一七研究所) 一种重力仪用if转换模块测试装置及方法
CN116972839B (zh) * 2023-09-22 2023-12-26 湖南天羿领航科技有限公司 嵌入频率脉冲转换电路的挠性加表数字伺服电路及方法

Family Cites Families (31)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US877313A (en) * 1907-09-06 1908-01-21 John M Faehrmann Tourist's glass.
US3877313A (en) * 1973-07-23 1975-04-15 Singer Co Electrostatic accelerometer
US4062004A (en) * 1976-03-02 1977-12-06 United Technologies Corporation Dual range, torque rebalancing of inertial sensor
US4182187A (en) 1978-04-24 1980-01-08 Sundstrand Data Control, Inc. Force balancing assembly for transducers
US4200925A (en) * 1978-07-10 1980-04-29 Northrop Corporation Inertial instrument with a multiplexed rebalance network
US4987779A (en) * 1989-02-28 1991-01-29 United Technologies Corporation Pulse-driven accelerometer arrangement
US5277053A (en) * 1990-04-25 1994-01-11 Litton Systems, Inc. Square law controller for an electrostatic force balanced accelerometer
JPH04264265A (ja) * 1991-02-19 1992-09-21 Sumitomo Electric Ind Ltd 加速度検出器
EP0590658A1 (fr) * 1992-10-02 1994-04-06 CSEM, Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique S.A. Dispositif de mesure d'une force
EP0645634B1 (en) 1993-09-29 1997-10-15 Litton Systems, Inc. Data interface for closed-loop accelerometer
US5497660A (en) * 1994-05-31 1996-03-12 Litton Systems, Inc. Digital force balanced instrument
WO1996010185A1 (fr) * 1994-06-27 1996-04-04 Sergei Feodosievich Konovalov Accelerometre a compensation
US5473946A (en) * 1994-09-09 1995-12-12 Litton Systems, Inc. Accelerometer using pulse-on-demand control
US5852242A (en) * 1995-12-04 1998-12-22 I/O Sensors, Inc. Apparatus with mechanical and electric springs and method for its manufacture
US6101864A (en) * 1997-12-17 2000-08-15 I/O Sensors, Inc. Method and apparatus for generation of test bitstreams and testing of close loop transducers
JP3371246B2 (ja) * 1999-02-16 2003-01-27 日本航空電子工業株式会社 サーボ型加速度計
US6360602B1 (en) * 1999-07-29 2002-03-26 Litton Systems, Inc. Method and apparatus reducing output noise in a digitally rebalanced accelerometer
US6386032B1 (en) * 1999-08-26 2002-05-14 Analog Devices Imi, Inc. Micro-machined accelerometer with improved transfer characteristics
ITTO20010705A1 (it) * 2001-07-18 2003-01-18 St Microelectronics Srl Modulatore elettromeccanico a sovracampionamento autocalibrante e relativo metodo di autocalibrazione.
CN2541847Y (zh) * 2002-05-23 2003-03-26 惠州惠台仙通智能仪表有限公司 一种静电伺服挠性加速度计
CN2638030Y (zh) * 2003-06-30 2004-09-01 北京兴捷科技发展有限公司 一种用于测井的动调式陀螺测斜仪
US7614300B2 (en) * 2007-05-30 2009-11-10 Northrop Grumman Corporation System and method for mitigating errors in electrostatic force balanced instrument
CN101266260A (zh) * 2008-04-03 2008-09-17 中国航天时代电子公司第七七一研究所 一种石英加速度计的伺服电路
CN101592677B (zh) * 2009-06-23 2011-11-09 北京航空航天大学 一种用于石英挠性加速度计的数字闭环伺服电路
JP2011027445A (ja) * 2009-07-22 2011-02-10 Mitsutoyo Corp 過減衰型加速度計及び地震計
CN102486401A (zh) * 2009-12-14 2012-06-06 陈�峰 高分辨率微型电容式矢量水听器
CN201749128U (zh) * 2010-08-18 2011-02-16 中国电子科技集团公司第四十三研究所 一种石英挠性加速度计的伺服电路
CN102520209B (zh) * 2011-12-28 2013-06-19 天津大学 基于激光自混合干涉的石英挠性加速度计
US9547095B2 (en) * 2012-12-19 2017-01-17 Westerngeco L.L.C. MEMS-based rotation sensor for seismic applications and sensor units having same
US9778080B2 (en) * 2013-04-29 2017-10-03 Emerson Electric (Us) Holding Corporation (Chile) Limitada Selective decimation and analysis of oversampled data
WO2016162986A1 (ja) 2015-04-08 2016-10-13 株式会社日立製作所 高感度センサシステム、検出回路、及び、検出方法

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