专利名称：一种基于石英挠性加速度计的微重力测试装置的制作方法
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。I)准稳态加速度变化频率不大于O. 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5X KTwPa. m3/s。所述的保温罩由内层和外层构成，内层采用热导率O. I O. 4W/(m*°C)的非金属材料，外层采用热导率低于O. 03ff/(m · V )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IOMHz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Rl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、NIB, NIC、N1D、电阻R2 R12和电容C12组成，电阻Rl接在运算放大器NlA和运算放大器NlD输入正端之间，运算放大器NlA和运算放大器NlD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NlA和运算放大器NlD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NlD的输出端、电阻R7和电阻R8串接在运算放大器NlA的输出端，电阻Rll通过运算放大器NlC的输入正端接地，电阻R9串接在±12V电源之间并和电阻RlO串联接在运算放大器NIC的输入正端，电阻R12接在运算放大器NlB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(I)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°C，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-130dBWi ,输出稳定性优于3μ g ；(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)本发明米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O 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。
图I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。
具体实施例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I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I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· l)mm,圆孔2的半径为(0.8±0. 1)_，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 5Xl(T1QPa. m3/s。温控系统如图5所示，其温控稳定精度可达±0. 05°C，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1 1，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(O. 2 O. 3)ff/(m-0C )、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(O. l 0.4)W/(m*°C )的非金属材料，外层采用热导率低于0.03W/(m*°C )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RlOl R105、热敏电阻、运算放大器、加热元件、三极管Ql、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
g / \[7 ζ ,输出稳定性优于3 μ g。取样电路如图7所示，由取样电阻Rl和运算放大器N1A、NIB, NIC、NlD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Rl —般取IkQ左右，Rl接在运算放大器N1A、NlD输入正端之间，N1A、NlD的输入负端通过电阻R4连接，电阻R2、R3分别接在N1A、NlD的输入负端与输出之间，第一级电压增益Gl =(R2+R3+R4)/R4。电阻R5、R6串接在NlD的输出端、电阻R7、R8串接在NlA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 = G1XG2。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Rll通过运算放大器NlC的输入正端接地、电阻R9串接在±12V电源之间并和电阻RlO串联接在NlC的输入正端；电阻R12接在运算放大器NlB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30 Ω。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IOMHz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I所示。表IFPGA产品对外I/O端口定义表
序号端口名称信号属性复位后状态端口说明
~ elk—iinput-40M 时钟信号
2elk—8ms—iinput-选通信号
3elk—768k—iinput-码同步信号
4busy—iinput-A/D芯片转换标志信号
5rst—iinput-复位信号
6rstrciinput-上电复位信号
7cs—οoutputOA/D芯片控制信号
8ctrl—0(4)outputIA/D 芯片控制信号 R/C
9ctrl—o(3)outputI通道X选择控制信号
10ctrl—o(2)outputI空通道选择控制信号
权利要求
1.一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。
2.根据权利要求I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。
3.根据权利要求I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 X KTwPa. m3/s。
4.根据权利要求I所述的一种基于石英挠性加速度计的微重力测试装置，其特征在于所述的保温罩由内层和外层构成，内层采用热导率O. I O. 4ff/(m.°C )的非金属材料，外层采用热导率低于O. 03ff/(m · V )的泡沫塑料。
5.根据权利要求I所述的一种基于石英挠性加速度计的微重力测试装置，其特征在于所述的温控电路采用直流模拟电路控制方式。
6.根据权利要求I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信号分别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。
7.根据权利要求I所述的一种基于石英挠性加速度计的微重力测试装置，其特征在于所述的取样电路由取样电阻Rl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Rl接在运算放大器NlA和运算放大器NlD输入正端之间，运算放大器NlA和运算放大器NlD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NlA和运算放大器NlD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NlD的输出端、电阻R7和电阻R8串接在运算放大器NlA的输出端，电阻Rll通过运算放大器NlC的输入正端接地，电阻R9串接在土 12V电源之间并和电阻RlO串联接在运算放大器NIC的输入正端，电阻R12接在运算放大器NlB的输出端，并通过电容C12接地。
8.根据权利要求I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。
全文摘要
本发明公开了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。本发明具有噪声低、量程大，通频带宽，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。
文档编号G01V7/16GK102778700SQ20121022882
公开日2012年11月14日 申请日期2012年7月4日 优先权日2012年7月4日
发明者刘 英, 张秋月, 梁杰, 许中生, 邱宏波, 郭琳瑞, 魏超 申请人:航天科工惯性技术有限公司