一种悬丝摆式加速度传感器的制作方法

本发明涉及加速度传感检测技术领域，具体来说，涉及悬丝摆式加速度传感器领域。

背景技术：

目前悬丝摆式加速度传感器采用模拟电流反馈的闭环形式，输出模拟电流的大小和输入的加速度成正比，而输出的模拟电流一方面反馈到力矩线圈中，产生的电磁力矩将悬丝摆组件拉回到无加速度时的平衡位置，另一方面通过电流频率变换，转换成相应数字信号，再传送给导航数据处理终端以提供运载体的姿态和位置信息。悬丝摆式加速度计中悬丝摆式加速度传感器的检测精度、伺服信号放大精度、模拟数字转换精度等，直接决定了整个系统的精度。

现有加速度传感器伺服信号放大电路，通常是由电流积分电路和跨导补偿放大电路组成，跨导补偿放大器与积分器一起完成对系统的频率补偿，同时将积分器的输出电压转换成输出电流反馈给力矩器。随着悬丝摆式加速度计在微型化、高可靠、长寿命、高精度等方面的持续深化和使用，对传感器量程以及工作频率要求不断提高，导致现有伺服电路不能满足悬丝摆式加速度计日益增长的技术指标的要求。

现有模拟数字转换是通过电流频率变换(i/f变换)实现模拟到数字的转换，转换环节多、较为繁琐，在电路上造成各种各样的扰动，使得输出电流有一定的偏移，从而导致数字输出也有一定的误差。同时由于i/f变换电路不易于集成，主要是采用pcb对分离元器件进行组装制作，走线距离长，各种干扰大，测量误差大，在体积和重量上都难以满足小型化、轻量化的发展需求。

因此，需要从提高传感器量程、工作频率，提升微型化、高可靠、长寿命、高精度等方面，构思新的技术方案，以满足高量程、高频率、微型化、高可靠、长寿命、高精度等方面的要求。

技术实现要素：

本发明的目的是解决如何提高现有悬丝摆式加速度传感器测量量程、测量误差、测量精度、工作频率、微型化、高可靠等方面的问题。

为了达到以上目的，本发明提供一种悬丝摆式加速度传感器，包括：力矩与传感器件、伺服信号检测器件、伺服信号放大器件、电流反馈控制器件、模拟数字转换器件、监控器件。所述悬丝摆式加速度传感器的组成示意图如图1所示，所述伺服信号检测器件的原理框图如图2所示，所述伺服信号放大器件的原理框图如图3所示，伺服信号模拟数字转换器件的原理框图如图4。

所述力矩与传感器件接受加速度输入，输出差动电感伺服信号，经所述伺服信号检测器件进行伺服信号检测与处理，输入所述伺服信号放大器件进行放大，并转变成电流信号，所述电流信号一方面经所述电流反馈控制器件反馈到所述力矩与传感器件的力矩线圈中，产生的电磁力矩将悬丝摆组件拉回到无加速度时的平衡位置，另一方面输入到所述模拟数字转换器件，将模拟信号转换为数字信号，再输入到所述监控器件，监控视加速度值的大小，并对被测试物体进行控制。如图1所示。

所述力矩与传感器件包括：力矩器、悬丝摆组件、差动电感；所述差动电感线圈分别悬置在涡流片的两侧。

所述伺服信号检测器件包括：高频振荡器件、电压偏置器件、直流耦合器件、高频反馈器件、高频耦合器件、差动电感器件、波形整形器件。如图2所示。

所述电压偏置器件通过所述直流耦合器件与所述高频振荡器件连接，为所述高频振荡器件提供偏置电压；所述高频反馈器件一端与所述高频振荡器件连接，另一端与所述电压偏置器件，控制所述高频振荡器件的频率稳定性；所述高频振荡器件通过所述高频耦合器件与所述差动电感器件连接，为所述差动电感器件输入高频信号；所述差动电感器件与所述波形整形器件连接，输出高频交流电压信号。

所述伺服信号放大器件包括：积分电路、移相网络、反向放大电路、前置驱动电路、驱动放大电路。如图3所示。

所述伺服信号放大器件在输入端获得信号后，经输入电阻传递给所述积分电路，经所述积分电路转换成正弦波信号，同时对正弦波信号进行放大，再经所述移相网络，输入到所述反向放大电路进行正弦波信号放大，再输入到所述前置驱动电路进行前置放大与缓冲隔离，最后经过所述驱动放大电路进行电流放大，得到所需的电流驱动信号。

所述电流反馈控制器件用于：将所述伺服信号放大器件的输出直流电流反馈到力矩器线圈中，产生的电磁力矩将悬丝摆组件拉回到无加速度时的平衡位置。

所述模拟数字转换器件包括：加速度计1、加速度计2、加速度计3、3通道采样电路、3通道缓冲电路、3通道并行adc采样处理电路、信号处理电路、误差校准反馈网络、隔离接口电路。如图4所示。

所述加速度计1、加速度计2、加速度计3输出电流输入到所述3通道采样电路输入端，所述3通道采样电路输出端与所述3通道缓冲电路输入端相连，所述3通道缓冲电路输出端与所述3通道并行adc采样处理电路输入端相连，所述3通道并行adc采样处理电路输出端与所述信号处理电路输入端相连，所述信号处理电路输出端通过所述误差校准反馈网络与所述3通道并行adc采样处理电路输入端相连，所述信号处理电路输出端和所述隔离接口电路输入端相连，所述隔离接口电路输出端与所述监控器件相连。

所述3通道并行adc采样处理电路把所述加速度计1、加速度计2、加速度计3的输出模拟电流信号转化成数字信号，输入到所述信号处理电路，所述信号处理电路中通过误差校准算法进行修正，同时通过所述误差校准反馈网络将指令发送给所述3通道并行adc采样处理电路，采集多个时段或多个数据点，循环进行误差校准修正，提高测量误差精度。

所述监控器件为cpu、计算机或其他控制模块。

采用ltcc低温共烧多层陶瓷基板技术，将所述伺服信号检测器件、伺服信号放大器件、电流反馈控制器件中的电容、电阻、电感等无源器件制作在ltcc基板中。

采用三维sip系统级封装技术,将所述伺服信号检测器件、伺服信号放大器件、电流反馈控制器件中的有源器件集成在ltcc基板表面，封装外壳采用bga球栅阵列封装。

本发明提供一种悬丝摆式加速度传感器，具有小型化、高集成、测量误差小、检测精度高、高可靠、长寿命等特点，应用范围广泛。

附图说明

图1悬丝摆式加速度传感器组成示意图

图2伺服信号检测器件原理框图

图3伺服信号放大器件原理框图

图4伺服信号模拟数字转换器件原理框图

图5伺服信号放大器件原理图

图6伺服信号模拟数字转换器件原理图

图5中：u1、u2为运算放大单元电路，q1、q4为npn三级管，q3、q5为pnp三级管，d1、d2、d3、d4为二极管，r1、r2、r3、r4、r5、r6、r7、r8、r9、r10、r11、r12、r13、r14、r15、r17为固定电阻，r16为可调电阻，c1、c2、c3、c4、c5、c6为固定电容，v1为脉冲信号源，vcc为正电源端，vss为负电源端。

图6中：i1为加速度计1输出电流，i2为加速度计2输出电流，i3为加速度计3输出电流，r18、r19、r20、r21、r22、r23为固定电阻，c7、c8、c9为固定电容，u3、u4、u5为运算放大器。

具体实施方式

实施例1、一种悬丝摆式加速度传感器

如图5所示，具体实施方式如下：

所述积分电路包括：运算放大单元电路u1,固定电阻r1、r2、r17,固定电容c1、c6；

所述运算放大单元电路u1的负输入端一方面经所述固定电阻r1连接输入信号，另一方面经所述固定电容c6连接到地，所述运算放大单元电路u1的正输入端经所述固定电阻r2连接到地，所述固定电阻r17与所述固定电容c1组成并联网络，所述并联网络并联于所述运算放大单元电路u1的负输入端和输出端。

所述移相网络包括：固定电容c2，固定电阻r3、r4。

所述固定电阻r3并联在所述固定电容c2与固定电阻r4串联电路的两端，形成并联网络，所述并联网络的一端与所述运算放大单元电路u1的输出端连接，另一端与所述反向放大电路的输入端连接。

所述反向放大电路包括：运算放大单元电路u2，固定电阻r3、r5、r6、r7、r8、r9，可变电阻r16，固定电容c3。

所述运算放大单元电路u2的负输入端与所述移相网络的输出端连接，所述运算放大单元电路u2的正输入端经所述固定电阻r8接地，所述运算放大单元电路u2的两个调整端与所述可变电阻r16全电阻的两端连接，所述可变电阻r16的中心抽头接正电源vcc，所述固定电阻r5与所述固定电容c3串联，再与所述固定电阻r6、r7的串联电路并联，并联网络的一端与所述运算放大单元电路u2的负输入端连接，并联网络的另一端与所述驱动放大电路的输出端连接，所述固定电阻r6、r7的连接点通过所述固定电阻r9接地。

所述前置驱动电路包括：npn三级管q1，pnp三级管q5，固定电阻r10、r12，二极管d3、d4。

所述npn三级管q1的集电极经过所述固定电阻r10接正电源vcc，所述npn三级管q1的发射极与所述pnp三级管q5的发射极连接，所述pnp三级管q5的集电极经过所述r12接负电源vss，所述二极管d3的阴极与所述二极管d4的阳极连接，同时与所述运算放大单元电路u2的输出端连接，所述二极管d3的阳极与所述npn三级管q1的基极连接，所述二极管d4的阴极与所述pnp三级管q5的基极连接。

所述驱动放大电路包括：pnp三级管q3，npn三级管q4，固定电阻r11、r13、r14、r15，二极管d1、d2，固定电容c4、c5。

所述pnp三级管q3的发射极经过所述固定电阻r11接正电源vcc，所述pnp三级管q3的基极与所述npn三级管q1的集电极连接；所述pnp三级管q3的集电极与所述npn三级管q4的集电极连接，通过所述固定电阻r14与所述npn三级管q1的发射极连接，同时与所述驱动放大电路的输出端连接；所述npn三级管q4的基极与所述pnp三级管q5的集电极连接，所述npn三级管q4的发射极经过所述固定电阻r13连接负电源vss；所述固定电容c4的一端接正电源vcc，另一端接地，所述固定电容c5的一端接负电源vss，另一端接地；所述固定电阻r15的一端接所述npn三级管q1的发射极，另一端接地；二极管d1、d2同向串联，串联点与所述驱动放大电路的输出端连接，串联电路的阴极与正电源vcc连接，串联电路的阳极与负电源vss连接。

所述前置驱动电路为推挽放大电路。

所述运算放大单元电路u1、u2为超低失调运算放大器。

所述超低失调运算放大器为op77。

所述npn三级管q1为2n2222a、q4为2n4014，所述pnp三级管q3为2n3907、q5为2n4061，所述二极管d1、d2、d3、d4为1n4148。

所述固定电阻r1、r2、r3、r4、r5、r6、r7、r8、r9、r10、r11、r12、r13、r14、r15、r17为金属膜电阻，所述可调电阻r16为金属膜可调电阻，所述固定电容c1、c2、c3、c4、c5、c6为陶瓷介质电容。

实施例2、一种悬丝摆式加速度传感器

如图6所示，具体实施方式如下：

所述加速度计1、加速度计2、加速度计3为悬丝摆式加速度计。

所述3通道采样电路rc并联网络，所述rc并联网络的采样电阻r＝320ω，采样电容c＝0.47μf。

所述3通道缓冲电路包括运算放大器、固定电阻，所述固定电阻并接于所述运算放大器的负输入端和输出端，所述运算放大器采用高精度、低噪声运算放大器opa189。

所述3通道并行adc采样处理电路采用三路24bit高精度ad7175-2模数转换芯片，所述ad7175-2的外部基准源采用adr445brz。

所述信号处理电路为单片机或fpga信号处理电路，所述单片机采用stm32f103x8数字信号处理器。

所述隔离接口电路为rs422隔离接口，所述隔离接口电路采用il3522芯片。

对于实施例1、实施例2：

通过采用ltcc无源器件集成技术及三维sip系统级封装技术，选用低介电常数、高热导率陶瓷基板，将所述悬丝摆式加速度传感装置中所用的电容、电感、电阻等无源器件制作在陶瓷基板中，有源器件集成在基本表面，并采用bga(球栅阵列封装)高集成度封装，有效缩短信号传导路径，减少信号损失，抗干扰、抗噪声性能更好。实现了对载体加速度的精确测量，同时满足了测量误差小、测量精度高、高集成、小体积、轻量化、高可靠、长寿命等发展需求，广泛应用于各种惯性导航系统、定位控制系统中。