一种高精度挠性加速度计的制造方法与工艺

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(noiseshaping)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IdleTones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。

技术实现要素：
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-deltamodulator(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...