一种力平衡式传感器标度因子的调节方法与流程

本发明属于地球重力场测量技术领域，更具体地，涉及一种力平衡式传感器的标度因子调节方法。

背景技术：

地球重力场是近地空间最基本的物理场之一，反映了地球内部物质组成和分布信息，通过精确测量地球重力场可以反演估计出地球表层的物质分布和变化。地球重力场的测量包括对重力加速度和重力梯度张量的测量，由于重力梯度张量是重力位的二阶导数，因此重力梯度测量较重力加速度测量对重力场的短波分量更加敏感，测量重力梯度张量比测量重力加速度更能够反映场源体的细节，具有更高的空间分辨率；另一方面重力梯度通常采用差分测量，能够有效地抑制源于搭载平台自身运动的影响，因此在精化地球重力场、重力资源勘探、重力辅助惯性导航等方面具有更加广泛的应用前景。

在过去的数十年中，澳大利亚BHP公司和美国Lockheed Marin公司研制的基于旋转加速度计的航空和艇载重力梯度测量系统(FALCON和Air-FTG)分别在重力资源勘探和重力辅助导航等领域取得极好的效果。旋转加速度计重力梯度仪的基本结构是由四个加速度计对称反向平行安放在旋转圆盘上，其敏感轴沿圆盘的切线方向。理想情况下，四个加速度计标度因子完全一致，当回转台以一定的速度转动起来后，将四个加速度计的输出信号进行组合，能够抑制掉圆盘上的平动加速度及转动加速度，并且放大重力梯度信号。而实际上，四个加速度计不可能完全一致，这就需要通过引入标度因子调节机械结构和外置电路系统，实时调节加速度计的标度因子，实现四个加速度计的匹配，从而实现重力梯度信号的测量。

目前的旋转加速度计重力梯度仪中采用挠性力平衡加速度计，该加速度计采用电容传感和静电或电磁反馈的工作方式，由差分电容传感检测检验质量对框架的相对位移，然后通过改变动极板上的电压或在与检验质量固连在一起的反馈线圈中施加电流，通过静电力或安培力来平衡外界加速度。目前，力平衡加速度计针对不同的反馈执行机结构都需要进行不同的标度因子调节机构设计，有的需要在电路系统中进行调整，有的需要引入新的机械结构带来均匀性、稳定性、非线性和温度效应的影响。对于每一种结构设计的标度因子调节方法都只能针对一种力平衡式加速度计进行设计，不能进行模块化设计使用。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种针对力平衡式传感器的标度因子调节方法，在反馈调节部分，加入一个与输出成比例的调节电压或电流，通过改变该比例因子从而改变标度因子。本发明只需要在电路系统中进行改进，有效避免了机械调节结构的引入带来的非线性、温度扰动等问题，可实现对标度因子的大范围调节，调节方法简单易行。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，本发明提供了一种力平衡式传感器的标度因子调节方法，所述力平衡式传感器包括机械部分、传感计算部分和反馈调节部分；在反馈调节部分中加入一个与输出成比例的调节电压或电流，通过改变该比例因子从而改变标度因子。

进一步优选地，所述反馈调节部分包括：第一加法器、反馈放大器模块和调节放大器模块，所述反馈放大器模块的输入端连接输出电压V_O，所述调节放大器模块的输入端连接输出电压V_O，所述第一加法器的第一输入端连接至所述反馈放大器模块的输出端，所述第一加法器的第二输入端连接至所述调节放大器模块的输出端，所述第一加法器的输出端连接所述机械部分的反馈控制端。

进一步优选地，当输出电压V_O分别进入反馈放大器模块和调节放大器模块时，使得所述调节放大器模块的传函增益G_t与反馈放大器模块的传函增益G_f的关系为G_t＝p·G_f来实现标度因子的改变；其中，p为标度因子调整系数。

进一步优选地，标度因子其中，K_I0为所述力平衡式传感器没有调节放大器模块时的初始标度因子，p为标度因子调整系数。

进一步优选地，标度因子调整系数p>-1。

本发明还提供了一种具有标度因子调节功能的力平衡式传感器，包括机械部分、传感计算部分和反馈调节部分；反馈调节部分包括：第一加法器、反馈放大器模块和调节放大器模块，所述反馈放大器模块的输入端连接输出电压V_O，所述调节放大器模块的输入端连接输出电压V_O，所述第一加法器的第一输入端连接至所述反馈放大器模块的输出端，所述第一加法器的第二输入端连接至所述调节放大器模块的输出端，所述第一加法器的输出端连接所述机械部分的反馈控制端。

本发明还提供了一种具有标度因子调节功能的力平衡式传感器，包括机械部分、传感计算部分和反馈调节部分；所述反馈调节部分包括：第一加法器、第二加法器、反馈放大器模块和调节放大器模块，所述反馈放大器模块的输入端连接输出电压V_O，所述调节放大器模块的输入端连接输出电压V_O，所述第一加法器的第一输入端连接至所述反馈放大器模块的第一输出端，所述第一加法器的第二输入端连接至所述调节放大器模块的第一输出端，所述第一加法器的输出端连接所述机械部分的第一反馈控制端；所述第二加法器的第一输入端连接至所述反馈放大器模块的第二输出端，所述第二加法器的第二输入端连接至所述调节放大器模块的第二输出端，所述第二加法器的输出端连接所述机械部分的第二反馈控制端。

进一步优选地，调节放大器模块的传函增益G_t与反馈放大器模块的传函增益G_f的关系为G_t＝p·G_f；其中，p为标度因子调整系数。标度因子其中，K_I0为所述力平衡式传感器没有调节放大器模块时的初始标度因子，p为标度因子调整系数。标度因子调整系数p>-1。

本发明可以通过调节标度因子调整系数p来调节加速度计的标度因子K_I。为保证该加速度计能正常负反馈工作，标度因子调整系数大于-1。因此，该加速度计的标度因子能在仅有初始偏置电压时的0倍到无穷倍范围内任意调节。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，无需加入额外的机械调节机构，只在力反馈加速度计的反馈回路进行一定的电路系统改进就可以实现标度因子的调节，可实现对标度因子的大范围调节，调节方法简单方便。

附图说明

图1是力平衡式传感器标度因子调节结构示意图；

图2是静电反馈电容挠性加速度计标度因子调节结构示意图；

图3是磁反馈电容挠性加速度计标度因子调节结构示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：101为所述检验质量，102为所述挠性结构，103为所述框架，104为所述第一金属镀层，105为所述第二金属镀层，106为所述第一固定极板，107为所述第二固定极板，108为所述第一反馈线圈，109为所述第二反馈线圈，110为所述第一永磁铁，111为所述第二永磁铁，112为所述第一磁帽，113为所述第二磁帽；201为所述传感模块，202为所述计算模块；301为所述反馈放大器模块，302为所述调节放大器模块，303为所述第一加法器，304为所述第二加法器。

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说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种静电力反馈电容挠性加速度计标度因子调节方法，在反馈调节部分，计算模块的输出电压V_O进入静电反馈放大器模块得到静电反馈电压V_f，并进入调节放大器模块得到标度因子调节电压V_t，静电反馈电压V_f和标度因子调节电压V_t经过加法模块求和后，加法模块的输出进入机械部分，其中设计调节放大器模块，使得调节放大器模块的输出电压V_t和静电反馈放大器的输出电压V_f的关系为V_t＝p·V_f，其中，p为标度因子调整系数；所述传感模块用于将所述检验质量的位移量转换成电压信号，所述计算模块用于根据所述传感器输出的电压信号计算需要施加到两个运动极板上的电压，所述静电反馈放大器模块用于产生作用于两个运动极板的反馈电压V_f，使所述检验质量回复到平衡位置，所述调节放大器模块用于调节标度因子。

工作时，两个固定极板的电压由高频电压信号V_p和直流电压信号V_b叠加而成，初始偏置电压V_b为恒定值。

标度因子其中，K_I0为所述加速度计没有调节放大器时的初始标度因子，C₀为所述检验质量101在平衡位置时所述一对差分电容的容值，m为所述检验质量101的质量，d₀为所述检验质量101在平衡位置时第一固定极板106和第一金属镀层104或第二固定极板107与第二金属镀层105的间距，与其对应的运动极板的间距，p为标度因子调整系数，G_f为静电反馈放大器的传函增益。

在本发明中，传感器包括加速度计和速度计，其中加速度计包括静电反馈加速度计和磁反馈加速度计，为了更进一步描述本发明实施例提供的标度因子调节装置及方法，现以静电反馈加速度计和磁反馈加速度计作为具体应用实例详述如下：

如图2所示，静电反馈加速度计包括机械部分、传感计算部分和反馈调节部分。机械部分包括检验质量101，挠性结构102、框架103、设置在检验质量101两侧的第一金属镀层104和第二金属镀层105、设置在检验质量101左侧的第一固定极板106和设置在检验质量101右侧的第二固定极板107，所述静电反馈加速度计中检验质量101通过挠性结构102连接固定的框架103，所述第一金属镀层104和第二金属镀层105构成运动极板，所述运动极板与第一固定极板106和第二固定极板107构成一对差分电容。传感计算部分包括传感模块201、计算模块202，所述差分电容连接传感模块201，所述传感模块201的输出连接计算模块202，所述计算模块202的输出V_O作为加速度计的输出。反馈调节部分包括静电反馈放大器模块301、调节放大器模块302、第一加法模块303和第二加法模块304，所述计算模块202的输出连接静电反馈放大器模块301和调节放大器模块302，所述静电反馈放大器模块301的正电压输出+V_f和调节放大器模块302的正电压输出+V_t连接第一加法模块303，所述静电反馈放大器模块301的负电压输出-V_f和调节放大器模块302的负电压输出-V_t连接第二加法模块304，所述第一加法模块303的输出连接第一金属镀层104，所述第二加法模块304的输出连接第二金属镀层105。

本发明实施例的电容挠性加速度计的标度因子调节方法的调节原理如下：检验质量101感受到外界加速度变化后发生位移，引起一对差分电容的容值发生改变，传感模块201将检验质量101的位移量转换成电压信号，计算模块202根据该电压信号计算需要施加到两个运动极板上的电压，静电反馈放大器模块301根据计算模块202的计算结果，产生大小相同方向相反的正电压输出+V_f作用于第一金属镀层104和负电压输出-V_f作用于第二金属镀层105。所述静电反馈放大器模块201的正电压输出+V_f和负电压输出-V_f与施加在第一固定极板106和第二固定极板107上的偏置电压V_b形成的电势差将产生作用于检验质量101的静电力，正好平衡检验质量101感受到的外界加速度，使检验质量101回复到平衡位置，构成一个闭环反馈系统。因此，在该加速度计中，计算模块202的输出V_O与检验质量101感受到的外界加速度始终成正比，计算模块202的输出V_O实际反映了待测加速度的大小。所述调节放大器模块302的正输出电压+V_t与静电反馈放大器模块301正输出电压+V_f成比例，比例因子为p，则加在第一金属镀层104上的反馈电压为V_f+p·V_f，所述调节放大器模块302的负输出电压-V_t与静电反馈放大器模块301负输出电压-V_f成比例，比例因子为p，则加在第二金属镀层105上的反馈电压为-V_f-p·V_f，输出电压与加在动极板上的反馈电压存在确定的增益关系V_O＝V_f/G_f，其中G_f为静电反馈放大器301的增益。因此，加在检验质量上的静电反馈力与输出电压的表达式可以写成标度因子可以表示为其中，为没有调节放大器模块时静电反馈加速度计的初始标度因子，m为检验质量1的质量，d₀为检验质量101在平衡位置时第一固定极板106和与其正对的第一金属镀层104的间距，或检验质量101在平衡位置时第二固定极板107和与其正对的第二金属镀层105的间距，C₀为检验质量101在平衡位置时一对差分电容的容值，V_b为加在第一固定极板106和第二固定极板107上的初始偏置电压，p为标度因子调整系数，G_f为静电反馈放大器模块8的传函增益。

因此，可以通过调节标度因子调整系数p来调节加速度计的标度因子K_I。为保证该加速度计能正常工作，标度因子调整系数p大于-1。因此，该加速度计的标度因子能在仅有初始偏置电压时的0到无穷倍范围内任意调节。

如图3所示，磁反馈加速度计包括机械部分、传感计算部分和反馈调节部分。机械部分包括检验质量101，挠性结构102、框架103、设置在检验质量101左侧的第一金属镀层104和设置在检验质量101右侧的第二金属镀层105、设置在检验质量101左侧的第一固定极板106和设置在检验质量101右侧的第二固定极板107，设置在检验质量101左侧的第一反馈线圈108和设置在检验质量101右侧的第二反馈线圈109，设置在第一固定极板106上的第一永磁铁110和设置在第二固定极板107上的第二永磁铁111，设置在第一永磁铁110上的第一磁帽112和设置在第二永磁铁111上的第二磁帽113。所述磁反馈加速度计中检验质量101通过挠性结构102连接固定的框架103，所述第一金属镀层104和第二金属镀层105构成运动极板，所述运动极板与第一固定极板106和第二固定极板107构成一对差分电容，所述第一反馈线圈108和第二反馈线圈109以相同螺绕方式串联。传感计算部分包括传感模块201、计算模块202，所述差分电容连接传感模块201，所述传感模块201的输出连接计算模块202，所述计算模块202的输出V_O作为加速度计的输出。反馈调节部分包括磁反馈放大器模块301、调节放大器模块302和加法模块303，所述计算模块202的输出连接磁反馈放大器模块301和调节放大器模块302，所述磁反馈放大器模块301的输出电流I_f和调节放大器模块302的输出电流I_t连接第一加法模块303上，所述第一加法模块303的输出连接第一反馈线圈108。

本发明实施例的磁反馈加速度计标度因子调节方法的工作原理如下：检验质量101感受到外界加速度变化后发生位移，引起一对差分电容的容值发生改变，传感模块201将检验质量101的位移量转换成电压信号，计算模块202根据该电压信号计算需要施加到第一反馈线圈108和第二反馈线圈109上的电流I_f，磁反馈放大器模块301根据计算模块202的计算结果，产生一个与计算结果成正比的电流I_f进入到运动极板的第一反馈线圈108和第二反馈线圈109，第一永磁铁110产生的磁场经过第一磁帽112后在第一反馈线圈108所在区域产生垂直于第一反馈线圈108电流方向的磁场，第二永磁铁111产生的磁场经过第二磁帽113后在第二反馈线圈109所在区域产生垂直于第二反馈线圈109电流方向的磁场，第一反馈线圈108和第二反馈线圈109中的电流受到安培力的作用将检验质量101拉回平衡位置，构成一个闭环反馈系统。因此，在该加速度计中，计算模块201的输出V_O与检验质量101感受到的外界加速度始终成正比，计算模块201的输出V_O实际反映了待测加速度的大小。所述调节放大器模块302的输出电流I_t与磁反馈放大器模块301的输出电流I_f成比例，比例因子为p，所述磁反馈放大器模块301的输出电流I_f和调节放大器模块302的输出电流I_t进入第一加法模块303，则加在第一反馈线圈108和第二反馈线圈109上的反馈电流为I_f+p·I_f，输出电压与磁反馈放大器的输出电流I_f存在确定的比例关系V_O＝I_f/G_f，因此，加在检验质量101上的反馈力大小与输出电压的关系可以写成F＝ma＝NLB(1+p)G_fV_O，标度因子可以表示为其中，为没有调节放大器模块时磁反馈加速度计的初始标度因子，其中m为所述检验质量101的质量，N为所述第一反馈线圈108和第二反馈线圈109的匝数之和，L为所述第一反馈线圈108或第二反馈线圈109的单匝周长，B为所述第一永磁铁110在第一反馈线圈108所在区域产生的磁感应强度或第二永磁铁111在第二反馈线圈109所在区域产生的磁感应强度，p为标度因子调整系数，G_f为磁反馈放大器模块301的传函增益。

因此，可以通过调节标度因子调整系数p来调节加速度计的标度因子K_I。为保证该加速度计能正常工作，标度因子调整系数p大于-1。因此，该加速度计的标度因子能在仅有磁反馈放大器时的0倍到无穷倍范围内任意调节。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。