專利名稱：加速度計及其溫控電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種用于測量加速度的裝置，具體涉及一種應(yīng)用于空間微重力環(huán)境的石英撓性加速度計及其溫控電路。
背景技術(shù)：
石英撓性加速度計作為慣性測量的重要器件，具有精度高、長期穩(wěn)定性好，適合空間微重力加速度測量的優(yōu)點(diǎn)。如，在空間微重力測量中要求石英撓性加速度計分辨率為5ugo在此環(huán)境下，溫度、振動和磁場等環(huán)境載荷的變化都會影響加速度計的輸出精度，其中受石英撓性加速度計溫度系數(shù)的限制，一般為20y g/°C，溫度的影響尤為重要。在公知的加速度計溫控電路中，由于測量精度要求較低，普遍采用的是控制加速度計安裝工裝溫度或控制整個慣性測量系統(tǒng)，其缺陷在于:由于工裝或測量系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致加熱元件安裝復(fù)雜、熱場分布要求高，且受環(huán)境溫度變化影響大，一般為環(huán)境溫度在0°c 50°C范圍內(nèi)變化時，單級溫控電路溫度控制精度為±1°C左右，而多級溫控電路由于受加熱功耗、尺寸等限制，不適合應(yīng)用于能源有限的空間環(huán)境中；同時，公知的溫控電路多采用調(diào)頻或調(diào)幅控制，這種電路不但復(fù)雜，而且由于控制驅(qū)動部分為開關(guān)工作狀態(tài)，易對加速度計和外界產(chǎn)生電磁干擾，導(dǎo)致石英撓性加速度計輸出的最高精度在IOOy g以上，不適合應(yīng)用于精度要求高的微重力測量場合。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，直接對石英撓性加速度計進(jìn)行溫度控制，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、對外無干擾、控溫精度高、穩(wěn)定性好，并適合各型號加速度計直接使用的直流溫控電路。
`[0005]為實現(xiàn)本實用新型的目的，一種用于加速度計的溫控電路包括電橋模塊、校正模塊和放大驅(qū)動模塊，其中，所述電橋模塊包括溫度傳感器，所述溫度傳感器用于測量加速度計的工作環(huán)境溫度變化并轉(zhuǎn)換為所述電橋模塊輸出電壓的變化；所述校正模塊包括運(yùn)算放大器，所述運(yùn)算放大器的兩個輸入端分別與電橋模塊的兩路輸出連接；所述放大驅(qū)動模塊包括三極管和加熱元件，所述三極管的基極與所述運(yùn)算放大器的輸出端連接、集電極經(jīng)過加熱元件后與電源連接，所述加熱元件安裝在所述加速度計上。進(jìn)一步地，所述放大驅(qū)動模塊還可以包括3級并聯(lián)的三極管，所述并聯(lián)三極管的三個集電極共同經(jīng)過加熱元件后與電源連接。其中，所述運(yùn)算放大器的輸出端和輸入端之間可以設(shè)置一個增益電阻。上述溫控電路的工作原理是:電橋模塊中的一路由溫度傳感器將加速度計工作環(huán)境溫度的變換轉(zhuǎn)換為電壓信號，并與電橋模塊中另一路的基準(zhǔn)電壓一起送至校正電路中的運(yùn)算放大器的兩個輸入端，經(jīng)校正電路進(jìn)行處理，處理后的信號輸出至放大驅(qū)動模塊進(jìn)行線性放大并驅(qū)動加熱元件對加速度計進(jìn)行加熱，使加速度計的工作環(huán)境溫度升高，最終通過安裝在加速度計中的溫度傳感器反饋回電橋模塊，從而形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，保證加速度計在各種溫度環(huán)境下穩(wěn)定工作。上述用于加速度計的溫控電路的精度較現(xiàn)有技術(shù)有了顯著提高，且對加速度計無電磁干擾，保證了加速度計能夠準(zhǔn)確的測量微小加速度。其中，放大驅(qū)動模塊采用多級三極管直接耦合連接，既保證了加溫電流在全溫環(huán)境下滿足使用要求，又保證了輸入信號與輸出信號始終保持著線性放大關(guān)系。同時，上述溫控電路還具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、穩(wěn)定性好特點(diǎn)，增強(qiáng)了加速度計使用的通用性。本實用新型的另一個目的是提供一種包括上述溫控電路的加速度計，所述溫控電路中的溫度傳感器和加熱元件固定在所述加速度計上，且所述溫度傳感器位于加速度計內(nèi)部中心位置。進(jìn)一步地,所述加熱元件直接粘貼在加速度計的外殼上。上述加速度計由于采用了本實用新型提供的直流溫控電路，可以直接將加熱元件粘貼在加速度計的外殼上。與現(xiàn)有技術(shù)中的加速度計相比，由于不需要在整個加速度計外面加外罩將加熱元件封裝起來，加速度計的結(jié)構(gòu)得以簡化，體積也變得更小。

圖1是本實用新型用于加速度計的溫控電路的最佳實施例之一的電路圖；圖2(a)是使用圖1中溫控電路的加速度計的最佳實施例之一的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2(b)是圖2(a)的仰視圖；圖3(a)是本實用新型在環(huán)境溫度0°C 50°C范圍內(nèi)時的實驗驗證結(jié)果；圖3(b)是本實用新型在`恒溫環(huán)境下的溫度控制精度。
具體實施方式
以下通過一個具體實施例來詳細(xì)說明本實用新型用于加速度計的溫控電路。如圖1所示，用于加速度計的溫控電路包括電橋模塊、校正模塊和放大驅(qū)動模塊。其中，電橋模塊包括精密電阻Rl、R2、R3、R4、R5、R6、溫度傳感器AD590和高精度電壓基準(zhǔn)Dl ;校正模塊包括低失調(diào)電壓的運(yùn)算放大器Ul (型號為7F0P07)、電阻R7、R8、R9、RlO和電容C2、C3、C4 ;放大驅(qū)動模塊包括三極管Ql、Q2、Q3、電阻Rll、R12、R13和電容C5。其中，低失調(diào)電壓的運(yùn)算放大器Ul可以保證差分放大后的信號與溫度信號的一致性。其中，電橋模塊中的一路輸出基準(zhǔn)電壓與預(yù)算放大器Ul的正向輸入端連接；電橋模塊的另一路包括溫度傳感器AD59，與運(yùn)算放大器的反向輸入端連接。運(yùn)算放大器Ul的7管腳接正電源，并經(jīng)電容接電路電源地，4管腳接負(fù)電源，并經(jīng)電容接電路電源地，2管腳連接電阻R7、R10、C2的接點(diǎn)，電阻R7連接電阻Rl與溫度傳感器的接點(diǎn)，3管腳連接電阻R8、R9的接點(diǎn)，電阻R8連接電阻R4與R5的接點(diǎn)，6管腳接電阻1 10、1 11、02的接點(diǎn)，電阻Rll連接三極管Ql的基極、二極管D2及電容C5的接點(diǎn)，并經(jīng)二極管D2接電路電源地，三極管Ql發(fā)射極經(jīng)電阻R12接電路電源地，三極管Q2發(fā)射極經(jīng)電阻R13接電路電源地，三極管Q3發(fā)射極連接加溫電源地與電路電源地的接點(diǎn)，三極管Ql、Q2、Q3的集電極連接在一起經(jīng)加熱元件接電源。本實用新型的工作原理是:溫度傳感器AD590輸出的電流信號隨溫度升高而變大，變化關(guān)系為luA/°C。當(dāng)石英撓性加速度計內(nèi)部溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)定溫度值時，運(yùn)算放大器Ul的反向輸入端電壓低于正向輸入端電壓，運(yùn)算放大器Ul輸出高電平，控制驅(qū)動部分的三極管Q1、Q2、Q3飽和導(dǎo)通，加熱元件(本實施例中為加熱片)為最大功率加熱，加速度計溫度升高。當(dāng)加速度計溫度升高至低于設(shè)定溫度值0.5°C左右時，控制驅(qū)動三極管Ql、Q2、Q3逐級退出飽和工作狀態(tài)，進(jìn)入線性放大區(qū)，進(jìn)入線性加熱狀態(tài)，加熱電流隨溫度升高逐漸變小，溫升速率逐漸降低。當(dāng)加速度計溫度超過設(shè)定溫度值時，運(yùn)算放大器Ul的反向輸入端電壓高于正向輸入端電壓，運(yùn)算放大器Ul輸出負(fù)電壓，控制驅(qū)動三極管進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，加熱片停止加熱，溫度開始下降。這樣在一定環(huán)境溫度工作范圍內(nèi)((TC 50°C )，本溫控電路就可以工作在線性區(qū)進(jìn)行恒流加熱，使加速度計始終保持在恒定的工作溫度下，消除了外界溫度變化對加速度計測量精度的影響，且由于在環(huán)境溫度范圍內(nèi)各溫度點(diǎn)的加熱電流恒定，使溫控電路不會產(chǎn)生對外電磁干擾。結(jié)合圖2(a)和圖2(b)，使用上述溫控電路的加速度計中安裝了溫控電路中的溫度傳感器和加熱元件。圖中，溫度傳感器2粘貼在加速度計I內(nèi)部中心位置，加熱元件3選用低電磁的撓性加熱片，使用膠粘劑直接粘貼在加速度計外殼上。在實際應(yīng)用中，加速度計I將通過其上部的法蘭(圖2(b)中虛線所示的三角形部分)安裝到被測系統(tǒng)上。在現(xiàn)有技術(shù)中，通常需要在整個加速度計I的外面罩上一個圓筒狀的外罩，以防止加熱元件對系統(tǒng)和環(huán)境產(chǎn)生影響。但在本實用新型中，僅須在被測系統(tǒng)和加速度計之間安裝一個簡單的環(huán)狀隔熱元件4即可。較佳地，隔熱元件4應(yīng)選用導(dǎo)熱系數(shù)小于0.3ff/m V的隔熱材料，厚度為 5 10mnin如圖3(a)所示，為以上實施例所述的加速度計及其溫控電路在環(huán)境溫度0°C 50°C范圍內(nèi)時的實驗驗證結(jié)果，當(dāng)加熱功耗最大為8W、環(huán)境溫度在0°C 50°C范圍內(nèi)變化時，所述溫控電路能夠保證加速度計工作溫度在±0.2°C范圍內(nèi)變化。如圖3(b)所示，該溫控電路在恒溫環(huán)境下的溫度控 制精度同樣是在±0.2°C范圍內(nèi)變化。
權(quán)利要求1.一種用于加速度計的溫控電路，其特征在于，包括電橋模塊、校正模塊和放大驅(qū)動模塊，其中: 所述電橋模塊中包括溫度傳感器，所述溫度傳感器用于測量加速度計的工作環(huán)境溫度變化并轉(zhuǎn)換為所述電橋模塊輸出電壓的變化； 所述校正模塊包括運(yùn)算放大器，所述運(yùn)算放大器的兩個輸入端分別與電橋模塊的兩路輸出連接； 所述放大驅(qū)動模塊包括三極管和加熱元件，所述三極管的基極與所述運(yùn)算放大器的輸出端連接、集電極經(jīng)過加熱元件后與電源連接，所述加熱元件安裝在所述加速度計上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫控電路，其特征在于，所述放大驅(qū)動模塊包括3級并聯(lián)的三極管，所述并聯(lián)三極管的三個集電極共同經(jīng)過加熱元件后與電源連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫控電路，其特征在于，所述運(yùn)算放大器的輸出端和輸入端之間設(shè)有增益電阻。
4.一種包括權(quán)利要求1所述溫控電路的加速度 計，其特征在于，所述溫控電路中的溫度傳感器和加熱元件固定在所述加速度計上，且所述溫度傳感器位于加速度計內(nèi)部中心位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的加速度計，其特征在于，所述加熱元件粘貼在所述加速度計的外殼上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的加速度計，其特征在于，所述加速度計通過其上部的法蘭安裝到被測系統(tǒng)上，且被測系統(tǒng)和加速度計之間安裝有環(huán)狀隔熱元件。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述 的加速度計，其特征在于，所述隔熱元件為導(dǎo)熱系數(shù)小于0.3W/m °C的隔熱材料,厚度為5 10mm。
專利摘要一種用于加速度計的溫控電路包括電橋模塊、校正模塊和放大驅(qū)動模塊，其中，所述電橋模塊包括溫度傳感器，所述溫度傳感器用于測量加速度計的工作環(huán)境溫度變化并轉(zhuǎn)換為所述電橋輸出電壓的變化；所述校正模塊包括運(yùn)算放大器，所述運(yùn)算放大器的兩個輸入端分別與電橋的兩路輸出連接；所述放大驅(qū)動模塊包括三極管和加熱元件，所述三極管的基極與所述運(yùn)算放大器的輸出端連接、集電極經(jīng)過加熱元件后與電源連接，所述加熱元件安裝在所述加速度計上。所述溫控電路的精度較現(xiàn)有技術(shù)有顯著提高，并且結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、穩(wěn)定性好特點(diǎn)，增強(qiáng)了加速度計使用的通用性。
文檔編號G01P15/00GK202929500SQ20122031993
公開日2013年5月8日 申請日期2012年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月4日
發(fā)明者劉松, 周峰, 趙哲, 魏超, 于皓, 許中生 申請人:航天科工慣性技術(shù)有限公司