0 引 言

加速度测量装置是现代水下航行器操纵控制系统的重要测量敏感部件之一，主要用于测量航行器水下运动过程中垂直方向的运动加速度和运动速度，其性能的好坏在整个系统中起着关键作用。加速度测量装置是以加速度计为主要传感器件的装置，因此，加速度计的测量精度是实现高精度运动加速度测量装置的核心。石英挠性加速度计是一种用来测量微小运动加速度的传感器，具有精度高、稳定性好、体积小等特点，被广泛应用于高精度导航技术以及其他领域。

随着电子技术的发展，实际应用中精度要求的不断提高，对石英挠性加速度计的输出精度也随之提高。石英挠性加速度计标度因数和零偏的稳定性是衡量加速度计性能好坏非常重要的2项指标。在测量微小运动加速度过程中，某些物理因素会对加速度计标度因数和零偏的稳定性产生影响，比如外界的干扰磁场以及变化的温度场等。本文针对磁场和温度变化影响石英挠性加速度计标度因数和零偏稳定性问题，通过采用严密电磁屏蔽结构和温度控制结构，提高加速度测量装置的测量精度。

1 工作原理

加速度测量装置采用石英挠性加速度计测量原理，采用4个石英挠性加速度计作为传感器，4轴冗余设计，其中Z轴和–Z轴2个加速度计测量垂直方向加速度（通过数据融合提高测量精度），X轴和Y轴2个加速度计测量水平方向的加速度。通过对加速度测量装置内部结构进行改进设计，进行严密电磁屏蔽和精密温度控制，提高测量精度，实现载体高精度三维运动加速度测量。利用X轴和Y轴2个加速度测量装置实现坐标系的转换，并通过CAN总线接收水下航行器的深度和姿态信息，对重力加速度进行分离，从而得到垂向运动加速度和运动速度。工作原理如图1所示。

2 结构设计

加速度测量装置采用框架式装配结构，外壳四周安装散热片，底部为安装底座，与安装平台连接，顶部设置电气接插件，进行信息通讯。加速度测量装置外形如图2所示。

加速度测量装置主要由机架、石英挠性加速度计、加速度计和测量通道屏蔽结构、加速度计和测量通道温度控制结构、加速度计安装结构组成。加速度计安装结构是由一个长方体的航空铝块掏出4个圆柱体制成，X轴Y轴Z轴两两垂直，–Z轴和Z轴反向。这样的安装结构可以确保各加速度计位置固定，且减小了装置体积。加速度测量装置结构如图3所示。

2.1 屏蔽结构设计 2.1.1 加速度计屏蔽结构设计

外界磁场对石英挠性加速度计标度因数会产生迟滞性、非线性影响。有试验数据表明，10 Gs的磁场变化可引起标度因数变化达5～20 ppm^[1]。

考虑到加速度测量装置会有不可避免的开孔和接缝，会导致漏磁，而漏磁大小主要取决于开孔的最大直线尺寸。因此，加速度测量装置的屏蔽结构采取尽量多的小面积开孔来代替大面积开孔，以此提高屏蔽效果。其次，选用磁导率较高的坡莫合金1J85作为屏蔽材料，可有效抑制低频磁场的干扰。

综合考虑屏蔽结构的反射作用、吸收作用及其他因素，屏蔽的总效果可表示为：

$S = A + R + {B_S}\;\text{，}$

(1)

式中：A为吸收损耗；R为反射损耗；B_s为屏蔽层内的多次反射引起的校正项。对于低频的磁场干扰，有

$A = 132x{\sqrt {f{\mu _r}\sigma } _r}\;\text{，}$

(2)

$R = 14.6 + 10\lg \frac{{{\sigma _r}f{r^2}}}{{{\mu _r}}}\;\text{，}$

(3)

${B_s} = 20\lg (1 - {e^{ - 2x/\delta }})\;\text{，}$

(4)

$\delta {\rm{ = }}\frac{{0.066}}{{\sqrt {f{\mu _r}{\sigma _r}} }}\;\text{。}$

(5)

其中：x为屏蔽层厚度；μ_r为相对磁导率；σ_r为相对电导^[2]；f为干扰磁场频率；δ为集肤深度。

由以上可知，对于低频磁场干扰，坡莫合金的屏蔽效果很好，但此材料的磁饱和强度较低，当遇到较高的磁场强度时，坡莫合金很容易达到磁饱和。因此，加速度测量装置设计双层屏蔽结构来减少漏磁。第1层屏蔽使用航空铝，磁饱和强度高，磁导率低；第2层屏蔽采用坡莫合金，磁导率高。外界干扰磁场经过第1层屏蔽后，磁场强度被大大衰减，再利用第2层屏蔽的高磁导率，干扰磁场可以被衰减到很低的程度。加速度计屏蔽结构分解图如图4所示。

2.1.2 测量通道屏蔽结构设计

测量通道的屏蔽结构是由上盖和下盖合起来的屏蔽壳，材料为坡莫合金1J85。每个通道均由一个屏蔽壳包裹，实现测量通道的电磁屏蔽。测量通道的屏蔽结构如图5所示。

2.2 温度控制结构设计 2.2.1 加速度计温度控制结构设计

温度对石英挠性加速度计的零偏和标度因数均会产生影响。造成加速度计温度变化主要有2个因素^[3-4]：一是当装置启动后，装置内部的温度会缓慢升高，引起加速度计温度的变化；二是装置内的力矩器线圈通电后会发热，造成加速度计温度的变化。

加速度测量装置的工作环境温度变化范围较大，而加速度计需满足0 ℃～50 ℃的工作环境要求，这使得精密温度控制难度很大，常规的一级温度控制方案难以达到温控要求。为实现±0.1 ℃的加速度计温控精度要求，加速度测量装置设计了两级精密温控结构。两级温控结构分解如图6所示。

第1级温控结构温度稳定精度设计为±0.5 ℃，温度控制目标为30 ℃。采用数字温度传感器DS18B20作为温度测量传感器，采用热电制冷器（TEC）作为温度控制件，改变控制电流流向和大小可以利用热电制冷器实现不同功率的制热或制冷。

第2级温控结构温度精度设计为加速度计目标精度±0.1 ℃，温度控制目标为45 ℃，与第1级温控环境保持一定的温差。第2级温控结构采用铂电阻作为温度测量传感器，温度系数较稳定。采用薄膜加热片作为温度控制件，包裹着加速度计第1层屏蔽层，通过改变控制电流的大小实现不同的加热功率。

为提高温控稳定性，加速度计保温层材料选用聚氨酯，它的导热系数低，加工性能好，能有效地实现保温绝热功能。

2.2.2 测量通道温度控制结构设计

测量通道的温控结构类似于加速度计第1级温控结构，通过热电制冷器（TEC）来进行制冷或制热。TEC一侧紧贴着测量通道屏蔽壳的上盖和下盖，另一侧紧贴散热机壳，屏蔽壳外面包裹着保温层，材料是聚氨酯。测量通道温控结构如图7所示。

3 设计效果预估 3.1 屏蔽结构设计效果预估

屏蔽层的厚度x=1 mm，f=0.5 Hz，坡莫合金μ_r=5.57×10⁴，σ_r=0.024，可得，A=3 412 dB，R和Bs远小于A。屏蔽的总效果S=3 450 dB，在装置结构中设计了引线绕弯结构和螺纹结构，以此来减小装置开孔和接缝造成的漏磁。试验结果表明开孔的漏磁因数范围为0.1～0.5，预估本屏蔽结构的漏磁影响因数为0.15左右，则加速度计的理论屏蔽效果可达3 450×0.15×0.15=78 dB。

3.2 温度控制结构设计效果预估

加速度计保温材料聚氨酯厚度为10 mm。加速度计第2级温控仿真结果如图8所示，仿真时加热功率取2 W，第2级温控结构内部温度达到控制目标温度时，加速度计的内部温度场均匀，温度梯度小，加速度计上下温差约0.02 ℃，温控结构可以达到温控精度要求。

4 结 语

本文针对外界磁场和温度变化对石英挠性加速度计测量精度产生影响的问题提出了精度提升方案，对结构进行优化设计，设计了加速度计磁屏蔽结构和精密两级温控结构，提高了标度因数和零偏的稳定性，从而提升测量精度。通过理论计算和仿真分析表明，优化设计的加速度测量装置的零偏稳定性达到0.5×10^–6 g、标度因数稳定性到达0.5 ppm，加速度计对温度控制精度的要求达到±0.1 ℃，实现了载体高精度运动加速度的测量目标。