石英振梁式重力传感器测量误差消除方法研究

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高精度石英振梁谐振式传感器测试系统设计

㊀２０１８年㊀第６期仪表技术与传感器Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ㊀Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ㊀ａｎｄ㊀Ｓｅｎｓｏｒ２０１８㊀Ｎｏ．６㊀基金项目：国家杰出青年科学基金项目（５１３２５５０３）；长江学者和创新团队发展计划项目（ＩＲＴ１０３３）收稿日期：２０１７－０５－３１高精度石英振梁谐振式传感器测试系统设计孙登强，赵玉龙，李㊀波，李㊀村，韩㊀超（西安交通大学，机械制造系统工程国家重点实验室，陕西西安㊀７１００５４）㊀㊀摘要：为了满足高精度石英振梁谐振式传感器的测试要求，设计了一种基于ＦＰＧＡ的带实时温度监测的双路等精度频率采集系统㊂系统采用Ｖｅｒｉｌｏｇ语言模块化编程方法实现双路等精度测频原理和ⅡＣ实时通讯，然后运用基于ＦＰＧＡ的ＳＯＰＣ技术完成自定义测频测温ＩＰ核的封装，并通过调用各种ＩＰ核构建ＳＯＰＣ硬件，最后利用ＮｉｏｓⅡ软核处理器实现频率值和温度值的浮点解算㊁ＬＣＤ显示㊁串口通讯等功能㊂该设计方案通过仿真和实验验证了测试系统以５０Ｈｚ采样频率运行时，测频精度达到了１０－６㊂关键词：石英振梁谐振式传感器；数据采集；等精度测频；温度监测；ＦＰＧＡ中图分类号：ＴＰ２１２㊀㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：１００２－１８４１（２０１８）０６－０００５－０６ＤｅｓｉｇｎｏｆＴｅｓｔＳｙｓｔｅｍｆｏｒＨｉｇｈ⁃ｐｒｅｃｉｓｉｏｎＱｕａｒｔｚＶｉｂｒａｔｉｎｇＢｅａｍＳｅｎｓｏｒＳＵＮＤｅｎｇ⁃ｑｉａｎｇ，ＺＨＡＯＹｕ⁃ｌｏｎｇ，ＬＩＢｏ，ＬＩＣｕｎ，ＨＡＮＣｈａｏ（ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＸｉａｎＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉａｎ７１００５４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｍｅｅｔｔｈｅｔｅｓｔｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎｑｕａｒｔｚｖｉｂｒａｔｉｎｇｂｅａｍｒｅｓｏｎａｔｏｒｓｅｎｓｏｒ，ａｄｕａｌｅｑｕａｌ⁃ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｒｅａｌ⁃ｔｉｍｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｂａｓｅｄｏｎＦＰＧＡｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．ＭｏｄｕｌａｒｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇｍｅｔｈｏｄｏｆＶｅｒｉｌｏｇｗａｓｆｉｒｓｔｌｙｕｓｅｄｔｏａｃｈｉｅｖｅｄｕａｌｅｑｕａｌ⁃ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄＩＩＣｒｅａｌ⁃ｔｉｍｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．ＴｈｅｎｔｈｅｃｕｓｔｏｍｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＩＰｗａｓｐａｃｋａｇｅｄｂａｓｅｄｏｎＳＯＰＣｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＦＰＧＡ，ａｎｄｔｈｅＳＯＰＣｈａｒｄｗａｒｅｗａｓｃｏｎ⁃ｓｔｒｕｃｔｅｄｂｙｃａｌｌｉｎｇｏｔｈｅｒＩＰｓ．ＦｉｎａｌｌｙＮｉｏｓⅡｓｏｆｔ⁃ｃｏｒｅｐｒｏｃｅｓｓｏｒｒｅａｌｉｚｅｄｔｈｅｆｌｏａｔｉｎｇ⁃ｐｏｉｎｔｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｖａｌｕｅｓ，ＬＣＤｄｉｓｐｌａｙａｎｄｓｅｒｉａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｃ⁃ｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｉｓ１０－６ｗｈｅｎｔｈｅｓａｍｐｌｉｎｇｆｒｅｑｕｅｎｃｙｉｓ５０Ｈｚ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｑｕａｒｔｚｖｉｂｒａｔｉｎｇｂｅａｍｒｅｓｏｎａｎｔｓｅｎｓｏｒ；ｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ；ｅｑｕａｌ⁃ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；ＦＰＧＡ０㊀引言近年来，传感器主要朝着高精度和智能化方向发展，石英振梁谐振式传感器是一种新型的ＭＥＭＳ传感器，能够实现对外部载荷的数字化测量，其输出的频率信号是一种准数字信号，避免了信号转换引入的速度增益误差，同时可以直接嵌入复杂的智能化传感系统，而且在精度㊁响应速度㊁抗干扰能力㊁长期稳定性㊁激励检测方式㊁体积㊁成本等方面具备突出的优势［１］㊂利用石英振梁谐振器的力－频率效应，石英振梁谐振传感器主要应用于压力和加速度的测量㊂目前，ＭＥＭＳ谐振式压力传感器的精度能达到０．０１％以上，被广泛应用于航空航天㊁军事㊁深海探测和生物医学等领域［２］㊂例如，２０１１年日本爱普生拓优科梦公司研制的一种金属波纹管㊁柔性杠杆与石英双音叉谐振器组合式结构的谐振差压传感器，经温度补偿和线性补偿后重复性为０．００５％，迟滞为０．００８％［３］；美国派若斯公司（Ｐａｒｏｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ）的Ｄｉｇｉｑｕａｒｔｚ系列石英振梁谐振压力传感器由于其高精度和良好稳定性的特点，被广泛应用于深海探测领域以预测海啸，检测潮汐㊁火山或进行气候研究㊁深海钻探等［４］㊂石英振梁加速度计是当前惯性测量领域的研究热点，已应用于航空㊁航天㊁航海以及相关的惯性制导领域㊂例如，森德斯坦德（ＳＤＣ）数据控制公司的ＲＢＡ５００系列加速度计被广泛应用于战术导弹的中段制导，其测量范围为ʃ７０ｇ，偏置稳定性（长期）小于４ｍｇ，分辨率为１μｇ［５］；法国ＯＮＥＲＡ实验室为法国航天局开发的最新整体式全石英振梁谐振加速度计ＶＩＡＳＣ偏置稳定性达到２５μｇ，标度因素稳定性５ｐｐｍ［６］㊂但是在国内，高精度的石英振梁谐振式传感器仍然处于试验研究阶段，航天科工３３所㊁中电２６所㊁中㊀㊀㊀㊀㊀６㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＪｕｎ．２０１８㊀电４９所㊁北信科大传感技术研究中心㊁东南大学㊁西安交通大学等单位都在进行相关技术的研究和传感器样机的开发［５］，为了实现传感器的性能测试，提出了对传感器所输出双路脉冲信号的高精度㊁同步㊁快速㊁连续的测试要求，本设计提出了基于ＦＰＧＡ＋ＳＯＰＣ的带温度监测的石英振梁谐振式传感器双路频率采集系统方案，测频精度在采样频率为５０Ｈｚ时达到了１０－６，实时温度监测有利于传感器温度特性分析和温度误差补偿，同时，系统集成在一片芯片上，具备易实现㊁体积小㊁功耗低㊁成本低㊁可靠性强的优势㊂１㊀传感器原理与采集系统设计石英振梁谐振式传感器是利用压电石英振梁的力－频特性进行外界载荷的测量，传感器可以直接输出频率信号，不需要进行模拟放大和Ａ／Ｄ变换㊂双端固支石英振梁作为敏感元件，通过振梁表面合理的电极布置，内部形成交变电场驱动石英梁以弯曲振动模式进行振动㊂当传感器受到外界载荷（压力㊁加速度㊁温度等）作用时，力转换结构将外界载荷转换成轴向应力作用在振梁上，使其谐振频率发生变化，从而表征外界载荷的大小［７］㊂同时，为了减小温度等共轭误差干扰，提高传感器灵敏度，振梁多采用差动结构对称布置，例如，石英振梁谐振式加速度计的原理模型如图１所示，当外界加速度作用在加速度计敏感方向上时，１支石英振梁受拉谐振频率升高，另１支受压谐振频率降低，２支梁的频率差与加速度的关系为ｆ２－ｆ１＝Ｋ１（Ｋ０＋α＋Ｋ２α２）＋ｆ（Ｔ）（１）式中：Ｋ０为零偏值；Ｋ１为标度因素；Ｋ２为二阶非线性系数；ｆ１和ｆ２分别为石英梁１和石英梁２的谐振频率输出，其范围为１０５０ｋＨｚ；α为即时加速度；ｆ（Ｔ）为传感器频率输出与温度Ｔ之间的函数关系㊂图１㊀石英振梁谐振式加速度计结构原理图根据式（１）可知，要得到实时准确的加速度值，就必须在完成２路频率信号实时㊁同步㊁连续㊁快速采集的同时，实现实时温度数据的监测，然后通过复杂的标定模型解算出实时的加速度值㊂其他的石英振梁谐振式传感器的测试过程大同小异㊂图２为石英振梁谐振式传感器采集系统整体结构图，主要都在ＦＰＧＡ芯片上实现，设计选用了ＣｙｃｌｏｎｅⅣ系列的ＥＰ４ＣＥ１５芯片㊂其中谐振式传感器输出的双路频率信号经过方波整形电路，得到标准数字方波输入双路等精度频率测量模块，完成基准信号和待测信号的上升沿计数，同时，温度传感器通过ＩＩＣ总线接口与温度测量模块通讯，实现实时温度值读取，然后通过ＳＯＰＣ技术将基于ＶｅｒｉｌｏｇＨＤＬ的测频测温模块封装成自定义ＩＰ核，从而建立ＳＯＰＣ系统，通过ＮｉｏｓⅡ软核处理器实现频率值和温度值的浮点解算㊁传感器标定和补偿模型的实现以及ＬＣＤ显示和串口传输等功能㊂系统首先利用ＦＰＧＡＶｅｒｉｌｏｇＨＤＬ指令并行执行的特点，实现双路频率信号采集和温度值读取的同步性，同时，选用ＳＯＰＣ方案，在ＦＰＧＡ上嵌入ＮＩＯＳⅡ软核处理器，使系统具备强大的数据处理能力和可编程能力㊂图２㊀石英振梁谐振式传感器采集系统整体结构图２㊀自定义测频测温ＩＰ核设计系统的数据采集功能通过自定义测频测温ＩＰ核实现，包含测频和测温２个模块，都使用硬件描述语言ＶｅｒｉｌｏｇＨＤＬ进行数字电路设计㊂２．１㊀双路等精度测频原理及误差分析测频模块采用双路等精度测频原理㊂等精度测频主要特点是其精度不随被测信号的频率改变而变化，有利于传感器的测试㊁标定和补偿［８］㊂如图３所示，等精度测频过程主要使用了Ｄ触发器ｉｎｓｔ１和２个３２位的计数器㊂Ｄ触发器的作用是使门控信号与待测信号的节拍相同㊂２个计数器各有分工，其中ｃｏｕｎｔｅｒ１是对基准数字信号计数，ｃｏｕｎｔｅｒ２为待测信号脉冲计数器㊂图中输入信号ｃｌｋ为基准方波信号，由外部时钟通过倍频得到，频率为１００ＭＨｚ；输入信号ｓｔａｒｔ０为预置门控信号，其长短可根据数据的采集需求设定；ｔｃｌｋ为待测数字信号，是激振电路输出的数字信号；ｒｅｓｅｔ为系统的复位信号；ＣＬＫ是计数器的被测信号；ＥＮ是计数器的使能信号㊂㊀㊀㊀㊀㊀第６期孙登强等：高精度石英振梁谐振式传感器测试系统设计７㊀㊀图３㊀等精度测频原理图图４为所设计的双路等精度测频的信号时序图㊂预置门控信号ｓｔａｒｔ０是一个频率较低㊁占空比为０．５的方波信号，它的周期为２０ｍｓ，高电平时间为１０ｍｓ㊂预置门控信号通过以待测信号ｔｃｌｋ为时钟的Ｄ触发器时，会产生与待测信号上升沿同步的实际门控信号，分别为ｓｔａｒｔａ和ｓｔａｒｔｂ，周期分别为Ｔｓｔａｒｔａ和Ｔｓｔａｒｔｂ㊂实际门控信号分别作为待测信号计数器和基准信号计数器的使能信号，因此Ｔｓｔａｒｔａ和Ｔｓｔａｒｔｂ分别是待测信号周期的整数倍，这就保证了计数器对待测信号的计数是没有误差的㊂图４㊀双路等精度测频率时序图为了确保２路传感器输出频率信号采集的同步性，引入了总门控信号ｇａｔｅ，ｇａｔｅ信号为２路实际门控信号的或运算，它表示了２路信号的实际测量区间㊂当２路测量均完成后ｇａｔｅ信号变为低电平，计数过程结束，之后在基准数字信号的下个上升沿到来时产生有效锁存标志信号ｌａｔｃｈ＿ｆｌａｇ，锁存标志信号将维持一个基准信号周期㊂当锁存标志信号ｌａｔｃｈ＿ｆｌａｇ的上升沿到来时，４个计数器的计数值被锁存起来㊂ｌａｔｃｈ＿ｆｌａｇ的下降沿到来时，系统产生中断标志信号ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ，紧接着ＮｉｏｓⅡ控制器处理中断，读入各个计数器的值，并产生ｃｌｅａｒ信号清空中断和各个数据寄存器，一个测量过程结束㊂这样保证了２路信号在总门控时间内的测量和传输是同步的，在预置门控信号的下个方波周期来临时，开始下个测频过程，这就保证了测频的连续性㊂取待测信号ｔｃｌｋ＿ａ进行分析，设实际门控信号ｓｔａｒｔａ高电平Ｔｓｔａｒｔａ内的基准方波信号计数值为Ｎｓ，待测方波信号计数值为Ｎｘ，基准方波信号频率值为ｆｘ，待测方波信号频率值为ｆｓ，根据基准信号测试时长与被测信号测试时长相等的原则，则有：Ｎｘｆｘ＝Ｎｓｆｓ（２）即ｆｘ＝ＮｘｆｓＮｓ（３）便得到了待测信号的频率值㊂式（３）两边同时进行微分有：ｄｆｘ＝ｆｓＮｓ㊃ｄＮｘ＋ＮｘＮｓ㊃ｄｆｓ－ＮｘＮ２ｓｆｓ㊃ｄＮｓ（４）由于实际门控时间内包含整数个待测信号波形，因此待测方波信号计数值Ｎｘ是准确值，没有误差，即ｄＮｘ＝０；基准方波信号的频率值ｆｓ是定值，故ｄｆｓ＝０；在一次测量过程中Ｎｓ有至多ʃ１的误差，即｜ｄＮｓ｜ɤ１㊂故式（４）可改写为｜ｄｆｘ｜ɤＮｘＮ２ｓｆｓ＝ＮｘｆｓＮｓ㊃１Ｎｘ＝ｆｘＮｓ（５）故待测信号频率的相对误差为δ＝｜ｄｆｘｆｘ｜ɤ１Ｎｓ＝１Ｔｓｔａｒｔ㊃ｆｓ（６）由式（６）可知，等精度频率测量的相对误差只与实际门控信号的长度和标准数字信号的频率大小有关㊂门控信号周期越长㊁基准数字信号频率越高，等精度测频的精度越高㊂当门控时间长度㊁标准信号的频率给定的情况下，该测频法的精度便是固定的，在频率测量过程中达到了等精度㊂当采样频率为５０Ｈｚ时，设置预置门控信号的时间为１０ｍｓ，实际门控信号的时长与预置门控信号非常接近，可认为Ｔｓｔａｒｔ＝１０ｍｓ㊂所用的标准信号频率为ｆｓ＝１００ＭＨｚ，将这些参数代入式（６）可得等精度测频理论上的相对误差为：δɤ１０－６㊂实际应用中还可以根据实际测量需求改变门控信号的长度和标准信号的频率，实现测频精度的提升㊂综上可以看出，理论上双路等精度测频能够满足频率测量的高精度㊁双路同步㊁连续和快速的测试要求㊂２．２㊀实时测温模块设计测温模块选用型号为ＬＭ７５Ａ的带ＩＩＣ数据接口的数字温度传感器，其测温范围为－５５＋１２５ħ，测温精度为０．１２５ħ，ＳＣＬ和ＳＤＡ接口构成ＩＩＣ串行总线，可以通过ＶｅｒｉｌｏｇＨＤＬ数字电路设计有限状态机㊀㊀㊀㊀㊀８㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＪｕｎ．２０１８㊀实现器件之间的主从式通信，完成ＬＭ７５Ａ内部寄存器实时温度值的读取㊂由于采用和测频模块同样的基准时钟信号，加上ＦＰＧＡＶｅｒｉｌｏｇ指令并行执行的特点，保证了测频和测温的同步性㊂ＬＭ７５Ａ内部集成了ＩＩＣ总线接口㊁带隙温度传感器㊁１１位模拟转数字转换器以及配置寄存器（Ｃｏｎｆ）和温度寄存器（Ｔｅｍｐ）［９］㊂温度寄存器（Ｔｅｍｐ）是由一个高８位字节和一个低８位字节组成的只读寄存器，其中仅有高１１位被存放到Ｔｅｍｐ数据，其余低５位为０㊂Ｔｅｍｐ数据的分辨率为０．１２５ħ，当读到Ｔｅｍｐ寄存器时，所有１６位数据都提供给总线㊂若Ｔｅｍｐ数据的最高有效位为逻辑０，则表示温度是正值，温度值（ħ）＝＋（Ｔｅｍｐ数据）㊃０．１２５ħ；若Ｔｅｍｐ数据的最低有效位为逻辑１，则表示温度是负值，温度值（ħ）＝－（－Ｔｅｍｐ数据＋１）㊃０．１２５ħ［１０］㊂ＦＰＧＡ和ＬＭ７５Ａ两者之间的通信严格按照ＩＩＣ总线管理定义的规则㊂在ＬＭ７５Ａ检测温度时，须先对ＬＭ７５Ａ初始化，即对其配置寄存器写入控制字进行工作模式的设定，本设计采用ＬＭ７５Ａ默认的工作模式，每隔１００ｍｓ进行１次转换（模数转换），转换的结果存放在Ｔｅｍｐ寄存器中㊂读取Ｔｅｍｐ寄存器数据时按照图５所示时序进行，首先释放总线上的ＳＤＡ和ＳＣＬ线，然后主机启动起始信号Ｓ，接着写入器件地址，等待器件响应１个时钟周期后开始连续２个字节的温度数据读取，最后主机启动终止信号Ｐ，完成一次温度数据的读取㊂由于系统基准时钟为１００ＭＨｚ，为了方便分频，选择用１００ｋＨｚ的频率作为ＬＭ７５Ａ的时钟频率，即ＳＣＬ为１００ＭＨｚ，由时序图５可知，有限状态机共包含ＩＤＬＥ㊁ＳＴＡＲＴ㊁ＡＤＤ１㊁ＡＣＫ１㊁ＤＡＴＡ１㊁ＡＣＫ２㊁ＤＡＴＡ２㊁ＮＡＣＫ㊁ＳＴＯＰ这９个状态，共经历２８个时钟周期即可完成一次读操作㊂图５㊀读温度寄存器时序２．３㊀自定义测频测温ＩＰ核的实现自定义测频测温ＩＰ核在ＱｕａｒｔｕｓⅡ１１．０开发环境下进行设计，ＶｅｒｉｌｏｇＨＤＬ编程采用效率高㊁易修改的自顶向下模块化设计，除了测频模块（ｆｒｅｑ＿ｃｏｕｎ）和测温模块（ｔｅｍｐ＿ｃｏｕｎｔ）这两个独立功能模块，还需要编写顶层模块（ｔｏｐ），通过顶层调用的方式将２个功能模块整合起来㊂ｔｏｐ模块中定义各个管脚接口与外部进行通信，因为最终需要封装成ＩＰ核在ＳＯＰＣ中进行调用，该ＩＰ核要与ＮｉｏｓⅡ处理器进行通讯，必须加入片选信号和地址信号，进行相应的地址译码，使得用户逻辑能够正确地连接到Ａｖａｌｏｎ总线上［１１］㊂核内有５个输出数据寄存器和一个控制寄存器，所以地址信号至少为３位二进制㊂当ＮｉｏｓⅡ向该ＩＰ核发出读取数据指令时，将ｃｈｉｐｓｅｌｅｃｔ和ｒｅａｄ信号接口置为高电平，读取相应地址中寄存器的数据；当ＮｉｏｓⅡ向该ＩＰ核发出写入数据指令时，即将ｃｈｉｐｓｅｌｅｃｔ和ｗｒｉｔｅ信号接口置为高电平，向相应的控制寄存器写入控制字㊂利用ＳＯＰＣＢｕｉｌｄｅｒ提供的ＩＰ核自定义模块配置导航，将编写好的ＶｅｒｉｌｏｇＨＤＬ程序文件添加进去，选择ｔｏｐ文件，然后按照表１配置各个信号接口的属性，最后进行分析和编译，就完成了自定义测频测温ＩＰ核的创建，命名为ｆｒｅｑ＆ｔｅｍｐ＿ｃｏｕｎｔ，存放在ＳＯＰＣ的ＩＰ库中根据需要进行实例化调用㊂表１㊀自定义测频测温ＩＰ核接口信号设置名称信号类型宽度／ｂｉｔ方向功能解释ｃｌｋｃｌｋ１ｉｎｐｕｔ系统时钟ｒｅａｄｒｅａｄ１ｉｎｐｕｔ读使能ｃｈｉｐｓｅｌｅｃｔｃｈｉｐｓｅｌｅｃｔ１ｉｎｐｕｔ片选信号ａｄｄｒｅｓｓａｄｄｒｅｓｓ３ｉｎｐｕｔ地址信号ｒｅａｄ＿ｄａｔａｒｅａｄｄａｔａ３２ｏｕｔｐｕｔ读数据ｗｒｉｔｅｗｒｉｔｅ１ｉｎｐｕｔ写使能ｗｒｉｔｅ＿ｄａｔａｗｒｉｔｅｄａｔａ３２ｉｎｐｕｔ写数据ｔｃｌｋ＿ａｅｘｐｏｒｔ１ｉｎｐｕｔ待测频率ａｔｃｌｋ＿ｂｅｘｐｏｒｔ１ｉｎｐｕｔ待测频率ｂｓｄａｅｘｐｏｒｔ１ｂｉｄｉｒＩＩＣ数据端ｓｃｌｅｘｐｏｒｔ１ｂｉｄｉｒＩＩＣ时钟端Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｒｑ１ｏｕｔｐｕｔ中断信号３㊀系统整体硬件㊁软件设计３．１㊀系统硬件顶层模块设计ＦＰＧＡ硬件顶层模块采用直观㊁容易理解的原理图输入方式，ＱｕａｒｔｕｓⅡ软件中，建立测频系统的硬件顶层模块文件，顶层模块中主要包含ＰＬＬ锁相环㊁方㊀㊀㊀㊀㊀第６期孙登强等：高精度石英振梁谐振式传感器测试系统设计９㊀㊀波整形电路和实例化的ＳＯＰＣ硬件㊂本设计中ＦＰＧＡ系统板所提供的外部时钟为５０ＭＨｚ，为了提高测频精度和速度，需要给ＮｉｏｓⅡ处理器和外部的ＳＤＲＡＭ分别提供１００ＭＨｚ的时钟，还须给方波整形电路的Ｄ触发器提供２００ＭＨｚ的时钟㊂因此通过ＦＰＧＡ芯片内嵌的ＰＬＬ锁相环，分别实现对外部时钟的二倍频和四倍频及各时钟信号的相位设置㊂谐振式传感器输出的数字方波信号在传输过程中往往会受到各种干扰，导致信号中夹杂着高频噪音和跳变，在送入测频模块之前必须经过方波整形，以提高频率测量的精度㊂方波整形电路如图６所示，数字方波信号首先通过输入缓冲器，以协调加速度计的输出和测频系统的数据处理速度㊂缓冲过的数字信号经过一级Ｄ触发器，该触发器的输出分为两路，一路经过一个非门，一路经过下一级Ｄ触发器，两路的输出取与运算㊂该电路能有效去除方波中的毛刺和抖动，有利于提高系统的抗干扰能力㊂图６㊀方波整形电路图ＳＯＰＣ硬件框图如图２所示，ＮｉｏｓⅡ处理器作为测试系统的ＣＰＵ，负责系统控制与数据处理；ＵＡＲＴ控制器ＩＰ核实现ＲＳ２３２串口通讯的控制，使得测频系统与上位机建立连接；ＰＩＯ内核为双向Ｉ／Ｏ的控制器ＩＰ核，可通过软件驱动实现对ＬＣＤ显示控制；ＳＤＲＡＭ和ＥＰＣＳ控制器连接相应存储器为系统运行提供运行内存和存储配置程序㊂各个ＩＰ核之间通过Ａｖａｌｏｎ总线进行互联互通㊂将上述模块按电气关系进行连接，并完成管脚分配㊂然后对ＦＰＧＡ硬件系统进行编译㊁综合就能生成ｓｏｆ类型文件，之后通过ＪＴＡＧＵＡＲＴ接口将硬件逻辑下载至ＦＰＧＡ芯片，就可以实现基本的信号采集功能㊂３．２㊀ＳＯＰＣ系统软件设计系统硬件构建完成后，还需要对ＮｉｏｓⅡ处理器编程以实现控制功能㊂ＳＯＰＣ的软件设计是在ＮｉｏｓⅡＩＤＥ软件中完成的㊂ＮｉｏｓⅡＩＤＥ环境支持Ｃ语言编程，并能根据ＳＯＰＣ的硬件配置文件生成硬件抽象层和系统头文件，从而降低了编程难度㊂系统软件流程图如图７所示，系统开始运行后，自定义测频测温ＩＰ核按设计的时序开始计数和通讯，完成后，给ＮｉｏｓⅡ处理器发出中断信号㊂ＮｉｏｓⅡ进入中断处理程序，会读取各个寄存器中的数值，将标志信号Ｆｌａｇ置为１，并清空中断信号和数据寄存器，中断处理过程结束㊂主程序检测到Ｆｌａｇ的状态为１后，首先将Ｆｌａｇ置为０，并依次进行频率㊁温度值浮点解算㊁ＬＣＤ显示㊁串口数据发送过程㊂至此，一个测试过程就结束了，等待下次中断信号的到来㊂㊀图７㊀系统软件程序流程图４㊀仿真测试结果及分析系统测频模块的仿真环境为ＭｏｄｅｌｓｉｍＳＥ１０．０，首先编写ｔｅｓｔｂｅｎｃｈ测试文件，为测频电路的输入接口添加激励，采用下列Ｖｅｒｉｌｏｇ语句产生频率为１００ＭＨｚ标准信号和４２．４０５２２４㊁４７．２９０２６８ｋＨｚ的被测信号㊂ａｌｗａｙｓ＃５ｃｌｋ＝ｃｌｋ；ａｌｗａｙｓ＃１１７９１ｔｃｌｋ＿ａ＝ｔｃｌｋ＿ａ；ａｌｗａｙｓ＃１０５７３ｔｃｌｋ＿ｂ＝ｔｃｌｋ＿ｂ；仿真结果如图８所示，从波形图可以看出时序输出满足图４的设计时序，在实际门控信号内实现了双路方波信号上升沿内基准脉冲的同步计数，相应的控制信号输出也正常㊂被测信号ｔｃｌｋ＿ａ㊁ｔｃｌｋ＿ｂ的频率值仿真结果分别为：ｆａ＝Ｎｘ＿ａ㊃ｆｓＮｓ－ａ＝４２４ˑ１０８９９９８７７ˑ１０－３ｆｂ＝Ｎｘ－ｂ㊃ｆｓＮｓ－ｂ＝４７３ˑ１０８１０００２０６ˑ１０－３ìîíïïïïï（７）即ｆａ＝４２．４０５２１６ｋＨｚ（相对误差１．９ˑ１０－７）ｆｂ＝４７．２９０２５８ｋＨｚ（相对误差２．１ˑ１０－７）{（８）为了进一步验证系统测频的精度，利用ＴｅｋｔｒｏｎｉｘＡＦＧ３１０２信号发生器对系统进行实验测试，该型号信㊀㊀㊀㊀㊀１０㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＪｕｎ．２０１８㊀图８㊀双路等精度测频电路仿真波形图号发生器可以同时产生２路不同频率且波形质量好的方波信号，方波的上升㊁下降时间小于５ｎｓ，分辨率可达１２ｐｓ，频率稳定性高达１０－８㊂测试的结果数据如表２所示㊂表２㊀信号发生器测试结果信号源ａ／ｂ频率／ｋＨｚ检测值Ａ／Ｂ频率／ｋＨｚ相对误差／１０－７１０．０／１０．５９．９９９９９５／１０．４９９９８９５．００／５．７１２５．７／２５．８２５．６９９９８９／２５．７９９９８８４．２８／４．６５３６．４／３６．６３６．３９９９８６／３６．５９９９９１３．８５／２．４６４０．０／３８．０３９．９９９９８９／３７．９９９９８９２．７５／２．８９４０．０／４０．２３９．９９９９８９／４０．１９９９８９２．７５／２．７４４９．８／５０．０４９．７９９９８６／４９．９９９９８４２．８１／３．２０１０．０／５０．０９．９９９９９５／４９．９９９９７３５．００／５．４０㊀㊀由式（８）和表２可以看出，当系统以５０Ｈｚ频率采样时，测频的绝对误差小于０．０２Ｈｚ，相对误差小于１０－６，满足石英振梁谐振式传感器的测试要求㊂５㊀结束语针对石英振梁谐振式传感器设计的带实时温度监测的双路频率采集系统，经过仿真和实验证明，系统能够实现双路频率信号的同步㊁高精度测量，频率信号采样频率为５０Ｈｚ，测频精度优于１０－６；同时，采用相同的基准时钟信号，并行执行的Ｖｅｒｉｌｏｇ语句实现了实时温度值的读取；再加上模块化的结构设计使系统便于移植，而且通过提高基准频率，还能进一步提高测频精度㊂此外，系统集成ＳＯＰＣ技术，采用ＮｉｏｓⅡ软核处理器，不仅实现了频率值和温度值的浮点解算㊁ＬＣＤ显示以及串口通讯等功能，还为传感器标定和补偿算法的实现提供平台㊂总之，该设计为石英振梁谐振式传感器的测试提出了具备实用性和可行性的方案㊂参考文献：［１］㊀冯冠平．谐振传感理论及器件［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００８：３６－４１．［２］㊀程荣俊．ＭＥＭＳ石英音叉硅膜结构谐振压力传感器研究［Ｄ］．西安：西安交通大学，２０１６．［３］㊀ＷＡＴＡＮＡＢＥＪ，ＳＡＫＵＲＡＩＴ，ＳＡＩＴＯＹ，ｅｔａｌ．Ｈｉｇｈａｃｃｕｒａｃｙｐｒｅｓｓｕｒｅｓｅｎｓｏｒｕｓｉｎｇｑｕａｒｔｚｄｕａｌｔｕｎｉｎｇｆｏｒｋｒｅｓｏｎａｔｏｒ［Ｃ］．ＩＥＥＪＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄＳｙｓｔｅｍｓ，２０１１，１３１：１１０１－１１０７．［４］㊀ＹＩＬＭＡＺＭ，ＭＩＧＬＩＡＣＩＯＰ，ＢＥＲＮＡＲＤＥ．Ｂｒｏａｄｂａｎｄｖｉｂｒａｔｉｎｇｑｕａｒｔｚｐｒｅｓｓｕｒｅｓｅｎｓｏｒｓｆｏｒｔｓｕｎａｍｅｔｅｒａｎｄｏｔｈｅｒｏｃｅａｎｏｇｒａｐｈｉｃａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｃ］．Ｏｃｅａｎｓ，２００４：１３８１－１３８７．［５］㊀高延滨，詹俊妮，何昆鹏，等．高精度石英振梁加速度计频率采样系统设计［Ｊ］．应用科技，２０１２（３）：６１－６５．［６］㊀ＴＲＡＯＮＯＬ，ＪＤ，ＰＥＲＮＩＣＥＭ，ｅｔａｌ．Ａｎｅｗｑｕａｒｔｚｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｖｉｂｒａｔｉｎｇｂｅａｍａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ．ｐｏｓｉｔｉｏｎ［Ｃ］．Ｌｏｃａｔｉｏｎ，＆ＮａｖｉｇａｔｉｏｎＳｙｍｐｏｓｉｕｍ，ＩＥＥＥ／ＩＯＮ，２００６：６－１５．［７］㊀林日乐．石英振梁加速度计技术研究［Ｄ］．西安：电子科技大学，２００６．［８］㊀陈丽锋，孟瑞，冯希．频率测量研究综述［Ｊ］．电子科技，２０１１，２４（７）：１５５－１５９．［９］㊀杨新鹏．基于ＬＭ７５Ａ的多点温度监测系统设计［Ｊ］．工业仪表与自动化装置，２０１３（２）：８０－８１．［１０］㊀刘欢，欧伟明，陈财彪，等．基于ＦＰＧＡ和ＬＭ７５Ａ的测温系统设计［Ｊ］．湖南工业大学学报，２０１４，２８（４）：２５－２９．［１１］㊀方茁，陈泽文，彭澄廉．ＳＯＰＣ设计中的用户自定义逻辑［Ｊ］．计算机工程，２００４，３０（１７）：４２－４４．作者简介：孙登强（１９９２），硕士研究生，主要从事ＭＥＭＳ传感器测试系统研究㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｓｕｎｄｅｎｇｉｑａｎｇ＠ｓｔｕ．ｘｊｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ通讯作者：赵玉龙（１９６８），教授，博士，主要研究领域为传感器及测试技术㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｚｈａｏｙｕｌｏｎｇ＠ｍａｉｌ．ｘｊｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ（上接第４页）［１０］㊀张晓磊，王辉林．压阻式压力传感器的温度补偿算法研究［Ｊ］．中国农机化报，２０１５（５）：２３４－２３６．［１１］㊀ＧＡＮＬＥＹＴ，ＨＵＮＧ，ＤＬＳ，ＺＨＵ，ＧＭ，ｅｔａｌ．Ｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｌｎｖｅｒｓｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ⁃ｄｅｐｅｎｄｅｎｔｌｏｎｉｃｐｏｌｙ⁃ｍｅｒ⁃ｍｅｔａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｅｎｓｏｒｄｙｎａｍｉｃｓ［Ｊ］．Ｉｅｅｅ⁃ＡｓｍｅＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＭｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ，２０１１，１６（１）：８０－８９．［１２］㊀ＦＡＮＳＣ，ＺＨＡＮＧＱＬ，ＱＩＮＪ．Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｏｆｐｒｅｓｓｒｕｅｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎｏｆｓｐｌｉｎｅｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＢｅｉｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓａｎｄＡｓｔｒｏ⁃ｎａｕｔｉｃｓ，２００６，３２（６）：６８４－６８６．［１３］㊀ＬＩＱ，ＬＩＡＮＧＬ，ＬＩＵＺ，ｅｔａｌ．Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｐｒｅｓｓｕｒｅｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｔｅｍｐｅｒｔｕｒｅｃｏｍｐｅｎｓａｎｔｉｏｎ［Ｊ］．ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，２００８，２９（９）：１９３４：１９３８．［１４］㊀ＪＩＡＮＧＨ，ＦＡＮＫＧ，ＹＡＮＧＪＧ．Ａｎｉｍｐｒｏｖｅｄｍｅｔｈｏｄｆｏｒｔｈｅｒｍａｌｌｙｉｎｄｕｃｅｄｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｅｒｒｏｒｓｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ｍｏｄｅｌｉｎｇ，ａｎｄｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｄｖａｎｃｅｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１４，７５（９－１２）：１２７９－１２８９．［１５］㊀全国工业过程测量控制和自动化标准化技术委员会（ＳＡＣ／ＴＣ１２４）．工业过程测量和控制系统用压力／压力传感器第１部分：通用技术条件：ＧＢ／Ｔ２８４７４．１－２０１２，［Ｓ］．北京：中国标准出版社，２０１２：４－７．作者简介：李冀（１９８９），讲师，主要研究方向为智能传感技术㊁传感器数据融合㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｌｅｏｓｈｏｗｔｉｍｅ＠１６３．ｃｏｍ。

导致试验机测量结果产生误差的原因及解决方法

导致试验机测量结果产生误差的原因及解决方法
一、仪器本身误差：
试验机作为一种精密仪器，可能存在固有的仪器误差，如传感器的非
线性、灵敏度不一致、仪器漂移等。

解决方法：
1.校正仪器：定期校正试验机的传感器，确保其准确度和稳定性。

2.选择合适的仪器：在购买试验机时，应选择品质可靠、准确度高的
仪器。

二、环境因素的影响：
环境因素如温度、湿度、振动等都可能对试验机的测量结果产生影响。

解决方法：
1.控制环境条件：在进行测量时，要尽量控制环境的稳定性，并确保
温度、湿度等参数在合理范围内。

2.考虑环境因素：在进行数据分析时要考虑环境因素的影响，进行数
据的修正和调整。

解决方法：
1.提高操作者的技术水平：通过培训和学习，提高操作者的实验技能
和仪器操作水平。

四、样本本身特性：
样本本身的性质也会对试验机的测量结果产生一定的影响，如样本不
均匀、表面粗糙等。

解决方法：
1.样本的准备：在进行测量之前，对样本进行充分的准备和处理，确
保样本的均匀性和表面的光滑度。

2.选择适当的测量方法：针对不同样本的特性，选择适合的测量方法，提高测量结果的准确度。

物理实验技术中常见测量误差来源与消除方法

物理实验技术中常见测量误差来源与消除方法物理实验技术是科学研究中非常重要的一环，通过实验可以得到准确的数据和可靠的结果，进一步推动科学的发展和进步。

然而，在进行物理实验时，我们经常会遇到各种测量误差，这些误差来源于多个方面，如仪器的精度、实验条件的影响和操作者的技术水平等。

本文将讨论物理实验技术中常见的测量误差来源以及相应的消除方法。

首先，我们来讨论仪器的精度对测量误差的影响。

在物理实验中，我们通常使用各类仪器进行测量，如天平、量筒、电子天平等。

然而，这些仪器的精度不是无限高的，会存在着仪器误差。

仪器误差包括示值误差和系统误差。

示值误差是由于仪器本身的不完善而引起的，例如仪器的刻度不够准确或秤盘的平衡不好等。

系统误差则是由于仪器的特性而引起的，例如仪器的非线性、温度漂移等。

为了减小这些误差，我们可以通过定期维护仪器，校准仪器和选择合适的仪器来提高测量的准确性。

其次，实验条件是影响测量误差的关键因素之一。

在进行物理实验时，我们应该注意控制实验条件，以减小误差的发生。

首先，温度对测量结果有较大的影响。

因此，在实验过程中应尽可能保持恒定的温度条件，或通过测量温度并进行补偿来消除温度对实验的影响。

其次，湿度也是一个需要考虑的因素。

湿度对某些实验的精确度要求较高，因此在进行这类实验时应尽量保持室内的湿度稳定。

最后，光线的干扰也是一个需要注意的问题。

在某些实验中，光线的强弱、方向等也会对实验结果产生明显的影响，因此需要注意消除光线的干扰。

此外，操作者的技术水平也是决定测量误差大小的重要因素。

操作者的技术水平直接关系到实验过程中的操作技巧和经验。

在进行物理实验时，我们应该注意提高自身的技术水平，熟悉仪器的使用方法以及实验步骤，遵循严谨的操作规范。

此外，注意实验中的细节和小技巧也是减小误差的关键。

例如，在进行称量实验时，可以采取多次称量的方法，取平均值来减小示值误差。

在进行测量实验时，可以采用交替法或交叉法来减小仪器的系统误差。

压电石英称重传感器应用

压电石英称重传感器应用20世纪90年代公路车辆轴载超限越来越严重，已成为世界难题。

在公路车辆轴载超载预判，桥梁超载报警和轴载动态称重计量中，迫切需要体积小、高度低、重量轻，刚度大，固有频率高，动态范围广，灵敏度高的动态称重传感器和动态公路车辆称重系统。

压电石英晶体敏感元件及其组装的称重传感器就具备上述特点。

北京中航科仪测控技术有限公司开发出可以埋在路面下的以石英晶体为敏感元件的动态平行梁称重传感器，用于公路车辆轴载超载预判，桥梁超载报警，隧道保护和车辆轴载计量，取得了很好的应用效果。

这种压电石英称重传感器已在美国、英国、德国、澳大利亚、韩国、日本等许多国家广泛应用。

1993年7月在苏黎世的瑞士联邦技术研究所，根据欧洲研究项目“COTS323道路动态称重”的要求，对压电石英称重传感器与另外8个商用称重传感器进行了道路比较试验。

试验使用数字式示波器显示重量信号、并将其储存在软盘上，然后将数据用计算机进行离线分析。

除了车辆的轴重和毛重外，车速、轴距、轮距和单双轮胎等均可确定。

在20～50km/h速度下，动态称量结果与动态校准结果非常吻合，证明压电石英称重传感器完全可以用于公路车辆轴重计量。

称重传感器在动态公路车辆称重中的应用主要有两种方式。

一种是利用多个垫圈式压电石英称重传感器组装成薄形电子轮辐式称重、轴销称重传感器或条形称重板（平行梁称重传感器）。

一种是利用多个石英晶体片和电极板直接安装在特制的梁式承载器（张力传感器）内，形成专用的压电石英型称重传感器，将其埋在公路表面截面为50×50mm的长槽内，形成动态公路车辆轴重秤（轨道衡）。

北京中航科仪测控技术有限公司研制的石英晶体动态称重传感器就是这种应用的典型代表。

它的总体结构如同1m长的工字梁，所不同的是工字梁的腹板为圆形空心截面，实际上其空心是由平行于工字梁上下翼缘的两个平面形成的矩形通孔。

多个石英晶体片在梁式称重传感器内的安装及所施加的预紧力的大小，对称重传感器的性能影响较大，应有严格的装配要求和装配工艺。

测量误差的来源与消除方法

测量误差的来源与消除方法引言测量作为一项关键的技术手段，在各个领域都起着重要作用。

然而，无论是科学实验还是工程项目，在测量过程中都难以避免误差的存在。

本文将深入探讨测量误差的来源以及相应的消除方法，以帮助读者更好地理解和应对测量误差。

一、人为因素的误差人为因素是造成测量误差的主要来源之一。

无论是仪器操作者还是观察者，他们的主观因素都难免会对测量结果造成一定的误差。

1. 仪器操作者的误差仪器操作者的经验水平和技术能力对测量结果具有重要影响。

缺乏经验的操作者往往容易造成读数不准确或者操作不规范，从而导致测量结果的偏差。

因此，提高仪器操作者的技术水平和培养良好的操作习惯是消除这类误差的有效方法之一。

2. 观察者的误差对于某些需要主观判断的测量，比如颜色的判定或者形态的描述，不同的观察者可能会有不同的主观感受，从而导致测量结果的差异。

为了减少这类误差，可以通过统一训练、使用专业的观察仪器或者借助计算机图像分析等方法来提高测量的客观性。

二、仪器因素的误差仪器因素指的是测量仪器本身的特性会对测量结果产生一定的影响。

在实际测量中，仪器因素通常包括仪器误差和仪器分辨率两个方面。

1. 仪器误差仪器误差是测量仪器在设计、制造和校准过程中所引入的固有偏差。

常见的仪器误差包括零位误差、灵敏度误差和线性误差等。

为了消除仪器误差，可以通过定期的仪器校准和维护来保证测量的准确性。

2. 仪器分辨率仪器分辨率指的是仪器能够区分的最小变化量。

如果测量结果小于仪器的分辨率，就无法准确得到具体数值，而只能得到近似值。

为了提高测量的精度，可以选择更高分辨率的仪器或者使用适当的放大倍数。

三、环境因素的误差环境因素也会对测量结果产生一定的影响。

例如温度、湿度和压力等环境因素都会引起仪器的漂移，从而导致测量结果的偏差。

1. 温度影响温度的变化会导致材料的体积、导电性、折射率等发生变化，从而引起测量结果的误差。

为了消除温度的影响，可以使用温度补偿装置或者在测量之前将样品适当恢复到标准温度。

A200906-1425

(13)
其中，石英振梁式重力传感器的标度因数 K = 14150.02851Hz g 。
3.1.2 输出差动频率的线性化误差在石英振梁式重力传感器差动安装方案中，假定两个石英谐振器结构参数完全相等，当
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中国科技论文在线

有重力加速度 g(t) 作用时，1#、2#谐振器的频率差为
S
2
m
2
L2
k
2 2
l22
[32 × (2k1 + k2l22 )2 ] ⋅ g 2 t
+
(7)
由式(7)可得石英谐振器的一阶和二阶标度因数分别为 K1 =
f0 SmLk43;
k
2
l
2 2
)]
和
K2 = f0S 2m2 L2k22l22 [32×(2k1 + k2l22 )2 ]。石英谐振器采用差动安装方案，如图 1 所示，当 1＃石英谐振器受拉力作用时，则 2＃石英谐振器受压力作用，令 K11 、 K12 分别为 1#石英谐振器的
1. 引言
石英振梁式加速度计采用频率合成技术来提取谐振频率的变化，频率输出可直接由数字电路处理，从而避免了模/数转换带来的转换误差，因此，石英振梁式加速度计具有数字化、响应速度快、测量精度高和动态性能好的特点。本课题组在高精度海洋重力仪的方案设计中，采用石英振梁式加速度计作为重力传感器。由于对石英振梁式重力传感器原理误差进行建模是实现重力传感器误差补偿的前提，因此，本文将石英振梁式重力传感器等效成转动惯量— 弹性支承—阻尼系统，分析石英振梁式重力传感器的结构和工作原理，并从石英振梁式重力传感器谐振频率计算、输出差动频率线性化和加工工艺三个方面分析影响石英振梁式重力传感器原理误差的因素，以建立石英振梁式重力传感器原理误差模型。

浅析测力传感器对被测物体产生误差的原因和解决办法

浅析测力传感器对被测物体产生误差的原因和解决办法浅析测力传感器对被测物体产生误差的原因和解决办法：测力传感器在受到外力作用后，粘贴在弹性体的应变片随之产生形变引起电阻变化，电阻变化使组成的惠斯登电桥失去平衡输出一个与外力成线性正比变化的电量电信号。

说起来是比较简单的，但是这是个非常复杂的工作过程。

尤其是面对被测物体产生误差的时候，测力传感器在尽量的寻找其解决的办法。

传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有—定延迟，希望延迟时间越短越好。

传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。

在动态测量中，应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等)响应特性，以免产生过火的误差。

传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。

以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。

传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。

在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。

但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。

当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。

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随着中国自动化不断发展进步，我们团队积累了多年一线工作经验。

出于对自动化的理解和认识，公司始终坚持"因为专业、所以信服"的企业运作理念打造了一支自动化领域的专业团队，为客户提供系统的售前和售后服务，持续不断的提供质量稳定的产品，持续研发新的产品、极大限度的满足客户需求。

公司经营力传感器、智能变送器、智能仪表等工控自动化产品；自动检测、自动控制与软件开发；工业自动化非标设备、工业自动化生产线的方案设计与实施的系统集成项目。

石英振梁式加速度计研究

石英振梁式加速度计研究何胜王巍邢朝洋(航天时代电子公司研究院)摘要：石英振梁加速度计(RBA)技术自出现以来就一直是惯导仪表的一个重要发展方向。

它直接输出频率信号，不必经A／D转换，直接进入导航计算机、防止引入速度增量误差，另外它在价格、功耗、重量上的优点激发了J、．-ff]对它的持续研究和开发，以一种重要的惯性导航加速度计发展成熟起来，近年来，我国在石英振梁式加速度计领域的研制取得了较大进展，本文旨在概述石英振粱加速度计的现状及阐述我们设计的一种高g石英振粱式加速度计。

关键词：石英振粱式加速度计惯性导舷加速度计频率信号1．概述振梁式加速度计(RBA)自问世以来就受到世界各国的普遍关注。

振梁式加速度计宜接输出脉冲信号，避免了信号转换引入的速度增量误差。

它在成本、体积、功耗、重量、精度上的突出优点，决定了石英振粱式加速度计作为新型惯性导航加速度计的一个重要分支逐渐发展和成熟起来。

美国在石英振粱表的研制方面一直处于领先地位，其中原SU NS TR．,LN D公司研制了精度范围从中低精度领域延伸到高精度领域的一系列石英振梁式加速度计。

1993年至 1994年，美国在其先进动能导弹(AD KEM)开发项目上使用的高性能、高g值的加速度计就是振粱式加速度计。

这种高量程的振梁式加速度计有如下特点：在12009的输入加速度环境下，能够正常的工作，并可提供足够的灵敏度，分辨力达li ng的水平，非常适合大机动、高过载的战术武器制导系统。

美国深空探测器“克莱门汀”号的惯测组合就是由激光陀螺和石英振粱式加速度计RB AS00匹配。

1998年，法国国家宇航研究局(ONERA)在法国国防部采购局(bOG)的资助下，开发了一种石英谐振式振梁加速度计。

它的每个敏感器都是一个由一种简单的化学工艺制成的整体石英结掏，这种结构能将传感器的活动部件有效的隔离，活动部件由一个检测质量、一个振粱及两个接头组成，同时一个柔性框架起到了与安装面的隔离作用。

重力实验中的误差与控制方法

重力实验中的误差与控制方法引言：重力是地球上的一种基本物理现象，它对于我们的日常生活和科学研究都有着重要的影响。

在进行重力实验时，我们需要考虑到实验过程中可能出现的误差，并采取相应的控制方法，以确保实验结果的准确性和可靠性。

本文将探讨重力实验中常见的误差来源以及一些常用的控制方法。

一、实验误差的来源1. 仪器误差：重力实验中常用的仪器包括天平、弹簧测力计等。

这些仪器本身可能存在刻度误差、零位漂移等问题，导致实验结果的偏差。

2. 环境因素：重力实验往往需要在实验室或者特定的环境中进行。

而环境因素如温度变化、空气湿度等都可能对实验结果产生影响。

3. 操作误差：实验者在进行重力实验时，操作不当也会引入误差。

例如，在进行称重实验时，如果没有将待测物体放置在天平的中心位置，就会导致测量结果的偏差。

4. 人为误差：重力实验中，实验者的主观因素也会对实验结果产生影响。

例如，实验者在读取仪器刻度时的视觉误差、实验者对实验结果的期望等。

二、控制误差的方法1. 仪器校准：在进行重力实验之前，对所使用的仪器进行校准是十分重要的。

通过与已知标准物体进行比对，可以减小仪器本身的误差。

例如，使用已知质量的物体对天平进行校准，以消除刻度误差。

2. 环境控制：为了减小环境因素对实验结果的影响，我们可以在实验过程中控制温度、湿度等参数。

在实验室中使用恒温恒湿设备可以有效地降低环境因素对实验结果的干扰。

3. 操作规范：实验者在进行重力实验时，应该遵循一定的操作规范。

例如，在进行天平称重实验时，应该确保待测物体放置在天平的中心位置，避免因操作不当引入误差。

4. 多次重复实验：为了减小人为误差的影响，可以进行多次重复实验，并取平均值作为最终结果。

通过多次实验，可以减小个别实验的误差对结果的影响，提高实验结果的可靠性。

5. 数据处理：在重力实验中，合理的数据处理方法也可以减小误差的影响。

例如，使用统计学方法对实验数据进行分析，可以识别出异常值，并对其进行处理，提高实验结果的准确性。

测绘技术中重力测量的精度与误差控制技巧

测绘技术中重力测量的精度与误差控制技巧在测绘技术中，重力测量是非常重要的一项工作。

它的主要目的是测量地球重力场的强度和方向，从而提供地质、地理、地球物理学等领域的数据支持。

重力测量的精度和误差控制技巧直接关系着测绘数据的准确性和可靠性。

首先，我们来了解一下重力测量的原理和方法。

一般情况下，重力测量常使用重力仪进行，而重力仪又可分为绝对重力仪和相对重力仪。

绝对重力仪通过测量重力加速度值来确定重力场的强度，而相对重力仪则是通过相对测量的方法，在同一位置进行多次测量，并进行差值处理来消除仪器系统误差。

在进行重力测量时，精度是至关重要的。

为了提高测量结果的准确性，我们需要采取一系列的误差控制技巧。

首先，仪器的校准是非常重要的，需要定期检查和校准仪器的灵敏度和稳定性，以保证测量结果的可靠性。

其次，环境因素的影响也需要进行控制。

在实际测量中，我们需要注意避开对测量结果产生干扰的因素，如震动、温度变化等，以减小误差的产生。

除了仪器校准和环境控制外，数据处理也是重力测量中重要的一环。

在数据处理中，我们需要注意误差补偿和差值处理。

误差补偿是通过对测量中的各项误差进行估计和修正，来提高测量结果的准确性。

而差值处理则是通过对同一位置进行多次测量，并进行差值计算和数据平均，来减小随机误差的产生。

此外，数据处理中的最小二乘法也是一个常用的技巧。

最小二乘法可以通过对所有数据进行合理的加权处理，针对不同数据点的信度进行修正，从而提高测量结果的准确性。

最小二乘法的应用可以使得测量数据更加符合实际情况，减小系统误差的影响。

在测绘技术中，重力测量的精度和误差控制技巧对于提高测绘数据的准确性起到了至关重要的作用。

通过仪器校准、环境控制和数据处理等手段，我们可以有效地减小测量误差，提高重力测量的精度。

同时，科学合理地应用最小二乘法等技术也可以进一步提高数据的可靠性。

综上所述，重力测量在测绘技术中具有重要的地位。

重力测量的精度和误差控制技巧是提高测绘数据准确性的关键。