CN101111771A - 用于高性能加速计的超因瓦合金磁回路 - Google Patents

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Abstract

一种力再平衡加速计(20)，其包括二氧化硅基的检测质量块(28)，该检测质量块设有与激励环(61)接合的电容元件(40)，激励环由超因瓦合金制造。磁性组件(60)包括激励环(61)、磁铁(63)、和极片(65)。激励环(61)的超因瓦合金大致匹配二氧化硅基的检测质量块(28)的热膨胀系数，以充分减少由温度变化所产生的变形信号。加速计的运动使得电容元件(40)产生与加速运动成比例的信号，加速计经历的温度变化不产生该信号。

Description

用于高性能加速计的超因瓦合金磁回路
发明背景
现有技术所周知的力再平衡加速计(Force rebalanceaccelerometers)包括检测质量块(proof mass)，其悬挂在一个或多个磁性组件之间。这样的加速计的示例已公开于美国专利第4,182,187；4,250,757；4,394,405；4,399,700；4,400,979；4,441,366；4,555,944；4,555,945；4,592,234；4,620,442；4,697,455；4,726,228；4,932,258；4,944,184；5,024,089；5,085,079；5,090,243；5,097,172；5,111,694；5,182,949；5,203,210；5,212,984；和5,220,831号中；所有这些专利通过引用结合于本文中。这样的力再平衡加速计一般包括检测质量块，已知道检测质量块可用非晶体的石英来形成，其由一个或多个弯曲部悬挂，使检测质量块可响应沿量测轴线的力或加速而偏移，量测轴线一般垂直于检测质量块平面。当静止时，检测质量块通常等距离地悬挂在上和下激励环之间。形成感应(pick off)电容板的导电材料布置在检测质量块的相对侧，以与激励环形成电容元件。沿量测轴线的加速或施加的力，可使检测质量块不是向上就是向下偏移，这使得感应电容板和上下激励环之间的距离变化。感应电容板和上下激励环之间的距离变化使得电容元件的电容变化。因此电容元件的电容差异代表了检测质量块沿量测轴线的位移。该位移信号施加到伺服系统，伺服系统包括一个或多个电磁铁，该电磁铁可使检测质量块返回到其零位置或静止位置。而施加到电磁铁的驱动电流的大小代表了沿量测轴线的加速或力。
已知道电磁铁包括可由例如铝镍钴永磁合金形成的磁铁，磁铁一般结合到激励环，激励环用具有相对高导磁率的材料形成，如因瓦合金，以形成磁回路。用于磁铁和激励环的材料具有不同的热膨胀系数，因为这些材料是不同的。因此，磁铁和激励环之间所限定的界面将承受为温度函数的应力。一段时间和/或温度下的应力使加速计的性能下降。
为了解决这个问题，使用柔性环氧树脂来将磁铁结合到激励环。但是，这种柔性环氧树脂降低了加速计的长期稳定性。此外，激励环所用的合金不能最佳地匹配二氧化硅基电容板的膨胀系数，会产生温度导致的错误加速信号，损害了源自运动的加速的精度和准确度。
实施例概述
实施例包括一种力再平衡加速计，可更精确和更准确地提供因运动变化而产生的加速计值，而不会因温度改变而产生错误信号。通过减小与速度无关的或与噪音相关的影响(否则这些影响将错误地指示速度的变化)，实施例可更准确地提供因速度改变而产生的真实加速计读数。实施例包括加速计元件，其由具有大致相似的热膨胀系数的材料制成。
再平衡加速计的具体实施例包括具有二氧化硅基的检测质量块的圆柱或罐，检测质量块带有电容元件，其与由超因瓦合金制成的磁性组件接合。超因瓦合金提供了与二氧化硅基检测质量块大致相似的热膨胀系数。检测质量块通过一个或多个弯曲部悬挂在静止安装的上和下激励环之间。检测质量块经由介于检测质量块和内壁之间的空气隙与圆柱内壁隔离开。空气隙填充了惰性气体。感应电容板形成于或者另外安装于检测质量块的相对侧。感应电容板提供了电容元件，其电容根据检测质量块的位移而变化，以提供与再平衡加速计所经历的运动加速成比例的位移信号。在由具有大致相似的热膨胀系数的材料所制成的加速计具体实施例中，实质上减少了温度变化导致的模拟加速度的错误信号。
附图简述
下面参考附图详细介绍具体的实施例。
图1是根据具体实施例的力再平衡加速计的分解透视图；
图2是图1的力再平衡加速计的局部截面图；以及
图3是图1的力再平衡加速计的截面图。
具体实施例的详细说明
图1显示了力再平衡加速计20。力再平衡加速计20包括一个或多个磁性组件22和检测质量块组件24。检测质量块组件24包括安装环26和通常为桨状(paddle-shaped)的检测质量块28。检测质量块28通过一对弯曲部30相对于安装环26悬挂，使检测质量块28可相对于安装环26转动。圆柱形线轴(bobbin)32和34形成于检测质量块28的相对表面上。线轴32和34用来承载加扭器线圈36和38。导电材料40沉积在检测质量块28的相对表面以形成感应电容板。
磁性组件22包括永久磁铁42和通常是圆柱形的激励环或磁通集中器44。激励环44设置成具有通常为C形的截面。用于激励环44的材料可选择具有相对较高导磁率的材料，如超因瓦合金，以形成磁回路。激励环44上在内部的表面46与检测质量块28的相对侧面上的导电材料40结合，形成可变电容元件PO1和PO2，如图1和图2所示。
参考图2，所显示的检测质量块28处于静止位置或零位置。在这个位置，上和下激励环44的表面46和感应电容板40之间的距离相等。因为电容是板之间距离的函数，电容PO1和PO2的电容值在这种条件下相等。
响应于沿量测轴线S的加速或力，量测轴线一般垂直于检测质量块28的平面，检测质量块28可朝激励环44的一个或另一个移动。检测质量块28的位移改变了形成于检测质量块28相对侧面上的感应电容板46上的表面相对于上和下激励环44的各自的距离。这个距离的变化导致电容元件PO1和PO2的电容的变化。用于测量该电容变化的电路公开于美国专利第4,634,965号中，其通过引用结合于本文中。
电容PO1和PO2值的差别表示检测质量块28沿量测轴线S的向上或向下的位移。该位移信号施加到伺服系统，伺服系统包括磁性组件22和加扭器线圈36和38，加扭器线圈形成电磁铁，以使检测质量块28回到零位置。驱动电磁铁的电流的大小是检测质量块28沿量测轴线S的加速度的度量。
如图3所示，各磁性组件22包括激励环44、磁铁42和极片65(polepiece)。激励环44以大体上以带有C形截面的圆柱形形成。磁铁42具有相对的结合表面64，其在中心经由粘结片68固定到激励环44的基部66。极片65通过粘结片69固定到磁铁42。
为了充分地减少由温度引起的变形信号，激励环44用超因瓦合金制造，其大致匹配二氧化硅基的检测质量块28的热膨胀系数。因此，检测质量块28的运动使得电容元件40因加速计20经受的运动而产生信号，不会由于加速计20的磁性组件22或其它元件所经受的温度差或变化而产生变形信号。
激励环44使用的超因瓦合金是大约31％的镍、5％钴、和64％的铁的合金。
根据上述教导可对本发明的实施例进行许多改进和变型。可使用镍-钴-铁超因瓦合金的其它组分。例如，合金组分为大约32.0％的镍、5.4％的钴、少于1％的碳、少于1％的硅、少于1％的锰、少于1％的硫、少于1％的铬、少于1％的铝、少于1％的铜、和剩余百分比余量的铁。
因此，应理解在所附权利要求的范围内，本发明可以用与上面具体介绍不同的其它方式来实施。
尽管已经显示和介绍了本发明的优选实施例，如上面所指出的，可进行许多的变化而不脱离本发明的实质和范围。例如，另一超因瓦合金组分可包括大约31.75％的镍、5.36％的钴、0.05％的碳、0.09％的硅、0.39％的锰、0.01％的硫、0.03％的铬、0.07％的铝、0.08％的铜、和剩余百分比余量的铁。
因此，本发明的范围不由优选实施例的公开所限制。而是，应完全通过参考后面的权利要求来确定本发明。

Claims (20)

1.一种装置，包括：
一对磁性组件，各组件包括超因瓦合金，各组件包括激励环和磁铁；和
具有电容元件的检测质量块，所述检测质量块悬挂在所述磁性组件和与所述激励环接合的所述电容元件之间；
其中所述磁性组件、所述检测质量块和电容元件具有大致相似的热膨胀系数。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述合金包括大约31％的镍、5％的钴和64％的铁。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述合金包括大约32.0％的镍、5.4％的钴、少于1％的碳、少于1％的硅、少于1％的锰、少于1％的硫、少于1％的铬、少于1％的铝、少于1％的铜、和剩余百分比余量的铁。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述合金包括大约31.75％的镍、5.36％的钴、0.05％的碳、0.09％的硅、0.39％的锰、0.01％的硫、0.03％的铬、0.07％的铝、0.08％的铜、和剩余百分比余量的铁。
5.一种加速计，包括：
一对磁性组件，各组件包括超因瓦合金，各组件包括激励环和磁铁；和
具有电容元件的检测质量块，所述检测质量块悬挂在所述磁性组件和与所述激励环接合的所述电容元件之间；
其中所述磁性组件、所述检测质量块、和所述电容元件具有大致相似的热膨胀系数。
6.根据权利要求5所述的加速计，其特征在于，所述合金包括大约31％的镍、5％的钴、和64％的铁。
7.根据权利要求5所述的加速计，其特征在于，所述合金包括大约32.0％的镍、5.4％的钴、少于1％的碳、少于1％的硅、少于1％的锰、少于1％的硫、少于1％的铬、少于1％的铝、少于1％的铜、和剩余百分比余量的铁。
8.根据权利要求5所述的加速计，其特征在于，合金包括大约31.75％的镍、5.36％的钴、0.05％的碳、0.09％的硅、0.39％的锰、0.01％的硫、0.03％的铬、0.07％的铝、0.08％的铜、和剩余百分比余量的铁。
9.一种制造加速计的方法，包括：
用超因瓦合金准备磁性组件，所述组件具有激励环和磁铁；
准备带有电容元件的检测质量块，所述检测质量块和电容元件具有与所述超因瓦合金大致相似的热膨胀系数；以及
悬挂所述检测质量块于所述组件附近，使所述电容元件与所述激励环接合；
其中，所述加速计的运动从与所述激励环接合的所述电容元件产生信号。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述检测质量块悬挂在两个磁性组件之间。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述电容元件与各组件的所述激励环接合。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述合金包括大约31％的镍、5％的钴、和64％的铁。
13.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述合金包括大约32.0％的镍、5.4％的钴、少于1％的碳、少于1％的硅、少于1％的锰、少于1％的硫、少于1％的铬、少于1％的铝、少于1％的铜、和剩余百分比余量的铁。
14.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述合金包括大约31.75％的镍、5.36％的钴、0.05％的碳、0.09％的硅、0.39％的锰、0.01％的硫、0.03％的铬、0.07％的铝、0.08％的铜、和剩余百分比余量的铁。
15.一种装置，包括：
一对磁性组件，各组件包括钴，各组件包括激励环和磁铁；和
具有电容元件的检测质量块，所述检测质量块悬挂在所述磁性组件和与所述激励环接合的所述电容元件之间；
其中所述磁性组件、所述检测质量块、和所述电容元件具有大致相似的热膨胀系数。
16.一种加速计，包括：
一对磁性组件，各组件包括钴，各组件包括激励环和磁铁；和
具有电容元件的检测质量块，所述检测质量块悬挂在所述磁性组件和与所述激励环接合的所述电容元件之间；
其中所述磁性组件、所述检测质量块、和所述电容元件具有大致相似的热膨胀系数。
17.一种制造加速计的方法，包括：
用钴合金准备磁性组件，所述组件具有激励环和磁铁；
准备带有电容元件的检测质量块，所述检测质量块和电容元件具有与所述超因瓦合金大致相似的热膨胀系数；以及
悬挂所述检测质量块于所述组件附近，使所述电容元件与所述激励环接合；
其中，所述加速计的运动从与所述激励环接合的所述电容元件产生信号。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述合金包括大约31％的镍、5％的钴、和64％的铁。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述合金包括大约32.0％的镍、5.4％的钴、少于1％的碳、少于1％的硅、少于1％的锰、少于1％的硫、少于1％的铬、少于1％的铝、少于1％的铜、和剩余百分比余量的铁。
20.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述合金包括大约31.75％的镍、5.36％的钴、0.05％的碳、0.09％的硅、0.39％的锰、0.01％的硫、0.03％的铬、0.07％的铝、0.08％的铜、和剩余百分比余量的铁。
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