CN103760381A - 一种一体式的石英振梁加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一体式的石英振梁加速度计结构，包括固定部分、与固定部分连接的一个或两个活动部分，活动部分包括质量块、位于质量块下方的支撑座、连接质量块和支撑座的振梁、第一挠性铰链和第二挠性铰链，第一挠性铰链和第二挠性铰链对称设置在振梁的两侧，上下两端面的横向中心线分别与质量块下侧面的横向中心线和支撑座上侧面的横向中心线连接重合，质量块和支撑座的厚度相同，振梁、第一挠性铰链和第二挠性铰链的厚度，比质量块和支撑座的厚度小。本发明具有很高的品质因数和测量精度，同时提高了加速度计敏感轴方向的灵敏度，消除了交叉轴方向的加速度干扰。

Description

一种一体式的石英振梁加速度计

技术领域

本发明属于传感检测领域，涉及一种石英振梁加速度计结构。

背景技术

石英振梁加速度计采用的材料是石英晶体，是一种基于石英压电效应的加速度传感器。不需要额外的结构，就可以很容易的利用石英晶体本身的压电性能激励和检测刚性梁的振动，同时，具有成本低、体积小、灵敏度高、机械性能好、批量生产的优点。而且，它一直是惯性导航系统的重要元件之一，自问世以来，就得到普遍的关注和应用，在军工、航空航天、勘探等中高精度领域有着广泛的应用前景。

石英振梁加速度计是利用压电石英振梁的力-频特性进行加速度测量的，当质量块上有加速度输入时，质量块就会把被测量的加速度转化为惯性力，施加到振动梁上，引起振动梁谐振频率发生变化，通过谐振电路检测振动梁谐振频率的变化就可以测得相应的加速度大小。与模拟信号（电气电压）输出的加速度计相比，以数字信号（频率）输出的加速度计具有很好的性能，避免了A/D转换引入的加速度测量误差。

石英振梁加速度计从结构上可以分为分体式和一体式。法国ONERA公司曾经研制出一种一体式的石英振梁加速度计样机，主要由活动部件、隔振系统、上下两连接臂和安装框组成，其中，活动部件包括一个质量块、一个振梁、一个支撑座、以及连接质量块和支撑座的两个挠性铰链。两个挠性铰链安置在质量块和支撑座的背面，这样很容易采用单步双面多层光刻工艺对加速度计进行微工艺加工，以相对比较低的成本使加速度计满足微型化的要求，同时能够克服分体式装配效果不理想造成的干扰，可以提升良好的性能。但是敏感轴方向的灵敏度不高，而且交叉轴方向有加速度的干扰。

发明内容

技术问题：本发明提供一种保证了品质因数和测量精度，同时有效提高加速度计敏感轴方向的灵敏度，消除交叉轴方向的加速度干扰的一体式的石英振梁加速度计。

技术方案：本发明的一体式的石英振梁加速度计，包括固定部分、与固定部分连接的一个或两个活动部分，活动部分包括质量块、位于质量块下方的支撑座、连接质量块和支撑座的振梁、第一挠性铰链和第二挠性铰链，第一挠性铰链和第二挠性铰链对称设置在振梁的两侧，第一挠性铰链和第二挠性铰链的上下两端面的横向中心线分别与质量块下侧面的横向中心线和支撑座上侧面的横向中心线连接重合，质量块和支撑座的厚度相同，振梁、第一挠性铰链和第二挠性铰链的厚度，均比质量块和支撑座的厚度小。

本发明的一种优选方案中，质量块和支撑座之间连接设置两个平行的振梁。

本发明的一种优选方案中，固定部分、质量块和支撑座均在外部做切角处理。

本发明的一种优选方案中，固定部分与活动部分之间设置有环绕活动部分的隔离框，隔离框的一端通过第一连接臂与固定部分连接，另一端通过第二连接臂与支撑座连接。

本发明的上述优选方案中，隔离框在外部做切角处理。

本发明的一种优选方案中，固定部分连接两个活动部分，两个活动部分并排设置，组成差分结构。

本发明的一种优选方案中，固定部分连接一个活动部分，固定部分为开口向下的U形安装框。

本发明的一种优选方案中，固定部分连接两个活动部分，固定部分为封闭的方形安装框。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明把两个挠性铰链由原来的位于质量块和支撑座的背面，改为两个挠性铰链的上下两端面的横向中心线分别与质量块下侧面的横向中心线和支撑座上侧面的横向中心线连接重合。当在敏感轴方向施加加速度时，质量块给振梁施加的纵向拉力或压力P与力臂的乘积是力矩，当两个挠性铰链的横向中心线与质量块下侧面横向的中心线和支撑座上侧面横向的中心线一致时，力臂减小，则纵向拉力或压力P就会增加，振梁的固有频率F的变化量△F也会相应的增加，提高了加速度计的灵敏度。当在横轴方向输入加速度时，质量块给振梁施加的纵向拉力或压力为零，振梁的固有频率F的变化量△F为零，消除了横轴方向的加速度干扰。当在纵轴方向输入同敏感轴方向有相同数量级的加速度时，质量块给振梁施加的纵向拉力或压力很小，可以忽略不计，振梁的固有频率F的变化量△F也可以忽略，这样可以消除纵轴方向的加速度干扰。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图。

图2是本发明差分结构的立体示意图。

图3是本发明在敏感轴方向施加加速度所产生作用力的示意图。

图4是本发明在纵轴方向施加加速度所产生作用力的示意图。

图5是本发明在横轴方向施加加速度所产生作用力的示意图。

图中有：固定部分1、隔离框2、质量块3、振梁4、第一挠性铰链5、第二挠性铰链6、支撑座7、第一连接臂8、第二连接臂9。

具体实施方式

如图1所示，本发明的石英振梁加速度计包括固定部分1、与固定部分1连接的活动部分，活动部分包括质量块3、位于质量块3下方的支撑座7、与质量块3和支撑座7相连的振梁4、第一挠性铰链5和第二挠性铰链6。固定部分1与活动部分之间设置有环绕活动部分的隔离框2，隔离框2的一端通过第一连接臂8与固定部分1连接，另一端通过第二连接臂9与支撑座7连接。该结构是关于中心纵轴z’z对称的。

如图1所示，第一挠性铰链5和第二挠性铰链6对称设置在振梁4的两侧，且第一挠性铰链5和第二挠性铰链6上端面的横向中心线均与质量块3下侧面的横向中心线连接重合，第一挠性铰链5和第二挠性铰链6下端面的横向中心线均与支撑座7上侧面的横向中心线连接重合。为了提高加速度计的机械鲁棒性和铰链的高抗弯刚度，第一挠性铰链5和第二挠性铰链6具有相同的长度，其厚度方向垂直于纸面，宽度方向和厚度方向组成的矩形面垂直于振梁4，厚度为E₅、E₆，小于质量块3的厚度E，E₅=E₆<E，一般取 $E_5=(\frac{1}{10}~\frac{1}{4})E.$

如图1所示，质量块3、支撑座7均是削去底棱角的类似U型形状，两者相对放置。U型形状的两平行分支平行于中央纵轴z’z，核心凹槽部分垂直于中央纵轴z’z，其长度方向均平行于中心纵轴z’z轴，厚度方向均垂直于纸面，宽度方向和厚度方向组成的矩形面均垂直于振梁4，厚度为E。

如图1所示，质量块3和支撑座7之间的振梁4是单梁。振梁4是一个平行六面体叶片，位于质量块3、支撑座7的厚度方向的前面上。其长度方向平行于中心纵轴z’z轴，厚度方向垂直于纸面，振梁4的厚度为E₄、要比质量块3的厚度E度小，E₄<E，一般取 $E_4=(\frac{1}{10}~\frac{1}{4})E.$

如图1所示，固定部分1为开口向下的U形安装框，做切角变形处理。U形安装框的变形横梁可由长方体形状横梁做左右两侧向下弯折一定角度的切角变形处理得到，两个变形支架可分别由长方体形状支架顶部向内弯折一定角度得到。长方体形状横梁，垂直于振梁4，其长度方向平行于中心纵轴z’z轴，厚度方向垂直于纸面，宽度方向和厚度方向组成的矩形面垂直于振梁4，厚度为E；U形安装框的两个变形支架分别位于振梁4的左右两边，与基底固定在一起，厚度为E；固定部分1具有相同的厚度E。

如图1所示，隔离框2为方形框架，做切角变形处理。方形框架的上边部分可由长方体形状做左右两侧向下弯折一定角度的切角变形处理得到，下边部分可由长方体形状做左右两侧向上弯折一定角度的切角变形处理得到，方形框架的左右边部分可由长方体形状顶底部均向内弯折一定角度得到。方形框架的上下两个变形部分相对放置，且上边部分与第一连接臂8相连，下边部分与第二连接臂9相连，厚度均为E；方形框架的左右两个变形部分也相对放置，分别位于振梁4的左右两边，厚度也均为E。隔离框2具有相同的厚度E。

本发明的另一种实施例如图2所示，固定部分1为封闭的方形安装框，环绕着两个完全相同的隔离框2和活动部分，两个隔离框2和活动部分并排设置，组成差分结构。即一个活动部分和隔离框2绕着横轴旋转180°形成了另一个活动部分和隔离框2。一个活动部分的振梁4位于质量块3、支撑座7的厚度方向的前面上，另一个活动部分的振梁4位于质量块3、支撑座7的厚度方向的背面上。

如图3所示，当施加的加速度Г₁方向垂直于面内时，质量块3就会给振梁4施加纵向拉力P₁，给第一挠性铰链5和第二挠性铰链6各施加以纵向压力Q₁、横向弯曲剪切力N₁、横向弯矩V₁，此外振梁4、第一挠性铰链5和第二挠性铰链6还有其他的机械作用，但考虑到这些作用对加速度计的影响非常小，所以为了简化分析，可以将这些作用忽略不计。

对质量块3、第一挠性铰链5和第二挠性铰链6进行力学分析。

可得出P₁=[L/(E/2-E₅/2)]MГ₁

L是质量块3的重心到第一挠性铰链5和第二挠性铰链6中心的距离。

M是质量块3的质量。

P₁是个标量，其表达式是代数表达式，当加速度Г₁反向时，P₁的方向也随之改变。

当施加加速度Г₁时，拉力或压力P₁会使振梁4的固有谐振频率f₀发生变化，变化量为（△f）₁，则（△f）₁的表达式为：

（△f）₁=k_ff₀ ²/DP₁=k_ff₀ ²/D[L/(E/2-E₅/2]MГ₁=k[L/(E/2-E₅/2]MГ₁

式中，D为传递力P₁的截面宽度；

f₀为振梁的固有谐振频率；

k_f为振梁的拉式系数；

系数k=k_ff₀ ²/D，对同一振梁4来说，k是一定的。

由（△f）₁的表达式知，固有谐振频率f₀的变化量（△f）₁与垂直于面内的加速度Г₁成正比的。当把两个挠性铰链由原来的位于质量块3和支撑座7的背面，改为两个挠性铰链上下两端面的横向中心线分别与质量块3下侧面的横向中心线和支撑座7上侧面的横向中心线连接重合时，力臂减小，则纵向拉力或压力P₁就会增加，振梁的固有谐振频率f₀的变化量（△f）₁也会相应的增加，加速度计的灵敏度提高。

如图4所示，当施加的加速度Г₂方向平行于中心纵轴z’z时，质量块3就会给振梁4施加纵向拉力P₂，给第一挠性铰链5和第二挠性铰链6各施加以纵向压力Q₂，此外振梁4、第一挠性铰链5和第二挠性铰链6还有其他的机械作用，但考虑到这些作用对加速度计的影响非常小，所以为了简化分析，可以将这些作用忽略不计。

对质量块3、第一挠性铰链5和第二挠性铰链6进行力学分析。

P₂=1/2MГ₂

Q₂=1/4MГ₂

P₂、Q₂均是个标量，其表达式是代数表达式，当加速度Г₂反向时，P₂、Q₂的方向也随之改变。

当施加加速度Г₂时，拉力或压力P₂会使振梁4的固有谐振频率f₀发生变化，变化量为（△f）₂，则（△f）₂的表达式为：

（△f）₂=kP₂=k（1/2）MГ₂

当加速度Г₁、加速度Г₂具有相同的数量级时，由于L的大小远大于E-E₅的大小，所以（△f）₁远大于（△f）₂的大小。质量块给振梁施加的纵向拉力或压力P₂很小，可以忽略不计，振梁的固有频率f₀的变化量（△f）₂也可以忽略，纵轴方向施加的加速度Г₂对敏感轴方向的加速度没有影响，这样可以消除纵轴方向的加速度干扰。

如图5所示，当施加的加速度Г₃方向在第三个空间分量上时，质量块3就会给第一挠性铰链5和第二挠性铰链6各施加垂直于中心纵轴z’z的横向弯曲剪切力N₃、横向弯矩V₃，但不会给振梁4施加纵向拉力P₃，此外振梁4、第一挠性铰链5和第二挠性铰链6还有其他的机械作用，但考虑到这些作用对加速度计的影响非常小，所以为了简化分析，可以将这些作用忽略不计。

经过分析可知，振梁4的固有谐振频率f₀也不会发生变化，变化量为（△f）₃=0，横轴方向施加的加速度Г₃对敏感轴方向的加速度没有影响，这样就消除了横轴方向的加速度干扰。

Claims (8)

1.一种一体式的石英振梁加速度计，其特征在于，该加速度计包括固定部分（1）、与所述固定部分（1）连接的一个或两个活动部分，所述活动部分包括质量块（3）、位于所述质量块（3）下方的支撑座（7）、连接所述质量块（3）和支撑座（7）的振梁（4）、第一挠性铰链（5）和第二挠性铰链（6）所述第一挠性铰链（5）和第二挠性铰链（6）对称设置在振梁（4）的两侧，第一挠性铰链（5）和第二挠性铰链（6）的上下两端面的横向中心线分别与质量块（3）下侧面的横向中心线和支撑座（7）上侧面的横向中心线连接重合，所述质量块（3）和支撑座（7）的厚度相同，振梁（4）、第一挠性铰链（5）和第二挠性铰链（6）的厚度，均比质量块（3）和支撑座（7）的厚度小。

2.根据权利要求1所述的石英振梁加速度计，其特征在于，所述质量块（3）和支撑座（7）之间连接设置两个平行的振梁（4）。

3.根据权利要求1或2所述的石英振梁加速度计，其特征在于，所述固定部分（1）、质量块（3）和支撑座（7）均在外部做切角处理。

4.根据权利要求1所述的石英振梁加速度计，其特征在于，所述固定部分（1）与活动部分之间设置有环绕活动部分的隔离框（2），所述隔离框（2）的一端通过第一连接臂（8）与固定部分（1）连接，另一端通过第二连接臂（9）与支撑座（7）连接。

5.根据权利要求4所述的石英振梁加速度计，其特征在于，所述隔离框（2）在外部做切角处理。

6.根据权利要求1、2、4或5所述的石英振梁加速度计，其特征在于，所述固定部分（1）连接两个活动部分，所述两个活动部分并排设置，组成差分结构。

7.根据权利要求1、2、4或5所述的石英振梁加速度计，其特征在于，所述固定部分（1）连接一个活动部分，固定部分（1）为开口向下的U形安装框。

8.根据权利要求1、2、4或5所述的石英振梁加速度计，其特征在于，所述固定部分（1）连接两个活动部分，固定部分（1）为封闭的方形安装框。

Images