CN105242324B - 基于空间十字挠性支撑结构的相对重力敏感装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于空间十字挠性支撑结构的相对重力敏感装置，包括由外框、外框顶部的盖板和外框底部的基板构成的密闭腔体；盖板的底部设有上环形极板，基板固定有下环形极板，上下环形极板同轴布置；密闭腔体内设有摆锤，摆锤包括左锤体和右锤体，左锤体和右锤体之间通过一十字挠性支撑部件连接；左锤体位于上环形极板和下环形极板的中间位置，左锤体的下部固定有磁钢和导磁帽；下环形极板内设有固定在基板上的线圈组件；线圈组件处在磁钢的外围，磁钢与线圈组件同轴布置，左锤体、磁钢和导磁帽组成了本发明相对重力敏感装置的质量块；右锤体固定在基板右方的斜面上。本发明具有体积小、灵敏度高、稳定性好等优点。

Description

基于空间十字挠性支撑结构的相对重力敏感装置

技术领域

本发明属于重力加速度测量仪器领域，具体是一种基于空间十字挠性支撑结构的相对重力敏感装置。

背景技术

重力场是地球固有的物理属性。重力仪通过对重力的监测，可以提供地壳运动、资源勘查、地震预报等所需要的基本信息，还可以得出局域重力场分布图，为导弹精密轨道测定、潜艇无源导航、卫星发射等提供必要的数据。

重力仪分为相对重力仪和绝对重力仪。相对重力仪是指测量重力加速度g的相对变化，需要标定后才能得出绝对重力值。多数相对重力仪采用零长弹簧或超导原理，可以达到较高精度，但通常体积庞大，结构复杂，造价昂贵。绝对重力仪多采用抛物法和原子干涉法。抛物法测量绝对重力的基本原理是根据落体在某一时间内下落或上升的距离得到绝对重力加速度g的大小。这种方法精度高，但会受到很多干扰因素的影响，如大地脉动、真空度、落体下偏摆等问题。

因此，研制高精度小型化的相对重力仪具有重要意义。

发明内容

现有重力仪多采用零长弹簧结构，针对零长弹簧制造工艺复杂、易受温度影响、体积大等问题，本发明提供一种基于空间十字挠性支撑结构的相对重力敏感装置，其核心组件是呈十字支撑的单晶硅片，具有体积小、灵敏度高、稳定性好等优点。

为了解决上述技术问题，本发明出的一种基于空间十字挠性支撑结构的相对重力敏感装置，包括由外框、外框顶部的盖板和外框底部的基板构成的密闭腔体；所述盖板的底部设有上环形极板，所述基板固定有下环形极板，所述上环形极板和所述下环形极板同轴布置；所述基板上位于密闭腔体内的右方设有一凸台，所述凸台的右端设有一与水平方向呈30°的斜面；所述密闭腔体内设有摆锤，所述摆锤包括左锤体和右锤体，所述左锤体和右锤体之间通过一十字挠性支撑部件连接；所述左锤体位于所述上环形极板和所述下环形极板的中间位置，所述左锤体的下部设有上凹的圆柱空腔，所述圆柱空腔内固定有磁钢，所述磁钢上设有导磁帽；所述下环形极板内设有线圈组件，所述线圈组件由线圈骨架和导线构成；所述线圈组件处在所述磁钢的外围，所述磁钢与所述线圈组件同轴布置，所述线圈组件固定在所述基板上；所述右锤体固定在基板右方的斜面上；所述十字挠性支撑部件由第一硅片、第二硅片和第三硅片构成，所述第一硅片和第三硅片的宽度分别都是第二硅片宽度的二分之一；所述第一硅片和第三硅片分别侧立在第二硅片的两端，所述第一硅片、第二硅片和第三硅片的布局是：从所述第二硅片的侧立面投影是呈十字形；所述第一硅片和第三硅片的中间区域为镀金区域；所述第一硅片和所述第三硅片的同一端及所述第二硅片的一端与所述左锤体连接，所述第一硅片、所述第二硅片和所述第三硅片的另一端均与所述右锤体连接。

进一步讲，本发明基于空间十字挠性支撑结构的相对重力敏感装置，其中，所述导磁帽、所述外框、所述基板、所述盖板、所述摆锤的材料相同，均采用低膨胀铁镍合金材料。

所述盖板和所述基板上分别设有用于安装绝缘子的通孔；所述上环形极板和下环形极板均采用氧化铝陶瓷，所述上环形极板和下环形极板的表面镀金，从而起到电容极板的作用，由镀金部分引导线连接至绝缘子的一端使用时，所述绝缘子的另一端连接至再平衡回路。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

由上述本发明提供的技术方案可以看出，摆锤的右锤体5固定在基板7的30度斜面上。而摆锤的左右两部分锤体通过由硅片构成的十字挠性支撑部件连接，而且硅片与各锤体的固定通过螺钉和压块实现。构成十字挠性支撑部件的三块硅片的分布位置为：前后两面竖直放置窄硅片，中间放置宽硅片。三张硅片在空间分布方式如图3所示，存在两交点，要通过减轻或加重摆锤的右锤体5来调节其重心位置与硅片交点在同一水平面。左锤体14内有圆柱空腔，用来放置磁钢13和导磁帽12，左锤体14、磁钢13和导磁帽12组成了本发明相对重力敏感装置的质量块。本发明的核心组件是呈十字支撑的单晶硅片，具有体积小、灵敏度高、稳定性好等优点。

附图说明

图1是本发明相对重力敏感装置的主视图；

图2是图1所示相对重力敏感装置的俯视图；

图3是本发明中十字支撑部件空间位置示意图；

图4-1是本发明中摆锤左半部分左视图；

图4-2是本发明中摆锤右半部分右视图。

其中：

1-上环形极板 2-盖板 3-外框 4-十字挠性支撑部件

5-右锤体 6-固定螺钉 7-基板 8-圆盖

9、17、23-紧固螺钉孔 10-下环形极板 11-线圈组件 12-导磁帽

13-磁钢 14-左锤体 15-第一绝缘子孔 16-第二绝缘子孔

18-第一硅片 19-第二硅片 20-第三硅片 21-镀金区域

22-调节孔

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

如图1和图2所示，本发明一种基于空间十字挠性支撑结构的相对重力敏感装置，包括由外框3、外框顶部的盖板2和外框底部的基板7构成的密闭腔体，外框3的底部设四个螺纹孔9，方便将该装置固定在被测载体上。所述盖板2上设有紧固螺钉孔17，通过螺钉与外框3固定。

所述盖板2的底部设有上环形极板1，所述盖板2的下方有阶梯孔，用来放置并固定上环形极板1。

所述基板7固定有下环形极板10，所述上环形极板1和所述下环形极板10同轴布置。

所述密闭腔体内设有摆锤，所述摆锤包括左锤体14和右锤体5，所述左锤体14和右锤体5之间通过一十字挠性支撑部件4连接，右锤体5是固定在基板7上的(如图4-2所示，在右锤体5和基板对应的位置处设有紧固螺钉孔23，通过固定螺钉将右锤体5固定在基板7上)，左锤体14可上下移动，如图4-1所示，左锤体14的左侧面上设计两个调节孔，该两个调节孔22设计为螺纹孔，通过与螺纹孔装配的螺钉的质量来调节摆锤的中心位置。

所述左锤体14位于所述上环形极板1和所述下环形极板10的中间位置，左锤体14与上、下环形极板1和10构成差分电容；所述左锤体14的下部设有上凹的圆柱空腔，所述圆柱空腔内固定有磁钢13，所述磁钢13上设有导磁帽12；本发明中将磁钢13置于摆锤的内部，磁钢13的材料应选用可以提供强磁场的永磁材料，作为一种优选实施方式选用钐钴。所述磁钢13为钐钴材料构成的圆柱体，上下分别由摆锤和导磁帽12定位。磁钢13介于摆锤和导磁帽13中间，为了固定，磁钢13与摆锤内孔(即圆柱空腔)和导磁帽12均为过盈配合。所述磁钢13使用前要清除所有毛刺，在放大镜下检查圆周和端面不允许有裂纹。另外，所述磁钢13应先去磁，再沿轴向冲磁。所述导磁帽12与外框3的材料相同，所述导磁帽12与磁钢13通过环氧树脂粘接，所述导磁帽12的作用是改变磁感线的分布。

所述下环形极板10内设有线圈组件11，所述线圈组件11由线圈骨架和导线构成，所述线圈骨架为硬铝LY12构成的类圆柱体，其各面均进行表面绝缘氧化处理，所述线圈骨架的表面开有槽，用于缠绕线圈，所述线圈骨架的上表面有焊盘，用于固定并引出导线。

所述线圈组件11处在所述磁钢13的外围，所述磁钢13与所述线圈组件11同轴布置，所述线圈组件11固定在所述基板7上。如图1所示，基板7的左面有一个阶梯孔，第一台阶用来放置下环形极板10，第二台阶用来固定线圈组件11，第三台阶用于放置用来封底的圆盖8，所述圆盖8与外框3的材料相同，通过四个螺钉与基板7的下表面连接，圆盖8的下方设有用来走线的方形槽。环形极板10、线圈组件11和圆盖8均与磁钢13的中心轴重合。

为了提高摆锤的振动特性，基板7的右面设计为斜面，即，在所述基板7上且位于密闭腔体内的右方设有一凸台，所述凸台的右端设有一与水平方向呈30°的斜面，斜面上设计两个用来固定摆锤的右锤体5的螺纹孔。

如图3所示，所述十字挠性支撑部件4由第一硅片18、第二硅片19和第三硅片20构成，所述第一硅片18和第三硅片20的宽度分别都是第二硅片19宽度的二分之一；

所述第一硅片18和第三硅片20分别侧立在第二硅片19的两端，所述第一硅片18、第二硅片19和第三硅片20的布局是：从所述第二硅片19的侧立面投影(如图3中箭头所示投影方向)是呈十字形；所述第一硅片18和第三硅片20的中间区域为镀金区域以完成电路的导通；所述第一硅片18和所述第三硅片20的同一端及所述第二硅片19的一端与所述左锤体14连接，所述第一硅片18、所述第二硅片19和所述第三硅片20的另一端均与所述右锤体5连接。上述的第一、第二和第三硅片采用具有较好的弯曲性能，同时又对重力的变化有较高敏感度的材料，作为一种优选实施方式选用0.1mm厚的单晶硅材料，通过材料处理使其至少可以弯曲30度而不折断。

所述导磁帽12、所述外框3、所述基板7、所述盖板2的材料相同，均采用低膨胀铁镍合金材料,该材料不但具有良好的抗腐蚀性，而且还可以避免壳体内部受到外界电磁干扰影响，作为一种优选实施方式选用4j36铁镍合金。

所述盖板2和所述基板7上分别设有用于安装不同规格绝缘子(以第一绝缘子和第二绝缘子来区别)的通孔，如图2所示，第一绝缘子通孔15和第二绝缘子通孔16；所述绝缘子由內柱、绝缘玻璃和外套组成，并通过孔穿插在盖板2和基板7上。所述上环形极板1和下环形极板10均采用氧化铝陶瓷，所述上环形极板1和下环形极板10的表面镀金，从而起到电容极板的作用，由镀金部分引导线连接至绝缘子的一端，使用时，所述绝缘子的另一端连接至再平衡回路。

本发明所述重力敏感装置的工作原理如下：

当重力场发生变化时，摆锤的左锤体14会在十字挠性支撑部件的支撑下发生上下摆动，从而导致摆锤与上、下环形极板1和10组成的差分电容的电容值由于间隙的改变而改变，通过再平衡回路检测变化的电容值，并反馈相应的电流值到线圈组件11中，最后通过力矩器产生的安培力使摆锤恢复到平衡位置，通过力矩器线圈电流值来检测重力的变化。本发明提供一种新型的重力敏感器结构，核心组件是呈十字支撑的单晶硅片组件，具有体积小、灵敏度高、稳定性好等优点。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种基于空间十字挠性支撑结构的相对重力敏感装置，包括由外框(3)、外框顶部的盖板(2)和外框底部的基板(7)构成的密闭腔体；其特征在于：

所述盖板(2)的底部设有上环形极板(1)，所述基板(7)固定有下环形极板(10)，所述上环形极板(1)和所述下环形极板(10)同轴布置；

所述基板(7)上位于密闭腔体内的右方设有一凸台，所述凸台的右端设有一与水平方向呈30°的斜面；

所述密闭腔体内设有摆锤，所述摆锤包括左锤体(14)和右锤体(5)，所述左锤体(14)和右锤体(5)之间通过一十字挠性支撑部件(4)连接；

所述左锤体(14)位于所述上环形极板(1)和所述下环形极板(10)的中间位置，所述左锤体(14)的下部设有上凹的圆柱空腔，所述圆柱空腔内固定有磁钢(13)，所述磁钢(13)上设有导磁帽(12)；所述下环形极板(10)内设有线圈组件(11)，所述线圈组件(11)由线圈骨架和导线构成；所述线圈组件(11)处在所述磁钢(13)的外围，所述磁钢(13)与所述线圈组件(11)同轴布置，所述线圈组件(11)固定在所述基板(7)上；

所述右锤体(5)固定在基板(7)右方的斜面上；

所述十字挠性支撑部件(4)由第一硅片(18)、第二硅片(19)和第三硅片(20)构成，所述第一硅片(18)和第三硅片(20)的宽度分别都是第二硅片(19)宽度的二分之一；

所述第一硅片(18)和第三硅片(20)分别侧立在第二硅片(19)的两端，所述第一硅片(18)、第二硅片(19)和第三硅片(20)的布局是：从所述第二硅片(19)的侧立面投影是呈十字形；所述第一硅片(18)和第三硅片(20)的中间区域为镀金区域；所述第一硅片(18)和所述第三硅片(20)的同一端及所述第二硅片(19)的一端与所述左锤体(14)连接，所述第一硅片(18)、所述第二硅片(19)和所述第三硅片(20)的另一端均与所述右锤体(5)连接。

2.根据权利要求1所述一种基于空间十字挠性支撑结构的相对重力敏感装置，其特征在于，所述导磁帽(12)、所述外框(3)、所述基板(7)、所述盖板(2)、所述摆锤的材料相同，均采用低膨胀铁镍合金材料。

3.根据权利要求1所述一种基于空间十字挠性支撑结构的相对重力敏感装置，其特征在于，所述盖板(2)和所述基板(7)上分别设有用于安装绝缘子的通孔；所述上环形极板(1)和下环形极板(10)均采用氧化铝陶瓷，所述上环形极板(1)和下环形极板(10)的表面镀金，从而起到电容极板的作用，由镀金部分引导线连接至绝缘子的一端。

4.根据权利要求3所述一种基于空间十字挠性支撑结构的相对重力敏感装置，其特征在于，使用时，通过再平衡回路测量两极板间的电容差来检测重力的变化。