CN106226555A - 耐高温石英挠性加速度计 - Google Patents

耐高温石英挠性加速度计 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐高温石英挠性加速度计，包括表头和伺服电路，表头与伺服电路通过导线焊接形成电气连接，伺服电路的外壳与表头通过激光焊接机焊接在一起形成整机；其中所述表头包括表芯、外壳和隔离环，其中表芯包括石英摆片组件、上力矩器和下力矩器，所述上力矩器和下力矩器均包括磁钢，所述磁钢为钐钴磁钢，钐钴磁钢中各元素成分质量比为：钐:钴:铁:铜:锆:镨＝2:25:1.5:0.1:0.05:0.08。本发明的耐高温加速度计可以将加速度计的耐温提高到180℃，并且加速度计的标度因数(K1)的温度系数控制在200ppm/℃以内，在200℃可以工作不小于4小时。

Description

耐高温石英挠性加速度计
技术领域
本发明涉及高精度测量仪器技术领域，特别是一种耐高温石英挠性加速度计。
背景技术
石英挠性加速度计属于力反馈式加速度计，对加速度、速度、距离、摇摆、倾斜、振动等物理量最敏感，是一种敏感加速度的传感器，是惯性导航系统的重要器件之一。
石英挠性加速度计由表头组件和伺服电路组成闭环反馈系统，依据牛顿力学定律工作，通过测量载体所受的惯性力来间接测量载体的加速度。表头组件包括检测质量组件、上力矩器组件和下力矩器组件三个部分。检测质量组件由镀膜石英摆片和粘接在它上面的两个力矩器线圈组成。在摆片上按一定图案蒸镀上金膜，以形成电容传感器的两个电容极板和传感器、力矩器的引线。力矩器线圈和石英摆片的中间叶片部分构成摆质量。经过两个挠性悬置梁，由摆片外圈通过两面的多个凸台，固定连接于两个力矩器组件之间，使摆质量成为一个具有理想的单自由度弹性约束的检测质量。用来敏感载体的直线加速度矢量。磁钢、磁极片和上、下力矩器构成封闭的磁路。它们与检测质量上的两个线圈组成推挽工作的永磁式力矩器。由于摆片外圈凸台的存在，使电容极板与力矩器组件端面间存在气隙，它是个差动电容传感器，又是个压膜阻尼器。
当有加速度或倾斜作用于检测质量时，摆质量因惯性而偏离平衡位置，电容检测器差动地检测摆质量的位移量，并输出与此位移量成正比的电信号，经伺服电路放大处理，向力矩器线圈提供电流，该电流与永久磁铁作用的结果，产生一平衡力，以平衡作用于摆质量的惯性力，使摆质量处于新的平衡位置。力矩器线圈所施加的电流大小代表了输入加速度(或倾斜)大小，而电流方向反映了输入加速度(或倾斜)的方向。
石英挠性加速度计伺服电路，包括差动电容检测器、积分器、跨导/补偿放大器等组成部分。在这个电路中，三角波发生器作为差动电容检测器的载波电源，对信号进行调制。差动电容检测输出与电容传感器的差动输出成正比的电信号。积分器和跨导/补偿放大器对信号进行补偿与校正，改善系统的静动态品质。末级以恒流源形式输给力矩器线圈以再平衡电流。它门与差动电流传感器，以及摆质量一起，构成一个完整的力平衡式闭环系统。
力矩器是石英挠性加速度计的关键部件，为其提供恒定的磁源。耐高温石英挠性加速度计的磁源材料需要满足在高温下表现出优良的磁性能。现有的耐高温石英挠性加速度计，耐高温通常在150℃～180℃，但是产品温度系数偏大，通常达到1000ppm/℃以上,并且一旦超过150℃，产品输出信号的稳定性差，无法满足使用要求。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，本发明提供了一种耐高温石英挠性加速度计。
本发明提供的耐高温石英挠性加速度计，包括表头(1)和伺服电路(2)，表头(1)与伺服电路(2)通过导线焊接形成电气连接，伺服电路(2)的外壳(101)与表头(1)的外壳(101)通过激光焊接机焊接在一起形成整机；
其中所述表头(1)包括表芯(103)、外壳(101)和隔离环(102)，其中表芯(103)包括石英摆片组件、上力矩器和下力矩器，所述上力矩器和下力矩器均包括磁钢(304)，所述磁钢(304)为钐钴磁钢，钐钴磁钢中各元素成分质量比为：钐:钴:铁:铜:锆:镨＝2:25:1.5:0.1:0.05:0.08。
原有的耐高温石英挠性加速度计中，使用的钐钴磁钢中各元素成分质量比为：钐:钴:铁:铜:锆:镨＝2:17:0.5:0.1:0.05:0.08，本发明的磁钢提高了钴和铁的用量比例，可以提高加速度计在高温环境中磁钢性能的稳定性。
优选地，上述耐高温石英挠性加速度计，所述伺服电路(2)为混合集成电路。混合集成电路是现有很成熟的技术，可以直接参照现有技术设计，或者直接购买商品。
优选地，上述耐高温石英挠性加速度计，所述表芯(103)外用胶粘接有隔离环(102)，隔离环(102)通过胶粘接固定在外壳(101)内。
更优选地，上述耐高温石英挠性加速度计，所述胶为耐180℃高温胶(104)。确保产品在180℃的环境中正常工作。
优选地，上述耐高温石英挠性加速度计，所述石英摆片组件置于上力矩器和下力矩器之间，通过腹带(309)连接固定。
优选地，上述耐高温石英挠性加速度计，所述石英摆片组件包括石英摆片(308)，以及在石英摆片(308)两面分别与其胶粘连接的线圈(307)，所述石英摆片(308)上设有一对对称的摆梁，石英摆片(308)上镀有纯度99.99％的金膜。
优选地，上述耐高温石英挠性加速度计，所述上力矩器还包括设有空腔的上轭铁(310)，以及磁极片(306)和补偿环(302)，磁极片(306)粘贴在磁钢(304)靠近石英摆片组件一侧的表面，补偿环(302)设于磁钢(304)远离石英摆片组件一侧的外周，磁极片(306)和部分磁钢(304)容置于所述线圈(307)围成的空腔内，磁钢(304)、磁极片(306)和补偿环(302)均容置于上轭铁(310)的空腔内；上轭铁(310)与石英摆片(308)之间设有一定间隔的空隙以供石英摆片(308)摆动。摆动量的大小即是反应测量到的加速度值的大小。
更优选地，上述耐高温石英挠性加速度计，所述上轭铁(310)靠近石英摆片(308)的一侧设有环状凹槽。设置此环状凹槽可以保证上轭铁与摆片的摆动部分形成面积对等的电容极板。
优选地，上述耐高温石英挠性加速度计，所述下力矩器还包括设有空腔的下轭铁(305)，以及磁极片(306)、补偿环(302)和至少两个接线柱(301)，磁极片(306)粘贴在磁钢(304)靠近石英摆片组件一侧的表面，补偿环(302)设于磁钢(304)远离石英摆片组件一侧的外周，磁极片(306)和部分磁钢(304)容置于所述线圈(307)围成的空腔内，磁钢(304)、磁极片(306)和补偿环(302)均容置于下轭铁(305)的空腔内；下轭铁(305)外表面还设有供接线柱(301)穿出的孔，孔内设有陶瓷柱(303)以隔离接线柱(301)和下轭铁(305)；下轭铁(305)与石英摆片(308)之间设有一定间隔的空隙以供石英摆片(308)摆动，摆动量的大小即是反应测量到的加速度值的大小。
更优选地，上述耐高温石英挠性加速度计，所述下轭铁(305)靠近石英摆片(308)的一侧设有环状凹槽。设置此环状凹槽可以保证下轭铁与摆片的摆动部分形成面积对等的电容极板。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的耐高温石英挠性加速度计可以将加速度计的耐温提高到180℃，并且加速度计的标度因数(K1)的温度系数控制在200ppm/℃以内，在200℃可以工作不小于4小时，抗震性能也更好。
附图说明
图1是本发明实施例1耐高温石英挠性加速度计纵向结构示意图；
图2是本发明实施例1耐高温石英挠性加速度计俯视结构示意图；
图3是本发明实施例1耐高温石英挠性加速度计纵向剖面结构示意图；
附图标记说明：
1-表头；2-伺服电路；101-外壳；102-隔离环；103-表芯；104-耐180℃高温胶；301-接线柱；302-补偿环；303-陶瓷柱；304-磁钢；305-下轭铁；306-磁极片；307-线圈；308-石英摆片；309-腹带；310-上轭铁。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
实施例1耐高温石英挠性加速度计
参见附图1，本发明的耐高温石英挠性加速度计包括表头1和伺服电路2，表头1与伺服电路2通过导线焊接形成电气连接，伺服电路2的外壳与表头1的外壳101通过激光焊接机焊接在一起形成整机。伺服电路2为混合集成电路。
所述表头1包括表芯103、外壳101和隔离环102，表芯103外用耐180℃高温胶104粘接有隔离环102，隔离环102通过耐180℃高温胶104粘接固定在外壳101内。
表芯103包括石英摆片组件、上力矩器和下力矩器，石英摆片组件置于上力矩器和下力矩器之间，通过腹带309连接固定。
石英摆片组件包括石英摆片308，以及在石英摆片308两面分别与其胶粘连接的线圈307。石英摆片308上设有一对对称的摆梁，石英摆片308上镀有纯度为99.99％的金膜，摆片上的信号引出通过镀金膜层或金丝引出到接线柱上。
上力矩器还包括设有空腔的上轭铁310，以及磁极片306和补偿环302，磁极片306粘贴在磁钢304靠近石英摆片组件一侧的表面，补偿环302设于磁钢304远离石英摆片组件一侧的外周，磁极片306和部分磁钢304容置于所述线圈307围成的空腔内，磁钢304、磁极片306和补偿环302均容置于上轭铁310的空腔内；上轭铁310与石英摆片308之间设有一定间隔的空隙以供石英摆片308摆动。上轭铁310靠近石英摆片308的一侧设有环状凹槽。设置此环状凹槽可以保证上轭铁与摆片的摆动部分形成面积对等的电容极板。
下力矩器还包括设有空腔的下轭铁305，以及磁极片306、补偿环302和至少两个接线柱301，磁极片306粘贴在磁钢304靠近石英摆片组件一侧的表面，补偿环302设于磁钢304远离石英摆片组件一侧的外周，磁极片306和部分磁钢304容置于所述线圈307围成的空腔内；磁钢304、磁极片306和补偿环302均容置于下轭铁305的空腔内；下轭铁305外表面还设有供接线柱301穿出的孔，孔内设有陶瓷柱303以隔离接线柱301和下轭铁305；下轭铁305与石英摆片308之间设有一定间隔的空隙以供石英摆片308摆动。下轭铁305靠近石英摆片308的一侧设有环状凹槽。设置此环状凹槽可以保证下轭铁与摆片的摆动部分形成面积对等的电容极板。
所述磁钢304为钐钴磁钢，钐钴磁钢中各元素成分质量比为：钐:钴:铁:铜:锆:镨＝2:25:1.5:0.1:0.05:0.08。
本发明的耐高温石英挠性加速度计工作原理如下:采用电容式传感器，在石英摆片308上按一定要求蒸镀上金膜，此金膜形成传感器的两个电容极板。石英摆片308与粘接在它上面的两个线圈307构成质量检测块，其中线圈307和石英摆片308的中间部分构成摆质量，经过两个挠性摆梁，使摆质量成为一个具有理想单自由弹性约束的检测质量，用来敏感载体的直线加速度计矢量。磁钢304、磁极片306和上、下力矩器形成的封闭磁回路，它们与检测质量上的两个线圈307组成推挽工作的永磁力矩器。石英摆片308的电容极板与力矩器的断面形成了差动电容传感器。当有加速度或倾斜作用于检测质量时，摆质量因惯性而偏离平衡位置，电容检测器差动地检测摆质量的位移量，并输出与此位移量成正比的电信号，经过伺服电路2放大处理，向力矩器线圈307提供电流，该通电线圈307在磁场中的运动产生一个平衡力，以平衡作用于摆质量的惯性力，使摆质量处于新的平衡位置。力矩器线圈307通过的电流大小即代表了输入加速度或倾角的大小，而电流的方向即反映出输入加速度计或倾角的方向。
实施例2耐高温石英挠性加速度计的耐高温性能检测
检测样品为实施例1的耐高温石英挠性加速度计和原有产品。
表1中的两只产品为本公司原有产品耐高温加速度计的测试数据。
表2中的两只产品为表1中的4308-006和4308-007两只产品，将表头部分解剖、分解开，将原先上、下力矩器中使用的磁钢更换为成分更改后的磁钢，其余的生产工艺和测试方法均没有发生改变，其中原先4308-006对应新的产品编号为4312-0006，原先4308-007对应新的编号为4312-0007。
检测方法:
参照《GJB 1037A单轴摆式伺服线加速度计试验方法》标准中的6.3.4“四点翻转试验”中测试方法和试验数据计算方法进行。测试温度点设置为：室温、45℃、65℃、85℃、105℃、125℃、145℃、165℃、180℃共计8个温度点的四点翻转测试数据，然后按照标准中的“试验数据计算方法”计算出每个温度点的偏值(K0)值和标度因数(K1)值，如表1和表4所示。根据计算得到的偏值(K0)值和标度因数(K1)值计算出相邻两个温度点的温度系数(即每段的温度系数值)，如表2和表5所示。最后再计算出室温到125℃和125℃到180℃的温度系数值来表征产品的温度系数特性。
温度系数的计算方法：
设测试温度点T1输出的偏值代号为K0(T1)，对应标度因数代号为K1(T1)。
设测试温度点T2输出的偏值代号为K0(T2)，对应标度因数代号为K1(T2)。
偏值(K0)的温度系数(δK0)计算方法：
标度因数(K1)的温度系数(δK1)计算方法：
如果有公知明确的参考检测标准，需要写明标准的名称，出处等，如果不是公知的检测标准，需要写明怎么检测，怎么判定数值等等。
检测结果如下：
表1.原有产品耐高温检测结果
表2.表1中两只产品对应的每段温度系数
表3.表1中两只产品对应的综合温度系数
表4.实施例1产品耐高温检测结果
表5.表4中两只产品对应的每段温度系数
表6.表4中两只产品对应的综合温度系数
表7.产品4308-006磁钢更换前后温度系数数据比较
表8.产品4308-007磁钢更换前后温度系数数据比较
通过表7和表8的数据对比，我们可以看到更改磁钢材料成分后产品的偏置(K0)和标度因数(K1)温度系数值均优于更改前的温度系数值，尤其是标度因数K1的温度系数在温度高于125℃的温度下测试得到的值有非常大的提高。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种耐高温石英挠性加速度计，包括表头(1)和伺服电路(2)，表头(1)与伺服电路(2)通过导线焊接形成电气连接，伺服电路(2)的外壳与表头(1)的外壳(101)通过激光焊接机焊接在一起形成整机；
其中所述表头(1)包括表芯(103)、外壳(101)和隔离环(102)，其中表芯(103)包括石英摆片组件、上力矩器和下力矩器，所述上力矩器和下力矩器均包括磁钢(304)，其特征在于，所述磁钢(304)为钐钴磁钢，钐钴磁钢中各元素成分质量比为：钐:钴:铁:铜:锆:镨＝2:25:1.5:0.1:0.05:0.08。
2.根据权利要求1所述的耐高温石英挠性加速度计，其特征在于，所述伺服电路(2)为混合集成电路。
3.根据权利要求1所述的耐高温石英挠性加速度计，其特征在于，所述表芯(103)外用胶(104)粘接有隔离环(102)，隔离环(102)通过胶(104)粘接固定在外壳(101)内。
4.根据权利要求3所述的耐高温石英挠性加速度计，其特征在于，所述胶为耐180℃高温胶(104)。
5.根据权利要求1所述的耐高温石英挠性加速度计，其特征在于，所述石英摆片组件置于上力矩器和下力矩器之间，通过腹带(309)连接固定。
6.根据权利要求5所述的耐高温石英挠性加速度计，其特征在于，所述石英摆片组件包括石英摆片(308)，以及在石英摆片(308)两面分别与其胶粘连接的线圈(307)；所述石英摆片(308)上设有一对对称的摆梁，石英摆片(308)上镀有纯度为99.99％的金膜。
7.根据权利要求6所述的耐高温石英挠性加速度计，其特征在于，所述上力矩器还包括设有空腔的上轭铁(310)，以及磁极片(306)和补偿环(302)，磁极片(306)粘贴在磁钢(304)靠近石英摆片组件一侧的表面，补偿环(302)设于磁钢(304)远离石英摆片组件一侧的外周，磁极片(306)和部分磁钢(304)容置于所述线圈(307)围成的空腔内，磁钢(304)、磁极片(306)和补偿环(302)均容置于上轭铁(310)的空腔内；上轭铁(310)与石英摆片(308)之间设有一定间隔的空隙以供石英摆片(308)摆动。
8.根据权利要求7所述的耐高温石英挠性加速度计，其特征在于，所述上轭铁(310)靠近石英摆片(308)的一侧设有环状凹槽。
9.根据权利要求6所述的耐高温石英挠性加速度计，其特征在于，所述下力矩器还包括设有空腔的下轭铁(305)，以及磁极片(306)、补偿环(302)和至少两个接线柱(301)，磁极片(306)粘贴在磁钢(304)靠近石英摆片组件一侧的表面，补偿环(302)设于磁钢(304)远离石英摆片组件一侧的外周，磁极片(306)和部分磁钢(304)容置于所述线圈(307)围成的空腔内，磁钢(304)、磁极片(306)和补偿环(302)均容置于下轭铁(305)的空腔内；下轭铁(305)外表面还设有供接线柱(301)穿出的孔，孔内设有陶瓷柱(303)以隔离接线柱(301)和下轭铁(305)；下轭铁(305)与石英摆片(308)之间设有一定间隔的空隙以供石英摆片(308)摆动。
10.根据权利要求9所述的耐高温石英挠性加速度计，其特征在于，所述下轭铁(305)靠近石英摆片(308)的一侧设有环状凹槽。
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