CN106918720B - 一种细丝约束型加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种细丝约束型加速度传感器，所述细丝约束型加速度传感器包括表头和信号处理电路，其中，所述表头包括壳体、磁回路、检测质量块、位置检测装置、约束细丝；所述检测质量块悬置于壳体中，两者之间通过约束细丝相互张紧连接，磁回路设置于壳体内，检测质量块在磁回路的作用下沿加速度敏感轴方向运动，检测质量块与位置检测装置均与信号处理电路相连，信号处理电路给检测质量块施加电流，位置检测装置用于检测检测质量块在其平衡点处的偏移。本发明使用高强度细丝约束检测质量块运动自由度，克服了传统约束方式振动模态复杂的缺点，有利于提升加速度传感器测量精度。

Description

一种细丝约束型加速度传感器

技术领域

本发明涉及一种加速度传感器，尤其涉及一种细丝约束型加速度传感器，属于测量仪器技术领域。

背景技术

加速度传感器是惯性导航系统的核心器件。现有个别高精度加速度计的精度可以达到10^-7g，但是存在量程小、体积大、结构复杂的缺点，无法在捷联惯性导航系统中使用。石英挠性加速度传感器是目前精度最高的轻小型加速度传感器，也是在捷联惯性导航系统中应用最为广泛的加速度传感器，其短时精度可以达到3×10^-6g。然而在进一步提升石英挠性加速度传感器精度的过程中可以发现，石英挠性摆片具有振动模态复杂的缺点，容易耦合非敏感轴的加速度输入，从而限制了其精度的进一步提升。由此可见，改变传统石英挠性加速度传感器的支撑方式势在必行，是提升轻小型加速度传感器精度的关键。

石英摆片是石英挠性加速度传感器的核心器件，对敏感质量块形成柔软的挠性支撑，使敏感质量块能绕挠性梁的枢轴转动。当装有石英挠性加速度传感器的载体产生加速度时，敏感质量块感应到此加速度，产生一个转动力矩，并将此力矩传递给挠性梁。此时力矩器的永磁动圈产生电磁力矩，如果这个电磁力矩与摆片组件的惯性力受力作用点不重合，产生了偏离，则挠性梁需承担整个扭转力矩。扭转力矩会使石英摆片产生复杂的振动模态，使敏感质量块发生扭转。复杂的振动模态将导致安装环受到的干扰力矩传递到检测质量块上，导致石英挠性加速度传感器的稳定性和精度变差。目前已有很多学者使用有限元方法对石英摆片进行静态分析和模态分析，研究挠性杆结构变化对加速度传感器性能的影响，并据此改善加速度传感器的性能。然而，使用细丝约束取代石英摆片约束可从根本上解决振动模态复杂的问题，其相关研究还未见有报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于解决传统石英加速度传感器中石英摆片振动模态复杂的问题，提供一种高精度细丝约束型加速度传感器。

为实现上述目的，本发明采用以下设计方案：一种细丝约束型加速度传感器，所述细丝约束型加速度传感器包括表头和信号处理电路，其中，所述表头包括壳体、磁回路、检测质量块、位置检测装置、约束细丝；所述检测质量块悬置于壳体中，两者之间通过约束细丝相互张紧连接，磁回路设置于壳体内，检测质量块在磁回路的作用下沿加速度敏感轴方向运动，检测质量块与位置检测装置均与信号处理电路相连，信号处理电路给检测质量块施加电流，位置检测装置用于检测检测质量块在其平衡点处的偏移。

进一步的，所述检测质量块包括力矩器线圈和力矩器骨架，所述力矩器线圈卷绕在力矩器骨架的外壁，所述力矩器骨架中部开有通孔；所述力矩器线圈与信号处理电路相连。

进一步的，所述信号处理电路包括差分电容检测模块、处理器模块、电流加矩模块；差分电容检测模块和电流加矩模块均与处理器模块相连；差分电容检测模块与位置检测装置相连，用于检测检测质量块的偏移；电流加矩模块与力矩器线圈相连，用于控制线圈中电流的大小；处理器模块接收差分电容检测模块的输出信号，并将输出信号经过PID控制算法处理，得到反馈控制信号，反馈控制信号驱动电流加矩模块，使电流加矩模块给力矩器线圈施加反馈电流，从而产生反馈力矩使检测质量块保持在平衡位置，所述信号处理电路输出的反馈控制信号用以表征加速度测量值。

进一步的，所述磁回路包括一对轭铁、一对磁钢、一对补偿环、磁极片，一对轭铁呈上下相对布置固定在壳体内，轭铁上开有空腔，每个空腔中安装一个磁钢，磁钢与空腔内壁的接触处设置补偿环，磁极片设置在两个磁钢之间；力矩器骨架套在两个磁钢外，力矩器骨架与磁钢同轴心但不接触。

进一步的，所述补偿环由磁温度补偿合金制成。

进一步的，所述力矩器骨架的上端和下端均通过约束细丝与壳体张紧连接。

进一步的，至少两根约束细丝平行排布构成一组细丝约束组，检测质量块与壳体之间至少通过三组细丝约束组张紧连接，细丝约束组绕检测质量块周向均匀分布。

进一步的，所述位置检测装置包括定极板和动极板，所述定极板固定在轭铁上，所述动极板固定在力矩器骨架上，所述定极板和动极板均与信号处理电路相连。

进一步的，所述约束细丝的材料为凯夫拉、碳纤维或尼龙；所述约束细丝的直径小于1毫米。

本发明的有益效果是：由于本发明中加速度传感器的检测质量块采用高强度细丝约束，单根约束细丝能真正实现非轴向零刚度约束，而约束细丝组合则能很好的达到敏感轴方向零刚度、非敏感轴方向刚度接近无穷大的目的，从而有效提升加速度传感器的灵敏度。另外约束细丝的振动模态相对于石英摆片更为简单，在不增加加速度传感器体积、重量的前提下，克服了传统约束方式振动模态复杂的缺点，有利于减少干扰力矩影响，提升加速度传感器的精度。最后由于本发明中约束细丝采用高强度轻质材料，相比于石英材料更有利于提升加速度传感器的抗冲击能力，从而满足高g值冲击环境下的使用需求。

附图说明

图1为细丝约束型加速度传感器总体结构示意图；

图2为细丝约束型加速度传感器磁回路结构示意图；

图3为细丝约束型加速度传感器检测质量块结构示意图；

图4为细丝约束型加速度传感器位置检测装置结构示意图；

图5为细丝约束型加速度传感器细丝连接示意图；

图中：表头1、信号处理电路2、壳体11、磁回路12、检测质量块13、位置检测装置14、约束细丝15、轭铁121、磁钢122、补偿环123、磁极片124、力矩器线圈131、力矩器骨架132、定极板141、动极板142。

具体实施方案

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更见清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所述实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，一种细丝约束型加速度传感器，包括表头1和信号处理电路2，其中，所述表头1包括壳体11、磁回路12、检测质量块13、位置检测装置14、约束细丝15；所述检测质量块13悬置于壳体11中，两者之间通过约束细丝15相互张紧连接，磁回路12设置于壳体11内，检测质量块13在磁回路12的作用下沿加速度敏感轴方向运动，检测质量块13与位置检测装置14均与信号处理电路2相连，信号处理电路2给检测质量块13施加电流，位置检测装置14用于检测检测质量块13在其平衡点处的偏移。工作状态下，外界加速度沿加速度传感器的输入轴作用，由此产生的惯性力作用于检测质量块13，导致其位置发生变化，从而引起位置检测装置14的电容值变化。利用信号处理电路2检测这一变化，产生相应的反馈电流反馈至力矩器线圈131，从而产生电磁力矩，使得检测质量块13重新回到平衡状态。在力平衡状态下，作用于检测质量块13上的惯性力与力矩器线圈131产生的电磁力平衡，因此信号处理电路2输出的反馈信号表征了加速度测量值。

如图3所示，检测质量块13包括力矩器线圈131和力矩器骨架132，所述力矩器线圈131卷绕在力矩器骨架132的外壁，所述力矩器骨架132中部开有通孔；所述力矩器线圈131与信号处理电路2相连。力矩器骨架132与磁钢122同轴心且不接触，检测质量块13由约束细丝15进行约束，使所述检测质量块13只能沿加速度敏感轴运动；力矩器线圈131由信号处理电路2驱动在均匀间隙磁场中做切割磁感线运动。

所述信号处理电路2包括差分电容检测模块、处理器模块、电流加矩模块，差分电容检测模块和电流加矩模块均与处理器模块相连；差分电容检测模块与位置检测装置14相连，用于检测检测质量块13的偏移；电流加矩模块与力矩器线圈131相连，用于控制线圈中电流的大小；处理器模块接收差分电容检测模块的输出信号，并将输出信号经过PID控制算法处理，得到反馈控制信号，反馈控制信号驱动电流加矩模块，使电流加矩模块给力矩器线圈131施加反馈电流，从而产生反馈力矩使检测质量块13保持在平衡位置，所述信号处理电路2输出的反馈控制信号用以表征加速度测量值。所述差分电容检测模块采用HJ155芯片，但不限于此；所述处理器模块采用SPARTAN-6芯片，但不限于此；所述电流加矩模块采用DAC8832芯片和MAX6325芯片，但不限于此。

如图2所示，所述磁回路12包括一对轭铁121、一对磁钢122、一对补偿环123、磁极片124，一对轭铁121呈上下相对布置固定在壳体11内，轭铁121上开有空腔，每个空腔中安装一个磁钢122，磁钢122与空腔内壁的接触处设置补偿环123，磁极片124设置在两个磁钢122之间；力矩器骨架132套在两个磁钢122外，力矩器骨架132与磁钢122同轴心但不接触。磁钢122粘贴在上、下轭铁121的中心轴上，形成磁极相互对顶的轴向充磁磁路结构，从而在间隙中形成永久磁场。这种强行磁极对顶结构基本上消除了轴向磁漏，磁力线大都被挤压在工作气隙间，从而在轭铁121与磁钢122之间形成均匀间隙磁场。磁极片124采用磁导率极高的1J50合金，具有聚集磁钢122产生的磁力线作用，使磁场更加集中。补偿环123由磁温度补偿合金制成，其饱和磁感应强度在一定环境温度范围内随温度升高而呈线性急剧下降，磁阻增大。当温度升高时，磁钢122永磁体因具有可逆温度系数，其磁感应强度下降，使得工作气隙的磁感应强度也有所下降。由于补偿环123的饱和磁感应强度随温度升高而下降得更快，使得原来经它分流的磁通有一部分通不过而只好改道通过工作间隙，这又使得工作气隙磁感应强度有所提高，从而保证了工作气隙的磁感应强度稳定。

如图5所示，所述力矩器骨架132的上端和下端均通过约束细丝15与壳体11张紧连接，所述约束细丝15的材料为凯夫拉、碳纤维或尼龙，所述约束细丝15的直径小于1毫米。至少两根约束细丝15平行排布构成一组细丝约束组，检测质量块13与壳体11之间至少通过三组细丝约束组张紧连接，细丝约束组绕检测质量块13周向均匀分布。每一根约束细丝15可对检测质量块13的细丝轴向方向上的运动自由度进行约束，平行约束细丝15对所述检测质量块13的旋转自由度进行约束，垂直约束细丝15对所述检测质量块13的平面运动自由度进行约束，从而使检测质量块13只能沿加速度敏感轴运动。

如图4所示，所述位置检测装置14包括定极板141和动极板，所述定极板141固定在轭铁121上，所述动极板固定在力矩器骨架132上，所述定极板141和动极板均与信号处理电路2相连。当检测质量块13在均匀间隙磁场中沿加速度敏感轴方向运动，动极板与定极板141形成的差分电容信号可反映所述检测质量块13与所述轭铁121的相对运动位移。

由于本发明中加速度传感器的检测质量块13采用高强度细丝约束，单根约束细丝15能真正实现非轴向零刚度约束，而约束细丝15组合则能很好的达到敏感轴方向零刚度、非敏感轴方向刚度接近无穷大的目的，从而有效提升加速度传感器的灵敏度。另外约束细丝15的振动模态相对于石英摆片更为简单，在不增加加速度传感器体积、重量的前提下，克服了传统约束方式振动模态复杂的缺点，有利于减少干扰力矩影响，提升加速度传感器的精度。最后由于本发明中约束细丝15采用高强度轻质材料，相比于石英材料更有利于提升加速度传感器的抗冲击能力，从而满足高g值冲击环境下的使用需求。

本技术领域的人员根据本发明所提供的文字描述、附图以及权利要求书能够很容易在不脱离权利要求书所限定的本发明的思想和范围条件下，可以做出多种变化和改动。凡是依据本发明的技术思想和实质对上述实施例进行的任何修改、等同变化，均属于本发明的权利要求所限定的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种细丝约束型加速度传感器，其特征在于：它包括表头（1）和信号处理电路（2），其中，所述表头（1）包括壳体（11）、磁回路（12）、检测质量块（13）、位置检测装置（14）、约束细丝（15）；所述检测质量块（13）悬置于壳体（11）中，两者之间通过约束细丝（15）相互张紧连接，磁回路（12）设置于壳体（11）内，检测质量块（13）在磁回路（12）的作用下沿加速度敏感轴方向运动，检测质量块（13）与位置检测装置（14）均与信号处理电路（2）相连，信号处理电路（2）给检测质量块（13）施加电流，位置检测装置（14）用于检测检测质量块（13）在其平衡点处的偏移；至少两根约束细丝（15）平行排布构成一组细丝约束组，检测质量块（13）与壳体（11）之间至少通过三组细丝约束组张紧连接，细丝约束组绕检测质量块（13）周向均匀分布。

2.根据权利要求1所述的细丝约束型加速度传感器，其特征在于：所述检测质量块（13）包括力矩器线圈（131）和力矩器骨架（132），所述力矩器线圈（131）卷绕在力矩器骨架（132）的外壁，所述力矩器骨架（132）中部开有通孔；所述力矩器线圈（131）与信号处理电路（2）相连。

3.根据权利要求2所述的细丝约束型加速度传感器，其特征在于：所述信号处理电路（2）包括差分电容检测模块、处理器模块、电流加矩模块；差分电容检测模块和电流加矩模块均与处理器模块相连；差分电容检测模块与位置检测装置（14）相连，用于检测检测质量块（13）的偏移；电流加矩模块与力矩器线圈（131）相连，用于控制线圈中电流的大小；处理器模块接收差分电容检测模块的输出信号，并将输出信号经过PID控制算法处理，得到反馈控制信号，反馈控制信号驱动电流加矩模块，使电流加矩模块给力矩器线圈（131）施加反馈电流，从而产生反馈力矩使检测质量块（13）保持在平衡位置，所述信号处理电路（2）输出的反馈控制信号用以表征加速度测量值。

4.根据权利要求2所述的细丝约束型加速度传感器，其特征在于：所述磁回路（12）包括一对轭铁（121）、一对磁钢（122）、一对补偿环（123）、磁极片（124），一对轭铁（121）呈上下相对布置固定在壳体（11）内，轭铁（121）上开有空腔，每个空腔中安装一个磁钢（122），磁钢（122）与空腔内壁的接触处设置补偿环（123），磁极片（124）设置在两个磁钢（122）之间；力矩器骨架（132）套在两个磁钢（122）外，力矩器骨架（132）与磁钢（122）同轴心但不接触。

5.根据权利要求4所述的细丝约束型加速度传感器，其特征在于：所述补偿环（123）由磁温度补偿合金制成。

6.根据权利要求2所述的细丝约束型加速度传感器，其特征在于：所述力矩器骨架（132）的上端和下端均通过约束细丝（15）与壳体（11）张紧连接。

7.根据权利要求2所述的细丝约束型加速度传感器，其特征在于：所述位置检测装置（14）包括定极板（141）和动极板（142），所述定极板（141）固定在轭铁（121）上，所述动极板（142）固定在力矩器骨架（132）上，所述定极板（141）和动极板（142）均与信号处理电路（2）相连。

8.根据权利要求1所述的细丝约束型加速度传感器，其特征在于：所述约束细丝（15）的材料为凯夫拉、碳纤维或尼龙。

9.根据权利要求1或8所述的细丝约束型加速度传感器，其特征在于：所述约束细丝（15）的直径小于1毫米。