CN106969827A - 一种基于石英晶体谐振器的微振动测量方法 - Google Patents

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宋开臣
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Abstract

本发明公开了一种基于石英晶体谐振器的微振动测量方法，它依据石英晶体谐振器的力—频效应，即当石英晶体谐振器的振子受力(或应变)的作用时，谐振器的谐振频率会随力的改变而线性变化。本发明的核心为将微振动转换为石英晶体的应变，使石英晶体谐振器产生频偏，通过测频偏得到被测的微振动量。本发明微振动测量方法具有功耗低、精度高、数字化、结构简单易实现、加工成本低的特点。

Description

一种基于石英晶体谐振器的微振动测量方法
技术领域
本发明属于微振动测量领域，具体涉及一种基于石英晶体谐振器的微振动测量方法。
背景技术
微振动一般是指结构本体受到环境变化、外部冲击力、其他工作机构运动的影响产生的低g值振动。随着航空航天技术的发展，在利用卫星进行遥感侦察精密定位等领域，测量精度需求不断地提高，微振动测量与抑制技术已经作为关键技术，得到了各国航空航天人的重视，包括我国在内的各国航天机构纷纷建立相关研究实验室进行相关技术的探索，以寻求新的解决方案和技术途径。
目前，常用的测量方式有基于应变效应的测量、光学干涉、激光振动测量、高精度机械加速度计，因其具有体积大、功耗高、成本高等因素，在航空航天应用中受到了一定的限制。
石英晶体谐振器以其高Q值、高频率稳定度被广泛应用于频率控制和通讯等领域。在实际应用中，石英谐振器的谐振频率不仅取决于谐振器的几何尺寸，同时还受到诸如温度、湿度、力、加速度和振动、磁场、电场以及辐射等环境因素的影响。这些环境因素的变化都会不同程度地引起石英谐振器谐振频率的变化。这些因素中，力、加速度和振动等对石英谐振器谐振频率的影响都是通过力—频效应起作用的。力—频效应就是当石英谐振器受到外加作用力、加速度和振动、电极变形或其它因素所引起的应力的作用时，产生谐振频率偏移的现象。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于石英晶体谐振器的微振动测量方法，利用石英晶体谐振器的力—频特性，将微振动转换为石英晶体的应变，使石英晶体谐振器产生频偏，通过测频偏得到被测的微振动量。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于石英晶体谐振器的微振动测量方法，该方法包括以下步骤：
(1)通过机械结构采集振动面产生的待测量的微振动信号；
(2)机械结构将微振动信号转换为应力F加载到石英晶体谐振器的振子上，振子受力(或应变)的作用时，其谐振频率随力的改变而线性变化，使石英晶体谐振器产生频偏；
(3)石英晶体谐振器接入振荡激励电路中，振荡激励电路在上电后输出频率为f的矩形波，在接入石英晶体谐振器后，其输出矩形波频率为石英晶体谐振器的固有谐振频率f0；当石英晶体谐振器的谐振频率发生线性变化时，振荡激励电路输出的矩形波频率随之发生改变；
(4)采集振荡激励电路输出的频率偏移量，将其转换为振动参数输出。
进一步地，所述石英晶体谐振器由石英晶片(即振子)、电极和电极引线三部分组成；电激励信号通过电极引线和电极加在石英晶片上，使其产生机械振动，同时从电极上可以取到相应的电信号；当激励信号的频率与石英晶片的固有频率f0相一致时，石英晶片将产生谐振。
进一步地，制作石英晶片的石英材料选型应综合考虑获取尽量大的力灵敏度、频率工作范围以及最佳的频率—温度特性，根据具体应用选择对应的切形和加力方向。
进一步地，所述机械结构包括弹簧紧固件、壳体、质量块、预紧细丝、电极引线、和外电极；弹簧紧固件的一端固定在壳体顶部，另一端固定质量块，石英晶体谐振器通过预紧细丝一端与质量块底部固定连接，另一端固定在壳体底部；石英晶体谐振器的电极通过电极引线与外电极焊接在一起；利用弹簧紧固件以及预紧细丝对石英晶体谐振器及质量块施加预紧力；将机械结构的壳体底面与待测微振动面刚性地固定在一起，使机械结构内的质量块与石英晶体谐振器有相同的运动并受到与加速度方向相同的惯性力作用。
本发明的有益效果是：本发明方法依据石英晶体谐振器的力—频效应，即当石英晶体谐振器的振子受力(或应变)的作用时，谐振器的谐振频率会随力的改变而线性变化。本发明的核心为将微振动转换为石英晶体的应变，使石英晶体谐振器产生频偏，通过测频偏得到被测的微振动量。本发明微振动测量方法具有功耗低、精度高、数字化、结构简单易实现、加工成本低的特点。
附图说明
图1为本发明方法原理图；
图2为机械结构与石英晶体谐振器连接示意图；
图3为振荡激励电路示意图；
图中，1-弹簧紧固件，2-壳体，3-质量块，4-石英晶体谐振器，5-预紧细丝，6-外围电路，7-待测微振动面，8-电极引线，9-外电极。
具体实施方式
实施例1
为使本发明的目的、技术方案和优点更清楚，下面将结合本发明实例中的附图，对本发明的某一具体实例做完整、具体的描述。显然所述实施例是本发明的某一实例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施案例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明的保护范围。
本发明提供一种基于石英晶体谐振器的微振动测量方法。如图1所示，该方法包括以下步骤：
(1)通过机械结构采集振动面产生的待测量的微振动信号；
(2)机械结构将微振动信号转换为应力F加载到石英晶体谐振器的振子上，振子受力(或应变)的作用时，其谐振频率随力的改变而线性变化，使石英晶体谐振器产生频偏；
(3)石英晶体谐振器接入振荡激励电路中，振荡激励电路在上电后输出频率为f的矩形波，在接入石英晶体谐振器后，其输出矩形波频率为石英晶体谐振器的固有谐振频率f0；当石英晶体谐振器的谐振频率发生线性变化时，振荡激励电路输出的矩形波频率随之发生改变；
(4)采集振荡激励电路输出的频率偏移量，将其转换为振动参数输出。
如图2所示，所述机械结构包括弹簧紧固件1，壳体2，质量块3，预紧细丝5，电极引线8和外电极9。弹簧紧固件1的一端固定在壳体2顶部，另一端固定质量块3，石英晶体谐振器4通过预紧细丝5一端与质量块3底部固定连接，另一端固定在壳体2底部。石英晶体谐振器4的电极通过电极引线8与外电极9焊接在一起。利用弹簧紧固件1以及预紧细丝5对石英晶体谐振器4及质量块3施加预紧力。测试时将机械结构的壳体2底面与待测微振动面7刚性地固定在一起，使机械结构内的质量块3与石英晶体谐振器4有相同的运动并受到与加速度方向相同的惯性力作用。质量块3有一个正比于加速度的交变力F作用在石英晶体谐振器4上。
如图2所示，所述石英晶体谐振器4受到交变力F作用时，其谐振频率将由原来的f0变为f0+△f，△f与F呈线性关系，并且这种线性关系一直保持到F大到足以使谐振器产生机械破坏。
如图2所示，机械结构的壳体2内部包含外围电路6，所述外围电路6包括图1中的振荡激励电路以及频率采集与数据处理电路。
所述振荡激励电路包括反相器G、反馈电阻RF以及耦合电容C。通过选取适当的反馈电阻RF值，就可以使反相器G的静态工作点位于电压传输特性的转折区。该电路为自激振荡电路，因为没有稳定的工作状态，多谐振荡器也称为无稳态电路。具体地说，如果一开始多谐振荡器处于0状态，那么它在0状态停留一段时间后将自动转入1状态，在1状态停留一段时间后又将自动转入0状态，如此周而复始，输出矩形波。
石英晶体具有优越的选频性能。将石英晶体引入普通多谐振荡器就能构成具有较高频率稳定性的石英晶体多谐振荡器。普通多谐振荡器是一种矩形波发生器，上电后输出频率为f的矩形波。根据傅里叶分析理论，频率为f的矩形波可以分解成无穷多个正弦波分量，正弦波分量的频率为nf(n＝1，2，3，.....)，如果石英晶体的串联谐振频率为f0，那么只有频率为f0的正弦波分量可以通过石英晶体形成正反馈，而其它正弦波分量无法通过石英晶体。频率为f0的正弦波分量被反相器转换成频率为f0的矩形波。当石英晶体谐振器的谐振频率变化为f0’时，振荡电路输出的矩形波频率也会变化为f0’。
所述频率采集与数据处理电路，包括单片机及其外围电路。频率测量由单片机内部的计数器完成，计数值经过数字滤波和归一运算后，便可得到频率测量结果。根据频率测量结果与交变力F的线性关系可得到力F参数信息，进一步分析可得出振动面的振动幅度信息。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (4)

1.一种基于石英晶体谐振器的微振动测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)通过机械结构采集振动面产生的待测量的微振动信号；
(2)机械结构将微振动信号转换为应力F加载到石英晶体谐振器的振子上，振子受力(或应变)的作用时，其谐振频率随力的改变而线性变化，使石英晶体谐振器产生频偏；
(3)石英晶体谐振器接入振荡激励电路中，振荡激励电路在上电后输出频率为f的矩形波，在接入石英晶体谐振器后，其输出矩形波频率为石英晶体谐振器的固有谐振频率f0；当石英晶体谐振器的谐振频率发生线性变化时，振荡激励电路输出的矩形波频率随之发生改变；
(4)采集振荡激励电路输出的频率偏移量，将其转换为振动参数输出。
2.根据权利要求1所述的一种基于石英晶体谐振器的微振动测量方法，其特征在于，所述石英晶体谐振器由石英晶片(即振子)、电极和电极引线三部分组成；电激励信号通过电极引线和电极加在石英晶片上，使其产生机械振动，同时从电极上可以取到相应的电信号；当激励信号的频率与石英晶片的固有频率f0相一致时，石英晶片将产生谐振。
3.根据权利要求2所述的一种基于石英晶体谐振器的微振动测量方法，其特征在于：制作石英晶片的石英材料选型应综合考虑获取尽量大的力灵敏度、频率工作范围以及最佳的频率—温度特性，根据具体应用选择对应的切形和加力方向。
4.根据权利要求1所述的一种基于石英晶体谐振器的微振动测量方法，其特征在于：所述机械结构包括弹簧紧固件、壳体、质量块、预紧细丝、电极引线、和外电极；弹簧紧固件的一端固定在壳体顶部，另一端固定质量块，石英晶体谐振器通过预紧细丝一端与质量块底部固定连接，另一端固定在壳体底部；石英晶体谐振器的电极通过电极引线与外电极焊接在一起；利用弹簧紧固件以及预紧细丝对石英晶体谐振器及质量块施加预紧力；将机械结构的壳体底面与待测微振动面刚性地固定在一起，使机械结构内的质量块与石英晶体谐振器有相同的运动并受到与加速度方向相同的惯性力作用。
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