CN107102168B - 一种石英挠性加速度计 - Google Patents
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Abstract
一种能够提高测量精度、密封性好、稳定性高的石英挠性加速度计，包括伺服电路和表头，所述表头包括上力矩器，检测质量组件、下力矩器、以及外壳，所述上力矩器包括补偿环、磁钢、磁极片和上轭铁，下力矩器包括补偿环、磁钢、磁极片和下轭铁，所述检测质量组件包括由镀金膜石英摆片和粘接在所述摆片上面的两个力矩器线圈组成。
Description
技术领域
本发明涉及一种石英挠性加速度计，尤其涉及一种焊接密封结构的石英挠性加速度计。
背景技术
石英挠性加速度计是一种机械单轴摆式、差动电容式、力矩再平衡式(力反馈式)加速度计，对加速度、速度、距离、摇摆、倾斜、振动等物理量敏感。石英挠性加速度计主要由伺服电路、表头组成闭环反馈系统，根据牛顿力学定律，通过测量载体所受的惯性力来间接测量载体的加速度。它具有结构简单、体积小、寿命长、精度和灵敏度高、温度系数小、性能稳定等优点，广泛应用于飞机、导弹、火箭、船舶、车辆的惯性导航系统，和石油钻井(MWD、LWD)、建筑、堤坝的倾角测量以及地震监测等。
现有技术中，石英挠性加速度计的应用领域愈来愈广，使用环境压强不断变化，传统常压环境中使用的加速度计缺乏专门的密封结构，密封性能很差，越来越不适应应用的需要。尤其在空间领域和深海领域等条件恶劣的使用环境下，石英挠性加速度计的表头无法长期使用，因此，越来越需要表头具有较好的环境适应性，另外，随着表头应用领域的不断拓展，缺少密封结构的石英挠性加速度计将会被淘汰。
另一方面来讲，对于石英挠性加速度计来说，石英摆片是该加速度计的关键部件，力矩器与石英摆片的对接面平面度和平行度的好坏直接影响传感器的性能。目前，石英挠性加速度计的平面度及平行度很难保证，合格率很低，制约了该型加速度计的综合性能的提高。
另外，力矩器也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。现有的石英挠性加速度计的耐受温度，国内通常不高于80℃，国外不高于95℃，产品输出信号的稳定性差，无法满足更高的使用要求。
进一步，国内现有的石英挠性加速度计中，精度一般在几十个μg0/ppm水平，分辨率仅5-10μg0，测量精度不高，远不及国外同类产品。
原则上讲，提高加速度计精度有两种途径：一是降低加速度计谐振子的本征频率，其代价是降低了频带宽度，另一种方法是提高加速度计信号传感器的检测水平，这种方法在传统电容式加速度计中受到很大局限。石英挠性加速度计中电容式信号传感器的输出电容变化量正比于位移的平方，分辨率受限，要获得高分辨率，需要适当展宽系统的尺寸，同时，受电子噪声、机械热噪声及环境寄生电容等因素的影响，电容式信号传感器输出信噪比低，达到了微小电容检测电路的检测极限，电容式石英挠性加速度计精度很难突破μg0/ppm水平。
发明内容
鉴于此，本发明提供一种能够提高测量精度、密封性好、稳定性高的石英挠性加速度计。
具体的，本发明提供一种石英挠性加速度计，包括伺服电路和表头，其特征在于，所述表头包括上力矩器，检测质量组件、下力矩器、以及外壳，所述上力矩器包括补偿环、磁钢、磁极片和上轭铁，下力矩器包括补偿环、磁钢、磁极片和下轭铁，所述检测质量组件包括由镀金膜石英摆片和粘接在所述摆片上面的两个力矩器线圈组成，其中，所述力矩器线圈和所述石英摆片的中间轮翼部分构成摆质量，经过设置于该摆质量上的两个挠性悬置梁，经由设置于所述摆片外圈的多个凸台，固定连接于所述上下两个力矩器组件之间，以感测载体的直线加速度矢量。
根据本发明的石英挠性加速度计，其特征在于，在所述下力矩器的中心面向内表面设置有一个芯孔，在该芯孔内设置一根芯杆，该芯杆为永磁棒，以提供上下力矩器的中心轴上的永磁力。
根据本发明的石英挠性加速度计，其特征在于，在所述挠性悬置梁上设置干涉传感器，用于检测所述检测质量组件的位移并转换成电信号，并通过数字处理电路将该电信号转换为与加速度成正比的电流信号，并反馈至所述上下力矩器产生平衡力矩，以此通过检测力矩器电流检测加速度值。
根据本发明，通过电容式组合光电式加速度测量，进一步提高测量精度达到μg0/ppm水平以上。本发明首先主要通过电容式加速度测量，并作为主要加矩方式，从而保证该加速度计的量程、基本精度以及稳定性，然后，结合该光电测量方式，进一步大大提高测量精度。
根据本发明的石英挠性加速度计，其特征在于，摆片的两个摆梁(悬置梁)的厚度为0.06mm～0.08mm之间，在本发明中，摆片的两个摆梁厚度可以薄至0.05mm～0.053mm，这样，能够给蒸镀金膜留下了巨大的空间。另外，为了反射光线的需要，粘附于摆片摆梁之上的靶芯可以适当增大一些，这样，也可以适当增大摆梁的宽度。例如，可以将摆梁宽度增大到2.25mm～2.29mm。
根据本发明的石英挠性加速度计，其特征在于，所述力矩器线圈线径为0.05毫米，线圈匝数为210匝、电阻为28欧姆，所述补偿环与磁钢高度尺寸比为0.25。
根据本发明的石英挠性加速度计，其特征在于，当有外界加速度信号输入时，所述石英摆片受到惯性力的作用发生摆动，从而使得差分电容的电容值发生改变，通过伺服电路的C-V读出电路，使得差分电容变化转化为电压信号的变化，再通过信号调节电路反馈输出相应的电流，经过力矩器线圈供给至力矩器，从而产生平衡力矩去抵消外部惯性加速度产生的惯性力，达到了闭环系统的力平衡，而输入给力矩器的反馈电流的大小正比于输入惯性加速度的值，从而实现了加速度的度量。
根据本发明的石英挠性加速度计，其特征在于，在表头内部封装有一定压力的气体用以形成空气阻尼，采用空气薄膜阻尼来调整所述石英挠性加速度计的阻尼。
根据本发明，通过在表头内部封装有一定压力的气体用以形成空气阻尼，从而保证控制系统的稳定性。通常，在石英挠性加速度计中，采用空气薄膜阻尼来调整加速度计的阻尼。加速度计结构一旦确定，其空气薄膜阻尼大小就由空气的密度确定。石英挠性加速度计制作完成后，敏感器件内部的空气密度由生产环境的空气密度决定。通过采用空气薄膜阻尼来调整加速度计的阻尼，增强空气薄膜阻尼效应，从而提高加速度计的动态性能，提高加速度计的稳定性。
根据本发明的石英挠性加速度计，其特征在于，上述玻璃封装采用的材质为硬玻璃铁基封接合金材料，其由重量比为54％(wt)的铁、18％(wt)的钴、28％(wt)的镍形成，该材料在20～450摄氏度范围内均具有与硅硼硬玻璃相近的线膨胀系数(4.6x10-6/℃)和相应硬玻璃能进行有效封接匹配。该封接材料的居里点较高，低温下具有较好的组织稳定性，其形成的氧化膜非常致密，能够被玻璃很好的浸润，通过采用该封接材料，能够大大提高该封装结构的密封性。
根据本发明的石英挠性加速度计，其特征在于，所述封接材料厚度为0.5～1.0mm，优选的，厚度为0.6～0.8mm，更有选的，厚度为0.8mm。
根据本发明的石英挠性加速度计，其特征在于，在所述石英摆片的挠性悬置梁上，还可以设置倾角测量元件或者定位传感器，以对方位角进行感测，和/或，所述石英挠性加速度计的伺服电路中可以加入热敏电阻元件，以对温度进行检测，和/或，在伺服电路中还可以接入数字处理电路或者数字输出电路，以将电流/电压信号转换成数字信号进行处理。
根据本发明的石英挠性加速度计，其特征在于，所述石英挠性加速度计采用六面体封装结构。
根据本发明，通过将上述玻璃封装采用的材质为硬玻璃铁基封接合金材料，由于该封接材料的居里点较高，低温下具有较好的组织稳定性，其形成的氧化膜非常致密，能够被玻璃很好的浸润，通过采用该封接材料，能够大大提高该封装结构的密封性。
根据本发明，通过在外壳3的上盖通过安装法兰4与信号接线端子一起采用硬玻璃铁基封接合金材料进行玻璃封装，然后通过激光焊接实现密实连接，最后在所述安装法兰4与伺服电路2的上端面构成的空间内灌注密封胶，大大增强了加速度计的密封性。由于这些材料的耐受性，即使使用环境的压强不断变化，工作条件极其恶劣，在零下40摄氏度到零上200摄氏度的广泛范围之内均可保证该加速度计的较好的密封性。
根据本发明，摆片组线圈采用0.05线径，线圈匝数为210匝、28欧姆，构成力矩器之补偿环与磁钢其高度尺寸之比为0.25。通过在技术参数上作出调整，使线圈两端电压降低，从而在保证高精度下能够大幅度提高该表头的计量量程。
根据本发明，通过电容式组合光电式加速度测量，进一步提高测量精度达到μg0/ppm水平以上。本发明首先主要通过电容式加速度测量，并作为主要加矩方式，从而保证该加速度计的量程、基本精度以及稳定性，然后，结合该光电测量方式，进一步大大提高测量精度。除此之外，本发明通过电容式组合光电式加速度测量，还可以大大减小摆片的摆梁(悬置梁)的厚度。在传统的石英挠性加速度计中，摆片的两个摆梁的厚度为0.06mm～0.08mm之间，在本发明中，摆片的两个摆梁厚度可以薄至0.05mm～0.053mm，这样，能够给蒸镀金膜留下了巨大的空间。通过两种方式的组合测量，以及对摆片的自身的改进，却意想不到起到进一步显著提高测量精度作用。
根据本发明，通过设计成将6个相同的加速度计分别安装在对应的六个面上的结构，能够设计成结构紧凑，测试方便并且能够更加精细的测量所需要的方向上的加速度的加速度计。
根据本发明，通过在摆片的摆质量外环设置支撑凸台和卡位凸台，可以有效提高摆片沿着输出轴方向冲击的能力。
附图说明
图1为示出本发明一具体实施方式的石英挠性加速度计封装结构主视图。
图2a和图2b为示出本发明一具体实施方式的石英挠性加速度计封装结构俯视图。
图3为示出本发明一具体实施方式的石英挠性加速度计局部放大示意图。
图4为示出本发明一具体实施方式的石英挠性加速度计的石英摆片的示意图。
具体实施方式
下面参照附图通过具体实施方式对本发明作出详细的描述。本领域技术人员应当懂得，该描述是示例性的，本发明不仅限于该具体实施方式之中，本领域技术人员能够对其进行各种修改和变更，这些修改和变更应当属于本发明内容的一部分。
图1为示出本发明一具体实施方式的石英挠性加速度计封装结构主视图。
如图1所示，本发明石英挠性加速度计包括表头1和伺服电路2。所述伺服电路2、表头1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。
表头是石英挠性加速度计的主要工作部件，主要由上、下力矩器组件5、6(图3中示出)，石英摆片组(检测质量组件)8(图3中示出)、外壳3等组成。该外壳3采用不锈钢材质制成。该表头1为全封闭表头，外壳3的底座上粘接连接有表头的表芯组件，外壳3的上盖通过安装法兰4与信号接线端子一起玻璃封装，然后通过激光焊接实现密实连接，并且，在所述上盖上通过伺服电路插槽插接所述伺服电路2。
其中，上述玻璃封装采用的材质为硬玻璃铁基封接合金材料，其由重量比为54％(wt)的铁、18％(wt)的钴、28％(wt)的镍形成，该材料在20～450摄氏度范围内均具有与硅硼硬玻璃相近的线膨胀系数(4.6x10-6/℃)和相应硬玻璃能进行有效封接匹配。该封接材料的居里点较高，低温下具有较好的组织稳定性，其形成的氧化膜非常致密，能够被玻璃很好的浸润，通过采用该封接材料，能够大大提高该封装结构的密封性。
所述封接材料厚度为0.5～1.0mm，优选的，厚度为0.6～0.8mm，更有选的，厚度为0.8mm。通过设置这样的厚度，可以在恶劣的环境下保证其密封的密实性，还能够保证其在经受较大冲击时的耐受性。经过申请团队的无数次试验表明，采用厚度为0.8mm的该封接材料能够实现最佳综合性能。该硬玻璃铁基封接合金材料的密封厚度是很关键的参数选择，很多包括进口加速度计在内的加速度计在使用一段时间后漏率明显上升，很大程度上由于材料的选择以及封接材料厚度选择上匹配不到位导致，往往顾此失彼，本申请人认为，选择硬玻璃铁基封接合金材料作为封装材料，以及密封厚度选择为0.8mm是最佳的匹配。
所述安装法兰4与伺服电路2的上端面构成的空间内灌注5～7mm的密封胶。作为密封胶，可以采用树脂型密封胶或者硅凝胶，优选采用树脂型密封胶，诸如环氧树脂、不饱和聚酯树脂、聚氯乙烯树脂等。进一步优选的，采用环氧树脂密封胶。
在所述外壳3的上端还设置有上盖板，并由该上盖板进行封闭。
所述外壳3的底座与表头的表芯组件通过结构胶粘接连接。作为结构胶，可以采用中性硅酮结构胶，酸性硅酮结构胶、聚氨酯胶等。优选的，采用中性硅酮结构胶。另外，所述表头1和伺服电路2也采用中性硅酮结构胶粘接。
这样，通过在外壳3的上盖通过安装法兰4与信号接线端子一起采用硬玻璃铁基封接合金材料进行玻璃封装，然后通过激光焊接实现密实连接，最后在所述安装法兰4与伺服电路2的上端面构成的空间内灌注密封胶，大大增强了加速度计的密封性。由于这些材料的耐受性，即使使用环境的压强不断变化，工作条件极其恶劣，在零下40摄氏度到零上200摄氏度的广泛范围之内均可保证该加速度计的较好的密封性。
所述上力矩器和下力矩器(图3中示出)分别包括补偿环、磁钢与上下轭铁，所述检测质量组件即石英摆片组由镀膜石英摆片和粘接在它上面的两个力矩器线圈组成。其中，石英摆片和力矩器轭铁的端面组成差分电容，在摆片上按一定图案蒸镀上金膜，石英摆片的上下两个镀金面作为差分电容的动极板，而力矩器轭铁作为差分电容的定极板，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(轮翼)部分构成摆质量。经过两个挠性悬置梁(摆梁)，由摆片外圈通过多个凸台，固定连接于上下两个力矩器组件之间，以感测载体的直线加速度矢量。所述磁钢、磁极片和上、下力矩器构成封闭的磁路。它们与所述检测质量组件上的两个线圈组成推挽工作的永磁式力矩器。摆片组线圈采用0.05线径，线圈匝数为210匝、28欧姆，构成力矩器之补偿环与磁钢其高度尺寸之比为0.25。
根据本发明，通过在技术参数上作出调整，使线圈两端电压降低，从而在保证高精度下能够大幅度提高该表头的计量量程。
其中，当有外界加速度信号输入时，石英摆片受到惯性力的作用发生摆动，从而使得差分电容的电容值发生改变，通过伺服电路的C-V读出电路，使得差分电容变化转化为电压信号的变化，再通过信号调理电路反馈输出相应的电流，经过力矩器线圈供给至力矩器，从而产生平衡力矩去抵消外部惯性加速度产生的惯性力，达到了闭环系统的力平衡，而输入给力矩器的反馈电流的大小正比于输入惯性加速度的值，从而实现了加速度的度量。
上述加速度计的工作原理是，当有沿敏感轴方向的加速度作用时，由于没有合外力作用，所述检测质量(摆片)保持原有运动状态，因此相对上、下力矩器产生位移，使两侧平板电容形成电容差。差动电容传感器敏感到电容差，产生一个与电容差成比例的电流。电流经伺服电路滤波、积分、放大等处理后加载在力矩线圈上，载流力矩线圈受到力矩器磁场的作用产生一个与输入加速度方向相同的电磁力F，力F使挠性摆片产生一个与输入加速度方向相同、大小相等的加速度，使挠性摆片回复到平衡位置(两侧电容相等)。此时，利用力反馈原理，在力矩线圈上获得一个与输入加速度成比例的电流，通过检出力矩线圈上的电流并对电流采样的解析计算即可获得输入加速度信息，实现加速度的测量。
换言之，当有加速度或倾斜作用于所述检测质量(摆片)时，所述检测摆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。其中，力矩器线圈所施加的电流大小代表了输入加速度(或倾斜)的大小，而电流方向反映了输入加速度(或倾斜)的方向。
其中，在上述过程中，为了实现上述进程，在表头内部封装有一定压力的气体用以形成空气阻尼，从而保证控制系统的稳定性。通常，在石英挠性加速度计中，采用空气薄膜阻尼来调整加速度计的阻尼。加速度计结构一旦确定，其空气薄膜阻尼大小就由空气的密度确定。石英挠性加速度计制作完成后，敏感器件内部的空气密度由生产环境的空气密度决定。
本发明中，在所述石英摆片8的挠性梁10(摆梁)上，还可以设置倾角测量元件或者定位传感器，以对方位角进行感测。
加速度计精度的提高有两种途径：一是降低加速度计谐振子的本征频率，但其代价是频带宽度降低，另一种方法是提高加速度计信号传感器的检测水平。石英挠性加速度计中电容式信号传感器的输出电容变化量正比于位移的平方，分辨率受限，要获得高分辨率，系统的尺寸则需要适当展宽；同时受电子噪声、机械热噪声及环境寄生电容等因素的影响电容式信号传感器输出信噪比低，达到了微小电容检测电路的检测极限，电容式石英挠性加速度计精度很难突破μg0/ppm水平。
为了提高该传统电容式石英挠性加速度计精度，本申请团队在此传统结构的基础上加入干涉传感器，将对应的加速度测量精度提高至高于1μg0/ppm的水平。
所述干涉传感器由激光器、光电二极管、光纤组成。将该干涉传感器设置于所述石英摆片的所述挠性悬置梁上，以检测摆组件的位移并转换成电信号。其检测原理如下：准直激光光束聚焦到石英摆片上产生反射或散射，部分携带位移信息的外部光反馈回激光器腔内与腔内光束产生干涉，引起激光腔出射光功率变化，光电检测电路检测到所述干涉信号并将其转换为电信号，该电信号经过I/V转换、ADC转换为数字信号，然后求出摆组件位移，通过数字电路加矩，进而通过加矩电流得到高精度的加速度测量。
本发明通过电容式组合光电式加速度测量，进一步提高测量精度达到μg0/ppm水平以上。本发明首先主要通过电容式加速度测量，并作为主要加矩方式，从而保证该加速度计的量程、基本精度以及稳定性，然后，结合该光电测量方式，进一步大大提高测量精度。
除此之外，本发明通过电容式组合光电式加速度测量，还可以大大减小摆片的摆梁(悬置梁)的厚度。在传统的石英挠性加速度计中，摆片的两个摆梁的厚度为0.06mm～0.08mm之间，在本发明中，摆片的两个摆梁厚度可以薄至0.05mm～0.053mm，这样，能够给蒸镀金膜留下了巨大的空间。另外，为了反射光线的需要，粘附于摆片摆梁之上的靶芯可以适当增大一些，这样，也可以适当增大摆梁的宽度。例如，可以将摆梁宽度增大到2.25mm～2.29mm。为了保证摆片的刚性和耐冲击性的需要，不宜增大过多，相反，如果过窄，则对测量的精度会产生显著影响，如果采用传统的1mm程度的厚度，则精度不良率则显著升高。也就是说，通过两种方式的组合测量，以及对摆片的自身的改进，却意想不到起到进一步显著提高测量精度作用。
本发明中，所述石英挠性加速度计的伺服电路可以采用传统结构的伺服电路，在所述传统结构中，所述石英挠性加速度计的伺服电路通常包括C-V读出电路(包括差动电容检测器)、比例-积分-微分(PID)控制电路(包括积分器)、跨导放大电路(包括跨导/补偿放大器)、反馈加矩电路等模块组成，主要实现物理量的转换(C-V)，闭环系统静态及动态特性的信号调理、以及电压-电流转换及驱动能力的实现等。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。这些电路与差动电流传感器，以及摆质量一起，构成一个完整的力平衡式闭环系统。其中，反馈加矩电路中，模拟负反馈电路—反馈加矩方式是模拟电流，脉冲伺服负反馈方式—反馈和加矩方式是脉冲电流。而脉冲电流又包含调宽脉冲和断续脉冲等。所述伺服电路为混合集成电路。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。
本发明中，所述石英挠性加速度计的伺服电路中可以加入热敏电阻元件，以对温度进行检测。另外，在伺服电路中还可以接入数字处理电路或者数字输出电路，以将电流/电压信号转换成数字信号进行处理。
图2a和图2b为示出本发明一具体实施方式的石英挠性加速度计封装结构俯视图。
如图2a所示，本发明实施方式中的石英挠性加速度计采用八面体封装结构。如图2b所示，本发明实施方式中的石英挠性加速度计采用六面体封装结构。本实施方式中，可以采用多面安装方式，诸如三面安装，六面安装、八面安装等，优选的，采用六面安装。现有的加速度计想要在空间运动中测量多个方向的加速度，往往在每个方向上安装一个加速度计。对于笛卡尔坐标系而言，通常安装三个正交方向的加速度计。本发明实施方式中优选设计成6面安装结构(也可以采用图2a中示出的是8面安装结构)，可以将单个加速度计安装在六面安装结构中，也可以将6个相同的加速度计分别安装在对应的六个面上。作为示例性的，该图2a和图2b中示出的是将单个加速度计安装在八面或六面安装结构中，这样，能够更加精细的测量所需要的方向上的加速度。通过设计成将6个相同的加速度计分别安装在对应的六个面上的结构，则能够设计成结构紧凑，测试方便的加速度计。
图3为示出本发明一具体实施方式的石英挠性加速度计局部放大示意图。
对于石英挠性加速度计来说，石英摆片是该加速度计的关键部件，力矩器与石英摆片的对接面平面度和平行度的好坏直接影响传感器的性能。另外，力矩器也是石英挠性加速度计的关键部件，为其提供恒定的磁源。
如图3所示，所述石英挠性加速度计表头1包括上力矩器5、下力矩器6、摆片8，上力矩器和下力矩器分别包括补偿环、磁钢与上下轭铁(未图示)，所述检测质量组件即石英摆片组8由镀膜石英摆片和粘接在它上面的两个力矩器线圈7组成。其中，石英摆片8和力矩器轭铁的端面组成差分电容，在摆片上按一定图案蒸镀上金膜，石英摆片8的上下两个镀金面作为差分电容的动极板，而力矩器轭铁作为差分电容的定极板，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7和石英摆片的中间叶片(轮翼)部分9构成摆质量。经过两个挠性悬置梁10(摆梁，图4中示出)，由摆片外圈通过多个凸台(未图示)，固定连接于上下两个力矩器组件5之间，以感测载体的直线加速度矢量。所述磁钢、磁极片和上、下力矩器构成封闭的磁路。它们与所述检测质量组件8上的两个线圈7组成推挽工作的永磁式力矩器。上下力矩器5和6的上下轭铁的其中一个靠近石英摆片8的一侧设置有环形空隙，以保证形成上述的电容定极板的差分电容能够对等。在下力矩器6的中心面向内表面设置有一个芯孔11，在该芯孔11内设置一根芯杆12，该芯杆12为永磁棒，以提供上下力矩器的中心轴上的永磁力。
根据本发明，上述石英摆片组线圈7采用0.05线径，线圈匝数为210匝、28欧姆，构成力矩器之补偿环与磁钢其高度尺寸之比为0.25。
根据本发明，通过在技术参数上作出调整，使线圈两端电压降低，从而在保证高精度下能够大幅度提高该表头的计量量程。
其中，当有外界加速度信号输入时，石英摆片受到惯性力的作用发生摆动，从而使得差分电容的电容值发生改变，通过伺服电路2的C-V读出电路，使得差分电容变化转化为电压信号的变化，再通过信号调理电路反馈输出相应的电流，经过力矩器线圈供给至力矩器，从而产生平衡力矩去抵消外部惯性加速度产生的惯性力，达到了闭环系统的力平衡，而输入给力矩器的反馈电流的大小正比于输入惯性加速度的值，从而实现了加速度的度量。
上述加速度计的工作原理是，当有沿敏感轴方向的加速度作用时，由于没有合外力作用，所述检测质量(摆片)保持原有运动状态，因此相对上、下力矩器产生位移，使两侧平板电容形成电容差。差动电容传感器敏感到电容差，产生一个与电容差成比例的电流。电流经伺服电路滤波、积分、放大等处理后加载在力矩线圈上，载流力矩线圈受到力矩器磁场的作用产生一个与输入加速度方向相同的电磁力F，力F使挠性摆片产生一个与输入加速度方向相同、大小相等的加速度，使挠性摆片回复到平衡位置(两侧电容相等)。此时，利用力反馈原理，在力矩线圈上获得一个与输入加速度成比例的电流，通过检出力矩线圈上的电流并对电流采样的解析计算即可获得输入加速度信息，实现加速度的测量。
换言之，当有加速度或倾斜作用于所述检测质量(摆片)时，所述检测摆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。其中，力矩器线圈所施加的电流大小代表了输入加速度(或倾斜)的大小，而电流方向反映了输入加速度(或倾斜)的方向。
其中，在上述过程中，为了实现上述进程，在表头内部封装有一定压力的气体用以形成空气阻尼，从而保证控制系统的稳定性。通常，在石英挠性加速度计中，采用空气薄膜阻尼来调整加速度计的阻尼。加速度计结构一旦确定，其空气薄膜阻尼大小就由空气的密度确定。石英挠性加速度计制作完成后，敏感器件内部的空气密度由生产环境的空气密度决定。
本发明中，在上述石英挠性加速度计的主体结构的基础上加入干涉传感器11(图4中示出)，以进一步提高加速度测量精度。
所述干涉传感器11采用常规的干涉传感器结构即可，该干涉传感器11由激光器、光电二极管、光纤组成。将该干涉传感器11设置于所述石英摆片的所述挠性悬置梁10(摆梁)上，以检测摆组件的位移并转换成电信号。其检测原理如下：准直激光光束聚焦到石英摆片上产生反射或散射，部分携带位移信息的外部光反馈回激光器腔内与腔内光束产生干涉，引起激光腔出射光功率变化，光电检测电路检测到所述干涉信号并将其转换为电信号，该电信号经过I/V转换、ADC转换为数字信号，然后求出摆组件8的位移，通过数字电路加矩，进而通过加矩电流得到高精度的加速度测量。
图4为示出本发明一具体实施方式的石英挠性加速度计的石英摆片的外观示意图。
如图4所示，所述石英挠性加速度计的石英摆片8包括摆梁10、干涉传感器11、外部支撑环12、摆质量13、支撑凸台14、卡位凸台15。当沿该加速度计的输入轴方向有加速度时，由于惯性力的作用，在摆梁10的支撑和约束下，摆片8的摆质量产生移动，加速度计上的差动电容定位传感器(或者倾角测量仪)感测该位移，并由伺服电路向线圈7输出与之对应的电流，该电流和力矩器的磁场相互作用，产生磁力矩来抵消惯性力矩的作用，使摆片始终保持在灵位。此时，输出电流的大小和输入的加速度成正比，由此实现对加速度的测量。另一方面，当该摆片受到外界较大冲击时，该摆质量会随着冲击的方向产生一定的位移，这样有可能会对仪器造成损坏，因此，通过在摆片的摆质量外环设置支撑凸台14和卡位凸台15，可以有效提高摆片沿着输出轴方向冲击的能力。
综上，参照具体实施方式对本发明作出了详细的描述，该描述是示例性的，本领域技术人员可以对其进行各种组合、修饰和变更，本领域技术人员应当懂得，只要不脱离本发明的宗旨和精神，对本发明所作出的各种组合、修饰和变更均应当属于本发明范畴之内，本发明保护范围由所附权利要求书给出。
Claims (9)
1.一种石英挠性加速度计，包括伺服电路和表头，其特征在于，所述表头包括上力矩器，检测质量组件、下力矩器、以及外壳，所述上力矩器包括补偿环、磁钢、磁极片和上轭铁，下力矩器包括补偿环、磁钢、磁极片和下轭铁，所述检测质量组件包括由镀金膜石英摆片和粘接在所述摆片上面的两个力矩器线圈组成，其中，所述力矩器线圈和所述石英摆片的中间轮翼部分构成摆质量，经过设置于该摆质量上的两个挠性悬置梁，经由设置于所述摆片外圈的多个凸台，固定连接于所述上力矩器和下力矩器之间，以感测载体的直线加速度矢量，在所述石英摆片的挠性悬置梁上，还设置倾角测量元件或者定位传感器，以对方位角进行感测，所述石英摆片的两个悬置梁的厚度为0.05mm，在所述挠性悬置梁上设置干涉传感器，所述干涉传感器由激光器、光电二极管、光纤组成，设置于所述石英摆片的所述挠性悬置梁上，以检测摆组件的位移并转换成电信号，并通过数字处理电路将该电信号转换为与加速度成正比的电流信号，并反馈至所述上力矩器和下力矩器产生平衡力矩，以此通过检测力矩器电流检测加速度值，其中，所述力矩器线圈线径为0.05毫米，线圈匝数为210匝、电阻为28欧姆，所述补偿环与磁钢高度尺寸比为0.25，在表头内部封装有一定压力的气体用以形成空气阻尼，采用空气薄膜阻尼来调整所述石英挠性加速度计的阻尼，上述封装采用的材质为硬玻璃铁基封接合金材料，其由重量比为54％(wt)的铁、18％(wt)的钴、28％(wt)的镍形成。
2.如权利要求1所述石英挠性加速度计，其特征在于，在所述下力矩器的中心面向内表面设置有一个芯孔，在该芯孔内设置一根芯杆，该芯杆为永磁棒，以提供上下力矩器的中心轴上的永磁力。
3.如权利要求1～2任一项所述石英挠性加速度计，其特征在于，所述石英摆片的两个悬置梁的宽度为2.25mm～2.29mm。
4.如权利要求1所述石英挠性加速度计，其特征在于，所述封接合金材料的厚度为0.5～1.0mm。
5.如权利要求4所述石英挠性加速度计，其特征在于，所述封接合金材料的厚度为0.6～0.8mm。
6.如权利要求5所述石英挠性加速度计，其特征在于，所述封接合金材料的厚度为0.8mm。
7.如权利要求1～2任一项所述石英挠性加速度计，其特征在于，所述石英挠性加速度计的伺服电路中加入热敏电阻元件，以对温度进行检测。
8.如权利要求1～2任一项所述石英挠性加速度计，其特征在于，在伺服电路中接入数字处理电路或者数字输出电路，以将电流/电压信号转换成数字信号进行处理。
9.如权利要求1～2任一项所述石英挠性加速度计，其特征在于，所述石英挠性加速度计采用六面体封装结构。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Quartz flexible accelerometer Effective date of registration: 20211111 Granted publication date: 20190910 Pledgee: Beijing Bank Co.,Ltd. Qingdao Branch Pledgor: Qingdao Zhiteng Microelectronics Co.,Ltd. Registration number: Y2021370010116 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20231229 Granted publication date: 20190910 Pledgee: Beijing Bank Co.,Ltd. Qingdao Branch Pledgor: Qingdao Zhiteng Microelectronics Co.,Ltd. Registration number: Y2021370010116 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |