CN108717206B - 一种石英摆片和金属弹簧组合式重力敏感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种零长弹簧和石英摆片组合式重力敏感器，该敏感器至少包括一个弹簧调节部件、一根竖直悬挂的零长弹簧、一片悬挂在弹簧下端的水平工作的石英摆片、一个与摆片敏感质量一体的磁力动圈和提供闭环磁场的永磁体和软磁激励环，摆片敏感质量上、下表面与激励环上的金属定极板组成差分敏感电容。本敏感器解决了传统轴对称型重力敏感器结构复杂、装配难度大、体积和质量大、成本高的问题，本敏感器结合了零长弹簧和石英摆片的优点，其结构简单，灵敏度高，便于量产和携带，有较高的性价比和广阔的市场前景。

Description

一种石英摆片和金属弹簧组合式重力敏感器

技术领域

本发明涉及重力加速度测量领域，尤其是一种石英摆片和金属弹簧组合式重力敏感器。

背景技术

重力加速度是一个基本的地球物理学常数，准确测量重力加速度在地球科学、资源勘探乃至国防建设等领域都具有十分重要的意义。陆地重力测量已有几百年的历史，除了少数空白区域外，大部分区域的重力分布情况已基本弄清。然而人们对占地球表面总面积71％的海洋上的重力加速度信息则了解不多，因此海洋重力加速度的测量成为研究全球重力场的重要组成部分。

测量海洋重力加速度的专用设备叫做海洋重力仪，重力仪的结构较为复杂、零部件众多，其敏感重力加速度的核心部件称为重力敏感器。重力敏感器的作用就是将重力加速度转换为可度量的电信号输出给重力仪，从而达到测量重力加速度的目的。

在海洋重力仪近百年的发展历程中，先后经历了三个阶段：摆仪(第一代)、摆杆型海洋重力仪(第二代)和轴对称型海洋重力仪(第三代)。轴对称型海洋重力仪能够克服交叉耦合效应带来的影响，是当下海洋重力仪的重点发展方向，该类型的重力敏感器以力平衡型加速度敏感结构代替了摆杆，通过测量传感器在力平衡时反馈出电流的变化得到重力加速度变化，结构如图1所示。轴对称型重力敏感器的核心组件是弹性系统，它由敏感质量(包括顶部的动极板2、中部的弹簧套筒8和下部的动圈4)、径向定中结构和零长弹簧3三部分组成。动极板2与固定在传感器基座上的定极板1组成差分敏感电容，动圈4与永磁体5和激励环6组成永磁式力发生器；径向定中结构由分布在于上、中、下三个水平面内并呈等角度分布的若干定中拉丝9组成；零长弹簧3采用竖直悬挂的方式，上端固定在传感器基座上，下端固定在弹簧套筒8的底部。当重力加速度产生变化时，敏感质量在惯性力作用下偏移工作零位，导致差分敏感电容值变化，经控制回路处理后形成反馈电流通过动圈4，产生与惯性力大小相等、方向相反的安培力，二者相互抵消，使敏感质量回到初始零位。

径向定中结构是轴对称型海洋重力仪能够克服交叉耦合效应影响的关键，在其约束下，敏感质量只能沿敏感器的竖直轴方向上下平移。采用定中拉丝9，是为了确保敏感质量和零长弹簧3始终处于中轴线上，并对弹性系统刚度的影响尽可能小。这样对定中拉丝9的材料、热胀性能、装配水平精度和固定方式等均提出了非常高的要求，大大提高了重力敏感器的研制难度和成本，不利于重力敏感器的生产和市场推广。

发明内容

本发明的目的在于弥补现有技术的不足之处，提供一种设计科学、结构合理、便于携带、制造容易且成本低的石英摆片和金属弹簧组合式重力敏感器。

本发明的目的是通过以下技术手段实现的：

一种石英摆片和金属弹簧组合式重力敏感器，包括屏蔽外壳、定极板、零长弹簧、动圈、永磁体和激励环，定极板、零长弹簧、动圈、永磁体和激励环均设置在屏蔽外壳内部，其特征在于：还包括弹簧调节部件、石英摆片、连接腰带以及安装环，上述的弹簧调节部件、石英摆片、连接腰带以及安装环均位于屏蔽外壳内部；零长弹簧竖直悬挂，其上端固定到弹簧调节部件底部，其下端固定在石英摆片活动质量的质心；

石英摆片水平设置，其下表面粘有一个动圈，动圈中轴与零长弹簧同轴，动圈上绕有漆包线圈，漆包线圈置于永磁体和激励环产生的水平稳态磁场中；激励环设置在屏蔽外壳内部的下底部，该激励环通过连接腰带同轴连接安装环，该安装环位于零长弹簧外侧，激励环的上表面与安装环的下底面之间具有间隙，石英摆片水平设置在该间隙内；石英摆片的上、下表面镀有金膜，与分别固定在安装环下底面和激励环上表面的定极板形成差分敏感电容。

而且，竖直悬挂的零长弹簧下端固定在水平放置的石英摆片中心。

而且，通过合理设置零长弹簧参数和微调弹簧调节部件，使弹簧预载力与敏感质量的重力相互抵消，保证石英摆片的工作零位处于水平位置。

而且，所述的弹簧调节部件、零长弹簧、动圈、激励环、安装环以及屏蔽外壳均同轴设置。

而且，所述的安装环和激励环由连接腰带采用激光焊接的方式连接在一起，一起装入屏蔽外壳中。

而且，所述的安装环的上端面同轴安装一个上安装板，该上安装板与安装环采用螺钉紧固，且弹簧调节部件平放在上安装板上。

本发明的优点和积极效果是：

1、本重力敏感器利用石英摆片挠性梁的特点，既省略了专用定中结构，还利于提高分辨率。

2、本重力敏感器利用零长弹簧预载力抵消敏感质量重力，将反馈电流控制在零值附近；规避了传统加速度计测量重力加速度时，需要较大电流来克服敏感质量重力的缺点。

3、本重力敏感器结构简单，零件数量少，而且体积小、重量轻，便于携带和量产。

4、本发明公开了一种零长弹簧和石英摆片组合式重力敏感器，该敏感器至少包括一个弹簧调节部件、一根竖直悬挂的零长弹簧、一片悬挂在弹簧下端的水平工作的石英摆片、一个与摆片敏感质量一体的磁力动圈和提供闭环磁场的永磁体和软磁激励环，摆片敏感质量上、下表面与激励环上的金属定极板组成差分敏感电容。本敏感器解决了传统轴对称型重力敏感器结构复杂、装配难度大、体积和质量大、成本高的问题，本敏感器结合了零长弹簧和石英摆片的优点，其结构简单，灵敏度高，便于量产和携带，有较高的性价比和广阔的市场前景。

附图说明

图1是传统轴对称型重力敏感器结构示意图；

图2是本发明的结构示意图。

其中：1—定极板，2—动极板，3—零长弹簧，4—动圈，5—永磁体，6—激励环，7—屏蔽外壳，8—弹簧套筒，9—定中拉丝，10—弹簧调节部件，11—石英摆片，12—连接腰带，13—安装环，14—上安装板。

具体实施方式

下面结合附图详细叙述本发明的实施例，需要说明的是，本实施例是叙述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种石英摆片和金属弹簧组合式重力敏感器，是石英摆片和零长弹簧的组合使用。包括屏蔽外壳7、定极板1、零长弹簧3、动圈4、永磁体5、激励环6、弹簧调节部件10、石英摆片11、连接腰带12以及安装环13，上述的定极板、零长弹簧、动圈、永磁体、激励环、弹簧调节部件、石英摆片、连接腰带以及安装环均设置在屏蔽外壳内部。屏蔽外壳采用软磁合金制成，以减少外界磁场对敏感器的干扰。

零长弹簧位于屏蔽外壳内部的中上部，且零长弹簧竖直悬挂，其上端固定到弹簧调节部件底部，其下端固定在石英摆片活动质量(即敏感质量)的质心(石英摆片中心)。通过合理设置零长弹簧参数和微调弹簧调节部件，使弹簧预载力与敏感质量的重力相互抵消，保证石英摆片的工作零位处于水平位置。

石英摆片水平设置，其下表面粘有一个动圈(力矩动圈)，动圈中轴与零长弹簧同轴，动圈上绕有漆包线圈，漆包线圈置于永磁体和激励环产生的水平稳态磁场中，当漆包线中有电流通过时，即可产生竖直方向的安培力。

激励环设置在屏蔽外壳内部的下底部，该激励环通过连接腰带同轴连接安装环，即：安装环和激励环由连接腰带采用激光焊接的方式连接在一起，一起装入屏蔽外壳中。安装环位于零长弹簧外侧，安装环的上端面同轴安装一个上安装板14，该上安装板与安装环采用螺钉紧固，且弹簧调节部件是平放在上安装板上的。

激励环的上表面与安装环的下底面之间具有间隙，石英摆片水平设置在该间隙内，即：石英摆片的上表面与安装环的下底面之间、石英摆片的下底面与激励环的上表面之间均具有可供石英摆片移动的空间。

石英摆片的上、下表面镀有金膜，与分别固定在安装环下底面和激励环上表面的定极板形成差分敏感电容，电容值随石英摆片上下移动而变化。当重力加速度产生变化时，敏感质量在惯性力作用下偏移工作零位，导致上、下敏感电容值改变，经控制回路处理后形成反馈电流通过动圈，产生与惯性力大小相等、方向相反的安培力，二者相互抵消，使摆片敏感质量回到水平零位。

本实施例中所述的弹簧调节部件、零长弹簧、动圈、激励环、安装环、上安装板以及屏蔽外壳均为同轴设置。

本发明的工作原理为：

利用石英摆片的高集成性，将传感器动极板、敏感质量、定中结构以及电信号传输均集成到石英摆片上，同时利用零长弹簧的预载力抵消石英摆片水平工作时敏感质量的重力，减小与反馈电流相关的误差。

敏感器结构简单，只有一个弹簧调节部件、一根竖直悬挂的零长弹簧、一片悬挂在弹簧下端的水平工作的石英摆片、一个与摆片敏感质量一体的力矩动圈和提供闭环磁场的永磁体和软磁激励环。激励环外表面还有温控装置和外壳体，同时还有相应的力反馈控制回路和温控回路系统。

Claims (6)

1.一种石英摆片和金属弹簧组合式重力敏感器，包括屏蔽外壳、定极板、零长弹簧、动圈、永磁体和激励环，定极板、零长弹簧、动圈、永磁体和激励环均设置在屏蔽外壳内部，其特征在于：还包括弹簧调节部件、石英摆片、连接腰带以及安装环，上述的弹簧调节部件、石英摆片、连接腰带以及安装环均位于屏蔽外壳内部；零长弹簧竖直悬挂，其上端固定到弹簧调节部件底部，其下端固定在石英摆片活动质量的质心；

石英摆片水平设置，其下表面粘有一个动圈，动圈中轴与零长弹簧同轴，动圈上绕有漆包线圈，漆包线圈置于永磁体和激励环产生的水平稳态磁场中；激励环设置在屏蔽外壳内部的下底部，该激励环通过连接腰带同轴连接安装环，该安装环位于零长弹簧外侧，激励环的上表面与安装环的下底面之间具有间隙，石英摆片水平设置在该间隙内；石英摆片的上、下表面镀有金膜，与分别固定在安装环下底面和激励环上表面的定极板形成差分敏感电容。

2.根据权利要求1所述的一种石英摆片和金属弹簧组合式重力敏感器，其特征在于：竖直悬挂的零长弹簧下端固定在水平放置的石英摆片中心。

3.根据权利要求1所述的一种石英摆片和金属弹簧组合式重力敏感器，其特征在于：通过合理设置零长弹簧参数和微调弹簧调节部件，使弹簧预载力与敏感质量的重力相互抵消，保证石英摆片的工作零位处于水平位置。

4.根据权利要求1所述的一种石英摆片和金属弹簧组合式重力敏感器，其特征在于：所述的弹簧调节部件、零长弹簧、动圈、激励环、安装环以及屏蔽外壳均同轴设置。

5.根据权利要求1所述的一种石英摆片和金属弹簧组合式重力敏感器，其特征在于：所述的安装环和激励环由连接腰带采用激光焊接的方式连接在一起，一起装入屏蔽外壳中。

6.根据权利要求1所述的一种石英摆片和金属弹簧组合式重力敏感器，其特征在于：所述的安装环的上端面同轴安装一个上安装板，该上安装板与安装环采用螺钉紧固，且弹簧调节部件平放在上安装板上。