CN109085383A - 一种新型摆式加速度计 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型摆式加速度计，包括上导磁环、下导磁环、永磁体、磁极片、线圈骨架、线圈和检测质量，检测质量的上面和下面均安装其上缠绕线圈的线圈骨架，检测质量、线圈骨架以及线圈组成检测质量摆组件，磁极片和永磁体与上导磁环和下导磁环构成上导磁环组件和下导磁环组件，检测质量摆组件夹在上、下导磁环组件之间，上、下导磁环组件之间通过螺钉连接，且连接处采用施力可调的蝶形弹簧进行预紧力调节。本发明实现了高稳定的加速度计，降低了连接应力，提高了摆式加速度计的长期稳定性，有望应用于惯性导航系统领域，技术先进、填补了我国在此项技术的空白。
Description
技术领域
本发明涉及高精度摆式加速度计技术领域，尤其是一种挠性支撑电磁反馈型摆式加速度计，可用于高精度、长航时船用惯性导航系统的加速度敏感元件。
背景技术
从世界范围内船用长航时高精度惯性导航系统的发展来看，目前高性能的惯性导航系统主要有三种：一是基于静电陀螺仪的静电陀螺监控器(ESGM)或静电陀螺导航仪(ESGN)；二是基于激光陀螺仪的单轴旋转或双轴旋转调制式惯导系统；三是光纤陀螺惯导系统。这三类系统的核心元件都是由摆式加速度计与相应的陀螺仪构成稳定平台。船用惯性导航系统的工作周期长，执行任务时巡航任务周期时间长，且无外部基准，全靠惯性导航系统的精度来确定方位，要保证在一年周期内惯导系统的使用精度，要求加速度计保持连续长时间工作下的高精度、低噪声、高可靠性。
生产石英摆式加速度计最著名的厂家当属Honeywell公司。为石英加速度计的高精度应用设计了QA-2000和QA-3000型加速度计、QA-2000型Q-Flex加速度计和激光陀螺一起在商用和军用飞机的惯性导航系统中建立了新的可靠性标准。其新型Q-Flex加速度计QA3000达到基本型设计的顶峰。其阈值优于1×10-6g，已经用做重力测量敏感器。
目前，国内广泛应用的摆式加速度计月稳定性精度一般在几十μg水平，长期稳定性还有待进一步提高，影响长期稳定性精度的主要原因是摆组件的结构稳定性、力矩器机械结构和磁性能的稳定性、加工的残余应力及装配应力等。
现有技术中，上下导磁环组件主要依靠胶结或激光焊接形式连接。胶结方式简单可靠，但众所周知胶本身的蠕变特性会导致加速度计长期稳定性变差，激光焊接方式目前被很多研制单位采用，但焊接过程中存在较大的应力，对焊接工艺要求高，处理不当直接影响加速度计长期稳定性。
发明内容
本发明的目的在于弥补现有技术的不足之处，提供一种能够提高长期稳定性的新型摆式加速度计。
本发明的目的是通过以下技术手段实现的：
一种新型摆式加速度计，包括上导磁环、下导磁环、永磁体、磁极片、线圈骨架、线圈和检测质量，检测质量的上面和下面均安装其上缠绕线圈的线圈骨架，检测质量、线圈骨架以及线圈组成检测质量摆组件，磁极片和永磁体与上导磁环和下导磁环构成上导磁环组件和下导磁环组件，检测质量摆组件夹在上、下导磁环组件之间，其特征在于：上、下导磁环组件之间通过螺钉连接，且连接处采用施力可调的蝶形弹簧进行预紧力调节。
而且，所述的检测质量是由熔融SiO2经化学刻蚀制成整体摆的形式。
而且，所述的检测质量选用-OH和杂质含量<1ppm的IV类石英玻璃。
而且，所述的永磁铁选用高磁能积、高矫挽力的永磁合金材料，力矩器动圈骨架并采用线胀系数与检测质量摆线胀系数接近的陶瓷材料，线胀系数8×10-6/℃，与石英材料的线胀系数5×10-7/℃匹配性更好。
而且，所述的上导磁环和下导磁环上都均布制出多个螺纹孔，通过安装在螺纹孔内的螺钉将上、下导磁环组件连接在一起。
而且，所述的碟形弹簧同轴套装在螺钉上。
而且，所述的上、下导磁环组件的永磁体的侧壁上均安装热磁补偿环。
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明的整体检测质量选用-OH和杂质含量<1ppm的IV类石英玻璃，提高检测质量的加工性能，提高加速度计的长期稳定性。
2、本发明的力矩器永磁铁选用高磁能积、高矫挽力的永磁合金材料，力矩器动圈骨架并采用线胀系数与检测质量摆线胀系数接近的陶瓷材料，线胀系数8×10-6/℃，与石英材料的线胀系数5×10-7/℃匹配性更好，减小温度变化引入的应力，提高加速度计的长期稳定性。
3、本发明的磁路中使用热磁温度补偿元件补偿永磁合金因温度变化引入的磁场的变化。此加速度计可以做到很高的线性度，并做到较小的结构尺寸。
4、本发明的力矩器上下连接采用了弹性力加紧且加力可调的连接方式，该连接方式使整个表体在装配过程中可以做到摆组件的受力状态可控，大大降低了摆组件的受力状态受外界环境的影响，同时降低装配难度及对零件形位公差的要求。
5、本发明的表体外加软磁材料制作的外罩，提高了表体的抗电磁干扰能力，提高加速度计的长期稳定性及可靠性。
6、本发明的表体具有温度控制及测温装置，通过测温装置和温控控制装置实现闭环温度控制，温控精度可达到0.02℃的水平，降低了温度的影响，提高了加速度计的长期稳定性。
7、本发明的加速度计具有较高的标度因数、线性度、标度因数长期稳定性和偏值的长期稳定性，能适应空间稳定平台相对地球翻滚的苛刻条件。
8、本摆式加速度计由整体式检测质量，对称式电磁力矩器、电容传感器等组成。电容式传感器的一个极板固定在导磁环上，另一个板固定在活动的检测质量上，构成差动电容器。当有加速度时，电容器感受检测质量的位移，通过伺服电路给线圈提供电流。载流的线圈通过与磁铁的相互作用提供恢复力，使检测质量返回原位。恢复电流的大小反映了加速度的大小。检测质量、挠性枢轴和支撑由同一块熔凝SiO2制成。用受控化学腐蚀的方法，制作出检测质量摆，将检测质量与支撑之间的连接厚度通过化学腐蚀制成挠性区，使结构简单牢固，对敏感轴方向的输入具有顺从挠性。
9、本智力成果实现了高稳定的摆式加速度，降低了连接应力，提高了摆式加速度计的长期稳定性，有望应用于惯性导航系统领域，技术先进、填补了我国在此项技术的空白。
附图说明
图1是本发明的表芯组成结构示意图；
图2是下导磁环组件的结构示意图；
图3是检测质量摆组件的结构示意图；
图4是本发明的外罩及温控装置结构示意图。
图中：1.上导磁环；2.热磁补偿环；3.永磁体；4.磁极片；5.线圈骨架；6.线圈；7.检测质量；8.下导磁环；9.蝶形弹簧；10.螺钉；11.螺纹孔；12.检测质量摆组件；13.测温装置；14.连接环；15.温度控制装置；16.外罩。
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。
一种新型摆式加速度计，包括上导磁环1、下导磁环8、永磁体3、磁极片4、线圈骨架5、线圈6和检测质量7，检测质量是由熔融SiO2经化学刻蚀制成整体摆的形式，检测质量的上面和下面均安装线圈骨架，线圈骨架上缠绕线圈，检测质量、线圈骨架以及线圈组成检测质量摆组件12。上导磁环和下导磁环的内侧均依次粘接永磁体和磁极片，磁极片、永磁体与上导磁环和下导磁环构成上导磁环组件和下导磁环组件。检测质量摆组件夹在上、下导磁环组件之间。
上、下导磁环组件之间通过螺钉10连接，且连接处采用施力可调的蝶形弹簧9进行预紧力调节，使预紧力恒定在一个范围内。其具体结构形式为：在上导磁环和下导磁环上都均布制出多个螺纹孔11，通过安装在螺纹孔内的螺钉将上、下导磁环组件连接在一起。本实施例中上、下导磁环所制的螺纹孔均为三个，且上导磁环所制为盲孔，下导磁环所制为通孔。每个螺钉上均同轴套装一个碟形弹簧，碟形弹簧位于螺钉头部和下导磁环之间。
在上、下导磁环的外部设置一个外罩16，该外罩通过连接环14与上导磁环连接，该外罩采用软磁材料制作而成。外罩上设置测温装置13和温度控制装置15，测温装置和温度控制装置电连接，通过测温装置和温控控制装置实现闭环温度控制。
本发明的整体检测质量选用-OH和杂质含量<1ppm的IV类石英玻璃。力矩器永磁铁选用高磁能积、高矫挽力的永磁合金材料，力矩器动圈骨架并采用线胀系数与检测质量摆线胀系数接近的陶瓷材料，线胀系数8×10-6/℃，与石英材料的线胀系数5×10-7/℃匹配性更好。上、下导磁环组件的永磁体的侧壁上均安装热磁补偿环，磁路中使用热磁温度补偿元件补偿永磁合金因温度变化引入的磁场的变化。
当有加速度沿输入轴作用在检测质量上时，会引起检测质量绕其挠性枢轴产生偏移。此偏移量由检测质量和上导磁环、下导磁环的端面构成的差动电容传感器敏感，电容传感器的输出信号经电子线路输出的电流施加到线圈上，处于磁场中的电流产生的磁场力使检测质量重新平衡。反馈给线圈的电流与被测加速度成正比。此检测质量在输入轴方向的刚度，依据设计要求可以由结构尺寸及加工保证，在摆轴及输出轴方向可认为其刚度无穷大。传感器、力矩器的引出线由检测质量上的金属镀膜引出，省去了活动的导电游丝元件，可以降低引入有害力矩的环节。
Claims (7)
1.一种新型摆式加速度计，包括上导磁环、下导磁环、永磁体、磁极片、线圈骨架、线圈和检测质量，检测质量的上面和下面均安装其上缠绕线圈的线圈骨架，检测质量、线圈骨架以及线圈组成检测质量摆组件，磁极片和永磁体与上导磁环和下导磁环构成上导磁环组件和下导磁环组件，检测质量摆组件夹在上、下导磁环组件之间，其特征在于：上、下导磁环组件之间通过螺钉连接，且连接处采用施力可调的蝶形弹簧进行预紧力调节。
2.根据权利要求1所述的一种新型摆式加速度计，其特征在于：所述的检测质量是由熔融SiO2经化学刻蚀制成整体摆的形式。
3.根据权利要求1所述的一种新型摆式加速度计，其特征在于：所述的检测质量选用-OH和杂质含量<1ppm的IV类石英玻璃。
4.根据权利要求1所述的一种新型摆式加速度计，其特征在于：所述的永磁铁选用高磁能积、高矫挽力的永磁合金材料，力矩器动圈骨架并采用线胀系数与检测质量摆线胀系数接近的陶瓷材料，线胀系数8×10-6/℃，与石英材料的线胀系数5×10-7/℃匹配性更好。
5.根据权利要求1所述的一种新型摆式加速度计，其特征在于：所述的上导磁环和下导磁环上都均布制出多个螺纹孔，通过安装在螺纹孔内的螺钉将上、下导磁环组件连接在一起。
6.根据权利要求1所述的一种新型摆式加速度计，其特征在于：所述的碟形弹簧同轴套装在螺钉上。
7.根据权利要求1所述的一种新型摆式加速度计，其特征在于：所述的上、下导磁环组件的永磁体的侧壁上均安装热磁补偿环。
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