CN109142787A - 一种非金属挠性整体摆 - Google Patents

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张习文
赵坤帅
梁璞
李鹏飞
杨卫平
王晓勇
孙继奕
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    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/093—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by photoelectric pick-up

Abstract

本发明公开一种非金属挠性整体摆，包括动片(3)、定片(1)、连接动片(3)和定片(1)的挠性支承梁(2)、和光学位移传感器，所述光学位移传感器包括光源(5)、光电接收器(6)及位于光源(5)和光电接收器(6)之间的可动光窗(4)，所述可动光窗(4)固定在动片(3)上，动片(3)和可动光窗(4)构成绕挠性支承梁(2)摆动的摆质量。在本发明的非金属挠性整体摆中，通过将光学位移检测器件集成在非金属挠性整体摆上，应用于加速度测量，光学位移检测传感器为线位移传感器，仅敏感可动光窗安装位置的特定方向上的位移变化，因此受摆片变形的影响较小，可以实现更高输出稳定性的加速度计。

Description

一种非金属挠性整体摆
技术领域
本发明属于高精度仪器仪表技术，具体涉及一种非金属挠性整体摆。
背景技术
现有技术中，石英挠性摆式加速度计是最为常见的加速度计，其核心部件为石英摆片。石英摆片基本构型为圆形，包括中间叶片(动片)部分和外圈(定片)以及连接两部分的挠性支承梁。摆片外圈上有多个凸台，固定连接于上下两个力矩器轭铁之间。石英摆片和力矩器轭铁的端面组成差分电容位移检测传感器，石英摆片的中间叶片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，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，从而使得差分电容传感器的电容值发生改变，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，即可实现输入加速度到电压信号的转换。
上述石英摆片为差分电容位移传感器的可动极板，对摆片的面形精度要求较高，加工与装配过程中带来摆片变形及其稳定性直接影响了输入加速度到电压信号的转换，因此制约了石英挠性摆式加速度计性能的提高。
发明内容
鉴于现有技术的上述情况，本发明的目的是提供一种可使加速度计的输出稳定性更高的非金属挠性整体摆。
本发明的上述目的是利用以下的技术方案实现的：
一种非金属挠性整体摆，包括动片、定片、连接动片和定片的挠性支承梁、和光学位移传感器，所述光学位移传感器包括光源、光电接收器及位于光源和光电接收器之间的可动光窗，所述可动光窗固定在动片上，动片和可动光窗构成绕挠性支承梁摆动的摆质量。所述非金属挠性整体摆的工作原理是，当有外界加速度信号输入时，所述摆质量受到惯性力的作用发生摆动，通过光学位移传感器测量摆质量的位移，读出光学位移传感器的输出，从而实现加速度到电流信号的转换。
另外，在本发明的非金属挠性整体摆中，光源和光电接收器固定在定片上。
另外，在本发明的非金属挠性整体摆中，非金属挠性整体摆是采用陶瓷、石英、硅或碳化硅加工的。
另外，在本发明的非金属挠性整体摆中，非金属挠性整体摆的形状为矩形、三角形、圆形或椭圆形。
另外，在本发明的非金属挠性整体摆中，所述挠性支承梁为两个或更多个，通过采用多梁组合结构形式，实现对摆质量的挠性支承，可减小挠性支承梁的应力集中，提高整体摆的结构稳定性。
另外，在本发明的非金属挠性整体摆中，所述光电接收器由两个光电池组成，光源发射光线通过可动光窗照射到两个光电池上，当可动光窗位于平衡位置时，两个光电池接收光通量相等，输出电流大小相等，光电接收器输出电流为零，当可动光窗相对光电接收器发生位移时，两个光电池接收光通量不相等，输出电流大小不相等，光电接收器的输出电流大小与可动光窗的位移成正比。
在本发明的非金属挠性整体摆中，通过将光学位移检测器件集成在非金属挠性整体摆上，应用于加速度测量，光学位移检测传感器为线位移传感器，仅敏感可动光窗安装位置的特定方向上的位移变化，因此受摆片变形的影响较小，可以实现更高输出稳定性的加速度计，实现精度为μg/ppm级的加速度测量。
附图说明
图1为本发明的非金属挠性整体摆的结构示意图；
图2为本发明的非金属挠性整体摆中光学位移传感器的示意图；
图3为本发明的非金属挠性整体摆的组合梁结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，所述非金属挠性整体摆采用硅材料加工，形状为矩形构型，包括定片1、动片3和连接两部分的挠性支承梁2，光源5与光电接收器6固定在定片1上，动片3及固定在动片上3的可动光窗4构成绕挠性支承梁2摆动的摆质量。尽管上面说明了本实施例中采用的非金属挠性整体摆的具体材料和结构，不过，非金属挠性整体摆的材料和结构不限于此，也可采用陶瓷、石英、碳化硅等其他非金属材料加工，可采用矩形、三角形、椭圆形等非圆形构型，也可采用圆形构型，只要能够实现整体摆结构即可。本实施例中光源5与光电接收器6固定在定片1上，不过，光源5和光电接收器6的固定位置不限于此，也可固定在其他基准上，只要能够实现固定安装即可。
如图2所示，所述光学位移传感器包括可动光窗4、光源5和光电接收器6，光源5和光电接收器6固定在底座8上，可动光窗4安装在动片3上，且位于光源5和光电接收器6之间，光电接收器6上布置有两个光电池7，光源5发射光线通过可动光窗4照射到两个光电池7上，可动光窗4位于平衡位置时，两个光电池7接收光通量相等，输出电流大小相等，将光电池输出电流相减，则光电接收器6输出电流为零，当可动光窗4相对光电接收器6发生位移时，两个光电池7接收光通量不相等，输出电流大小不相等，将光电池输出电流相减，则光电接收器6输出电流大小与可动光窗的位移成正比，从而实现位移的测量。尽管上面说明了本实施例中采用的光学位移传感器的具体结构，不过，光学位移传感器不限于此，也可采用其他结构的光学位移传感器，只要能够精确测量摆质量的位移即可。
如图3所示，所述非金属挠性整体摆包括定片1、动片3和连接两部分的组合式挠性支承梁2，本实施例中采用了六梁组合式挠性支承梁，以减小挠性支承梁的应力集中，提高整体摆的结构稳定性。不过，组合式挠性梁的结构形式不限于此，也可采用其他非两根梁的组合梁结构形式，只要能够实现摆质量的支承即可。
当有外界加速度信号输入时，摆质量受到惯性力的作用发生摆动，可动光窗4相对于固定在底座8上的光电接收器6产生位移，光电接收器6产生电流输出，从而实现加速度到电流信号的转换。
现有石英挠性摆片应用于差分电容式位移传感器，该传感器为面位移传感器，可敏感摆片电容传感器极板面内所有位置的位移变化，因此受摆片变形的影响较大。光学位移检测传感器为线位移传感器，仅敏感可动光窗安装位置的特定方向上的位移变化，因此受摆片变形的影响较小。采用光学位移传感器相对与差分电容式位移传感器在结构变形及其稳定性相当的情况下，可以实现更高输出稳定性的加速度计。
表1所示为应用本发明的加速度计连续两个月的偏值重复性测试数据，每次测试间隔时间为15天，共进行5次测试，K0(偏值)变化极值分别为6.34μg和5.78μg，达到高精度加速度计精度水平。
表1连续两个月偏值重复性数据
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种非金属挠性整体摆，包括动片(3)、定片(1)、连接动片(3)和定片(1)的挠性支承梁(2)、和光学位移传感器，所述光学位移传感器包括光源(5)、光电接收器(6)及位于光源(5)和光电接收器(6)之间的可动光窗(4)，所述可动光窗(4)固定在动片(3)上，动片(3)和可动光窗(4)构成绕挠性支承梁(2)摆动的摆质量。
2.根据权利要求1所述的非金属挠性整体摆，其中光源(5)和光电接收器(6)固定在定片(1)上。
3.根据权利要求1所述的非金属挠性整体摆，其中非金属挠性整体摆是采用陶瓷、石英、硅或碳化硅加工的。
4.根据权利要求3所述的非金属挠性整体摆，其中非金属挠性整体摆的形状为矩形、三角形、圆形或椭圆形。
5.根据权利要求1所述的非金属挠性整体摆，其中所述挠性支承梁(2)为两个或更多个。
6.根据权利要求1所述的非金属挠性整体摆，其中所述光电接收器(6)由两个光电池(7)组成，光源(5)发射光线通过可动光窗(4)照射到两个光电池(7)上，当可动光窗(4)位于平衡位置时，两个光电池(7)接收光通量相等，输出电流大小相等，光电接收器(6)输出电流为零，当可动光窗(4)相对光电接收器(6)发生位移时，两个光电池(7)接收光通量不相等，输出电流大小不相等，光电接收器(6)输出电流大小与可动光窗的位移成正比。
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