CN109541256A - 一种抗冲击的摆式加速度计 - Google Patents

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CN109541256A CN201811407062.9A CN201811407062A CN109541256A CN 109541256 A CN109541256 A CN 109541256A CN 201811407062 A CN201811407062 A CN 201811407062A CN 109541256 A CN109541256 A CN 109541256A
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张习文
梁璞
魏渊
马天明
李鹏飞
张志刚
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

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Abstract

本发明公开一种摆式加速度计，包括硅整体摆，所述硅整体摆包括动片(3)、定片(1)和连接两部分的挠性支承梁(2)，还包括靠近摆质量处，沿输出轴方向设置的第一组限位结构(4)，和在所述硅整体摆之外，靠近摆质量的质心处，沿输入轴方向设置的第二组限位结构(6)。通过在硅整体摆上设置多组限制挠性支承梁(2)变形的限位结构，可使加速度计在受到输入轴、输出轴等方向的大冲击时，挠性支承梁(2)的最大变形均能受到限制，保护挠性支承梁(2)不会断裂失效，从而提升加速度计的抗冲击能力。且挠性支承梁(2)在限位结构的保护下，厚度可达到10微米以下，从而使加速度计在具有抗600g冲击能力的同时实现高精度。

Description

一种抗冲击的摆式加速度计
技术领域
本发明属于高精度仪器仪表技术，具体涉及一种抗冲击的摆式加速度计。
背景技术
加速度计是测量运动载体线加速度的仪表，是惯性导航系统的核心器件之一。在高精度惯性导航领域，应用最广泛的加速度计产品仍以摆式加速度计为主，其中挠性加速度计是最为常见的高精度加速度计产品，具有结构简单、精度和灵敏度高、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。
现有技术中，挠性摆式加速度计采用挠性支承梁作为摆质量的支承，加速度计没有限位结构或者只有单方向限位结构，无法对加速度计在全方向上进行保护，随着挠性加速度计的应用越来越广泛，一些应用在恶劣环境中的挠性加速度计，在经历较大冲击条件时容易发生挠性支承梁断裂的情况，因此挠性加速度计的冲击可靠性成为制约其应用的重要因素。
此外，挠性加速度计的性能与挠性支承梁的结构刚度成反比，即同等条件下，挠性支承梁的结构刚度越小，则加速度计的性能越好，为保证加速度计的可靠性要求，挠性支承梁的厚度难以达到20微米以下，且抗冲击能力仅能达到250g，因此这也制约了挠性加速度计综合性能的提高。
发明内容
为了克服现有技术的上述不足，本发明的目的是在不改变加速度计外形结构的情况下，提供一种抗冲击能力达到600g的摆式加速度计。
按照本发明的一种抗冲击的摆式加速度计包括硅整体摆，所述硅整体摆包括动片、定片和连接动片与定片的挠性支承梁，所述摆式加速度计还包括靠近摆质量的质心处，沿输出轴方向设置的第一组限位结构，和所述硅整体摆之外，靠近摆质量的质心处，沿输入轴方向设置的第二组限位结构。这样，通过设置两组限制挠性支承梁变形的限位结构，从两个方向限制挠性支承梁的最大变形，从而限制挠性支承梁的最大应力，提升加速度计的抗冲击能力。
进一步地，所述第一组限位结构设置在动片与定片之间，可以集成在硅整体摆上，从而简化装配工艺。
进一步地，所述摆式加速度计还包括在挠性支承梁的靠近动片一端，沿输入轴方向设置的第三组限位结构。这样，进一步限制挠性支承梁的输入轴方向最大变形，从而限制挠性支承梁的最大应力。
进一步地，由于可设置两组、三组或者甚至更多组限位结构，挠性支承梁得到很好的保护，因此可以使挠性支承梁的厚度降低到10微米以下，从而使加速度计的性能更好。
进一步地，所述第一、第二和第三组限位结构可分别由两个限位结构组成。
本发明的采用多组限位结构的加速度计，使加速度计在受到输入轴、摆轴、输出轴方向的大冲击时，挠性支承梁的最大变形均能受到限制，保护挠性支承梁不会断裂失效。且挠性支承梁在限位结构的保护下，可以实现更小的刚度，厚度通常可达到10微米以下，从而使加速度计在具有抗600g冲击能力的同时实现高精度。
附图说明
图1是本发明的加速度计中硅整体摆及其中的第一组限位结构的示意图；
图2是本发明的加速度计中的第二、第三组限位结构的示意图。
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方式对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，所述硅整体摆包括动片3、定片1和连接这两部分的挠性支承梁2，以及动片3与定片1之间，靠近摆质量处沿输出轴方向设置的第一组限位结构4。限位结构4可约束摆质量在经历冲击时沿输出轴方向的最大变形，从而限制挠性支承梁2的最大应力，实现对挠性支承梁2的保护。尽管上面说明了本实施例中采用的限位结构集成在硅整体摆上的具体实施方式，不过，限位结构不限于此，也可采用其他形式的限位结构，只要能够限制摆质量沿输出轴方向的最大变形即可。
如图2所示，所述硅整体摆的输入轴方向设置有两组限位结构，在本例中，采用限位螺钉的形式，分别是在挠性支承梁2靠近动片3一端，沿输入轴方向设置的第三组限位结构5，和摆质量的质心处，沿输入轴方向设置的第二组限位结构6。限位结构5限制挠性支承梁2的输入轴方向最大变形，从而限制挠性支承梁的最大应力。限位结构6限制摆质量的输入轴方向的最大变形，从而限制挠性支承梁的最大应力。尽管上面说明了本实施例中采用的限位结构的具体实施方式，不过，限位结构不限于螺钉，也可采用其他形式的限位结构，只要能够限制摆质量沿输入轴方向的最大变形即可。
当有输入轴、摆轴、输出轴方向的冲击加速度信号输入时，摆质量受到惯性力的作用发生运动，通过三组限位结构限制挠性支承梁的最大变形，可确保挠性支承的最大应力不超过硅材料的破坏应力，从而防止挠性支承梁发生断裂失效。
所述硅整体摆采用MEMS工艺加工，由于可以采用两组、三组或者甚至更多组限位结构，挠性支承梁2得到很好的保护，因此可使挠性支承梁2的厚度降低到10微米以下，从而使加速度计的性能更好。
表1所示为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28.6μg和37.5μg，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
采用5块本发明的加速度计进行跌落式冲击试验，从250g开始，以50g为步进递增直至600g，每一g值条件下分别沿加速度计输入轴正方向、输出轴正负方向、摆轴正负方向共计五个方向各冲击3次，冲击波型为1ms的半正弦波，跌落式冲击试验统计结果显示，5块加速度计经历600g冲击试验后均未发生挠性支承梁断裂失效，实现了加速度计抗冲击能力>600g。
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 (7)

1.一种抗冲击的摆式加速度计，包括硅整体摆，所述硅整体摆包括动片(3)、定片(1)和连接动片(3)与定片(1)的挠性支承梁(2)，所述摆式加速度计还包括靠近摆质量的质心处，沿输出轴方向设置的第一组限位结构(4)，和在所述硅整体摆之外，靠近摆质量的质心处，沿输入轴方向设置的第二组限位结构(6)。
2.根据权利要求1所述的摆式加速度计，其中所述第一组限位结构(4)设置在动片(3)与定片(1)之间。
3.根据权利要求1或2所述的摆式加速度计，还包括在挠性支承梁(2)的靠近动片(3)一端，沿输入轴方向设置的第三组限位结构(5)。
4.根据权利要求1或2所述的摆式加速度计，其中挠性支承梁(2)的厚度小于等于10微米。
5.根据权利要求1或2所述的摆式加速度计，其中所述第一和第二组限位结构(4、5)分别由两个限位结构组成。
6.根据权利要求3所述的摆式加速度计，其中挠性支承梁(2)的厚度小于等于10微米。
7.根据权利要求3所述的摆式加速度计，其中所述第一、第二和第三组限位结构(4、5、6)分别由两个限位结构组成。
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