CN109541257A - 一种摆式加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种摆式加速度计，其中加速度计述表芯包括硅摆片(10)、光学位移传感器、力矩器组件和底座(9)，硅摆片(10)包括定片(1)、动片(3)和连接这两者的挠性支承梁(2)，光学位移传感器包括光源(6)、光电接收器(7)及位于两者之间的可动光窗(5)，力矩器组件包括磁钢组件(8)和力矩器线圈(4)，力矩器线圈(4)和可动光窗(5)固定在动片(3)上，三者构成可绕挠性支承梁摆动的摆质量，磁钢组件(8)和底座(9)形成环状气隙磁场，力矩器线圈(4)在环状气隙磁场中工作，提供反馈力。本发明的摆式加速度计将光学位移检测方式与整体摆相结合，应用于加速度计测量，实现精度为μg0/ppm级的加速度测量。

Description

一种摆式加速度计

技术领域

本发明属于高精度仪器仪表技术领域，具体涉及一种摆式加速度计。

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，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，以及石油钻井、建筑、堤坝的倾角测量以及地震监测等领域。

现有摆式加速度计中，摆片和固定极板组成差分电容位移传感器，当有外界加速度信号输入时，摆片受到惯性力的作用发生摆动，从而使得差分电容位移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，再通过信号调理电路反馈输出相应的电流，经过力矩器线圈给力矩器，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。

上述差分电容位移传感器为一种面位移检测传感器，关键部件为挠性摆片，加工与装配过程中带来摆片变形及其稳定性直接影响了加速度计的性能。

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测量精度高、综合性能好的摆式加速度计。

本发明的上述目的是利用以下的技术方案实现的：

一种摆式加速度计，包括表芯，其中所述表芯包括硅摆片、光学位移传感器、力矩器组件和底座，所述硅摆片包括定片、动片和连接这两部分的挠性支承梁，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，力矩器组件包括磁钢组件和力矩器线圈，其中所述定片、光源与光电接收器和磁钢组件固定在底座上，力矩器线圈和可动光窗固定在动片上，三者构成可绕挠性支承梁摆动的摆质量，磁钢组件和底座形成环状气隙磁场，力矩器线圈在环状气隙磁场中工作，提供反馈力。

进一步地，所述硅摆片为长摆臂构型，摆质量的质心距离摆动中心达到10mm以上，长摆臂构型有助于提高加速度计的检测分辨率。

进一步地，所述表芯包括相互垂直安装，且与电路一体化封装的三个独立表芯，从而构成结构紧凑，测试方便的三轴一体化加速度计。

加速度计精度的提高有两种途径：一是降低摆质量的谐振频率，另一种方法是提高加速度计信号传感器的检测分辨率。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，并通过伺服控制电路放大位移传感器的电流信号，再输入到力矩器线圈，力矩器线圈工作在气隙磁场中，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测量。由于本发明中信号传感器采用光学位移传感器检测摆质量的位移，可实现埃级位移检测分辨率，且受电子噪声、机械热噪声及环境电磁干扰的影响较小，从而本发明摆式加速度计的精度可实现μg0/ppm水平。

本发明的优点是：将光学位移检测方式与整体摆相结合，应用于加速度计测量，实现精度为μg0/ppm级的加速度测量。

附图说明

图1是本发明的加速度计中的表芯的组成示意图；

图2是本发明的加速度计中的硅摆片、固定在硅摆片的动片上的力矩器线圈和可动光窗的示意图；

图3是本发明的加速度计所采用的光电传感器的示意图。

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。

图1是本发明的加速度计中的表芯的组成示意图。如图1所示，表芯是小型化整体摆式光学加速度计的主要工作部件，主要由硅摆片10，力矩器组件(包括磁钢组件8和力矩器线圈4)、底座9、光学位移传感器(包括可动光窗5、光源6和光电接收器7)组成。

所述硅摆片10包括定片1、动片3和连接这两部分的挠性支承梁2，定片1、光源6与光电接收器7、磁钢组件8固定在底座9上，力矩器线圈4和可动光窗5固定在动片3上，三者构成摆质量(参见图2)。摆质量可绕挠性支承梁2发生摆动。磁钢组件8固定在底座9的圆孔中，形成环状气隙磁场，力矩器线圈4工作在环状气隙磁场中，可提供反馈力。

如图3所示，所述光学位移传感器包括可动光窗5、光源6和光电接收器7，光源6和光电接收器7固定在底座上，可动光窗5安装在硅摆片10上，且位于光源6和光电接收器7之间，光电接收器7上布置有两个光电池11，光源6发射光线通过可动光窗5照射到两个光电池11上，可动光窗5位于平衡位置时，两个光电池11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7输出电流为零，当可动光窗5相对光电接收器7发生位移时，两个光电池11接收光通量不相等，输出电流大小相等，将光电池输出电流相减，则光电接收器7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。

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5相对于固定在底座9上的光电接收器7产生位移，光电接收器7产生电流输出。再通过信号调理电路处理后，输入力矩器线圈4，力矩器线圈4在气隙磁场中工作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测量。

现有石英加速度计采用差分电容式位移传感器，该传感器为面位移传感器，增加摆质量的臂长对提高传感器的分辨率贡献较小，且增大尺寸后受电子噪声、机械热噪声及环境电磁干扰的影响较大。光学位移检测传感器为线位移传感器，增加摆质量的臂长可显著提高传感器分辨率，因此硅摆片可采用长摆臂构型，并将光学位移传感器的可动光窗5安装在动片3末端，摆质量的质心距离摆动中心达到10mm以上，以提高加速度计的检测分辨率。

现有的惯性导航系统，往往在三个正交方向上每个方向安装一个加速度计。对于本发明实施方式中，三个独立表芯相互垂直安装，集成在同一只加速度计中，并将电路模块一体化设计，形成结构紧凑，测试方便的加速度计。

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17.9μg和22.8μg，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 (3)

1.一种摆式加速度计，包括表芯，其中所述表芯包括硅摆片(10)、光学位移传感器、力矩器组件和底座(9)，所述硅摆片(10)包括定片(1)、动片(3)和连接定片(1)和动片(3)的挠性支承梁(2)，所述光学位移传感器包括光源(6)、光电接收器(7)及位于光源(6)和光电接收器(7)之间的可动光窗(5)，力矩器组件包括磁钢组件(8)和力矩器线圈(4)，其中所述定片(1)、光源(6)与光电接收器(7)、及磁钢组件(8)固定在底座(9)上，力矩器线圈(4)和可动光窗(5)固定在动片(3)上，三者构成可绕挠性支承梁摆动的摆质量，磁钢组件(8)和底座(9)形成环状气隙磁场，力矩器线圈(4)在环状气隙磁场中工作，提供反馈力。

2.根据权利要求1所述的摆式加速度计，其中所述硅摆片(10)为长摆臂构型，摆质量的质心距离摆动中心达到10mm以上。

3.根据权利要求1所述的摆式加速度计，其中所述表芯包括相互垂直安装，且与电路一体化封装的三个独立表芯。