CN110702944A - 一种静电力反馈挠性摆式加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种静电力反馈挠性摆式加速度计，包括表芯，表芯包括硅摆片(10)、光学位移传感器、静电力反馈力矩器和底座(9)，硅摆片(10)包括定片(1)、动片(4)和挠性支承梁(2)，静电力反馈力矩器包括静电力反馈上极板(3)、静电力反馈下极板(8)和两者之间的动片(4)，光学位移传感器中的可动光窗(5)固定在动片(4)上，检测动片位移，静电力反馈上极板(3)、定片(1)和静电力反馈下极板(8)叠装固定在底座(9)上，动片(4)与静电力反馈上极板(3)及静电力反馈下极板(8)的间隙中设有限位凸台(11)。本发明通过结合光学位移检测、静电力反馈和整体摆，应用于加速度计测量，可实现精度为μg0/ppm级的加速度测量。

Description

一种静电力反馈挠性摆式加速度计

技术领域

本发明属于高精度仪器仪表技术领域，具体涉及一种静电力反馈挠性摆式加速度计。

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，再通过信号调理电路反馈输出相应的电流，输入到永磁式力矩器的力矩器线圈，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，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。

上述永磁式力矩器为一种电磁力反馈力矩器，关键部件为永磁磁钢，磁性材料固有的磁性能衰减直接影响了加速度计的刻度系数性能。

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刻度系数稳定性能好的静电力反馈挠性摆式加速度计。

本发明的上述目的是利用以下技术方案实现的：

一种静电力反馈挠性摆式加速度计，包括表芯，其中所述表芯包括硅摆片、光学位移传感器、静电力反馈力矩器和底座，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、光电接收器及可动光窗，所述静电力反馈力矩器包括静电力反馈上极板、静电力反馈下极板和介于两者之间间隙中的动片。可动光窗固定在动片上，并介于光源和光电接收器之间，用于检测动片的位移。静电力反馈上极板、定片和静电力反馈下极板三者叠装在一起，并固定在底座上。所述动片的上下表面、静电力反馈上极板的下表面和静电力反馈下极板的上表面有金属镀层，用于形成静电力场，产生静电反馈力，且动片分别和静电力反馈上极板、静电力反馈下极板形成的间隙中有限位凸台，用于防止静电极板间的吸合。

在本发明的静电力反馈挠性摆式加速度计，所述限位凸台可布置在动片的上下表面上，也可布置在静电力反馈上极板和静电力反馈下极板上面向动片的表面上。

在本发明的静电力反馈挠性摆式加速度计，所述金属镀层为复合金属镀层，比如铝-钛-金。

在本发明的静电力反馈挠性摆式加速度计，所述硅摆片、静电力反馈上极板和静电力反馈下极板三者为层叠结构，所述层叠结构形状可为矩形、三角形、圆形或椭圆形。

在本发明的静电力反馈挠性摆式加速度计，所述挠性支承梁可为3个或更多个，以便减小应力集中。

本发明的静电力反馈挠性摆式加速度计通过将光学位移检测方式、静电力反馈方式与整体摆相结合，应用于加速度计测量，可实现精度为μg0/ppm级的加速度测量。

附图说明

图1是本发明的静电力反馈挠性摆式加速度计中的表芯的组成示意图；

图2是本发明的静电力反馈挠性摆式加速度计中的硅摆片的结构示意图；

图3是本发明的静电力反馈挠性摆式加速度计所采用的光电传感器的示意图。

具体实施方式

为了更清楚地理解本发明的目的、技术方案及优点，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

本发明提供一种刻度系数稳定性能好的静电力反馈挠性摆式加速度计。图1是该静电力反馈挠性摆式加速度计中的表芯的组成示意图。表芯是小型化整体摆式光学加速度计的主要工作部件。如图1所示，本发明的静电力反馈挠性摆式加速度计中的表芯包括硅摆片10(参见图2，图2是本发明的静电力反馈挠性摆式加速度计中的硅摆片的结构示意图)、光学位移传感器、静电力反馈力矩器组件和底座9，所述静电力反馈力矩器组件包括静电力反馈上极板3、静电力反馈下极板8和介于这两者之间间隙中的动片4，光学位移传感器包括可动光窗5、光源6和光电接收器7。

硅摆片10包括定片1、动片4和连接这两部分的挠性支承梁2，可动光窗5固定在动片4上，形成摆质量绕挠性支承梁2转动，可动光窗介于光源6和光电接收器7之间，用于检测动片4位移。静电力反馈上极板3、定片1和静电力反馈下极板8三者叠装在一起，并固定在底座9上，为清楚起见，图1中所示为分离结构，层叠而成的结构的形状无特别要求，可以为矩形、三角形、圆形或椭圆形。所述动片4的上下表面、静电力反馈上极板3的下表面和静电力反馈下极板8的上表面有金属镀层12，用于形成静电力场，产生静电反馈力，所述的金属镀层可以为复合金属镀层，比如分层镀制的铝-钛-金(铝为最低层)。动片4分别和静电力反馈上极板3、静电力反馈下极板8形成的间隙中有限位凸台11，用于防止静电极板间的吸合，限位凸台11可以布置在动片4的上下表面上，也可布置在静电力反馈上极板3和静电力反馈下极板8的分别面向动片的表面上。另外，所述挠性支承梁为3个或更多个，以便于减小应力集中。

图3是本发明的静电力反馈挠性摆式加速度计所采用的光电传感器的示意图。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9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13，光源6发射光线通过可动光窗5照射到两个光电池13上，可动光窗5位于平衡位置时，两个光电池13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13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放大后，产生大小相等、方向相反的反馈控制电压信号，分别加载到静电力反馈上极板3和静电力反馈下极板8上，与动片4上加载的直流偏置电压共同作用产生静电力平衡力矩，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，而输入给静电力反馈力矩器的反馈控制电压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永磁式力矩器，该永磁式力矩器的性能受永磁材料磁稳定性的影响较大。静电力反馈力矩器可通过提高静电力矩器偏压的稳定性、提高静电力矩器极板温度场的均匀性等手段提升力刻度系数的稳定性，不受材料稳定性的影响。因此可大幅提升加速度计刻度系数的稳定性。

Claims (8)

1.一种静电力反馈挠性摆式加速度计，包括表芯，其中所述表芯包括硅摆片(10)、光学位移传感器、静电力反馈力矩器和底座(9)，所述硅摆片(10)包括定片(1)、动片(4)和连接这两部分的挠性支承梁(2)，所述光学位移传感器包括光源(6)、光电接收器(7)及可动光窗(5)，所述静电力反馈力矩器包括静电力反馈上极板(3)、静电力反馈下极板(8)和介于两者之间间隙中的动片(4)，可动光窗(5)固定在动片(4)上，并介于光源(6)和光电接收器(7)之间，用于检测动片(4)的位移，静电力反馈上极板(3)、定片(1)和静电力反馈下极板(8)三者叠装在一起，并固定在底座(9)上，所述动片(4)的上下表面、静电力反馈上极板(3)的下表面和静电力反馈下极板(8)的上表面有金属镀层(12)，且动片(4)分别和静电力反馈上极板(3)、静电力反馈下极板(8)形成的间隙中设有限位凸台(11)。

2.根据权利要求1所述的静电力反馈挠性摆式加速度计，其中所述限位凸台(11)布置在动片(4)的上下表面上。

3.根据权利要求1所述的静电力反馈挠性摆式加速度计，其中所述限位凸台(11)布置在静电力反馈上极板(3)和静电力反馈下极板(8)的分别面向动片(4)的表面上。

4.根据权利要求1所述的静电力反馈挠性摆式加速度计，其中所述限位凸台(11)布置在动片(4)的上下表面，以及静电力反馈上极板(3)和静电力反馈下极板(8)的分别面向动片(4)的表面上。

5.根据权利要求1所述的静电力反馈挠性摆式加速度计，其中所述金属镀层(12)为复合金属镀层。

6.根据权利要求5所述的静电力反馈挠性摆式加速度计，其中所述复合金属镀层为铝-钛-金。

7.根据权利要求1所述的静电力反馈挠性摆式加速度计，其中硅摆片(10)、静电力反馈上极板(3)和静电力反馈下极板(8)构成的层叠结构为矩形、三角形、圆形或椭圆形。

8.根据权利要求1所述的静电力反馈挠性摆式加速度计，其中所述挠性支承梁(2)为3个或更多个。

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