CN113640545A - 一种当量可调式加速度计及其内部故障快速定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种当量可调式加速度计及其内部故障快速定位方法，其目的是解决现有加速度计存在当量不可调，且随着时间的推移当量逐渐变大的技术问题。该加速度计包括第一可调电阻和第二可调电阻，以及同时设置于上轭铁或下轭铁上的无磁漆包线A’接线柱和无磁漆包线B’接线柱；无磁漆包线A’的相应镀金区域通过金属丝连接无磁漆包线A’接线柱；无磁漆包线B’的相应镀金区域通过金属丝连接无磁漆包线B’接线柱；第一可调电阻连接于所述无磁漆包线A’接线柱和无磁漆包线B’接线柱之间；第二可调电阻连接于力矩器高低端接线柱之间。该方法通过对上、下动圈组件线圈各自开路与短路情况进行识别，实现对加速度计内部故障的快速排查与定位。

Description

一种当量可调式加速度计及其内部故障快速定位方法

技术领域

本发明涉及一种加速度计，具体涉及一种当量可调式加速度计及其内部故障快速定位方法。

背景技术

现有加速度计中的石英加速度计，是利用牛顿第二定律(惯性定律)测量加速度的惯性导航器件，被广泛应用于飞船等导航系统，是导航系统的核心部件之一，它是利用差动电容原理检测加速度的一种加速度计。具体检测过程为：加速度计通过检测质量来敏感输入加速度，当加速度计的输入轴方向存在加速度载荷时，检测质量在惯性力作用下偏离平衡位置，绕挠性枢轴做偏摆运动。加速度计的上轭铁、下轭铁与摆片构成的差动电容传感器，输出差动电容，上轭铁和下轭铁的差动电容通过无磁漆包线连接伺服电路的差动电容检测器，并将之转换为一定量电流，再经过积分放大后，成为平衡电流输出给力矩器线圈(即粘接在摆片正、反两面的动圈组件)，平衡电流流经线圈时产生的电磁力形成与惯性力矩数值相等、方向相反的平衡力矩，平衡电流和加速度呈正比例关系。

在现有技术中，石英加速度计主要由上力矩器、下力矩器和石英材质的摆片构成，其敏感部件如图1所示，由上力矩器的上轭铁020下端面(地)、摆片01正面(电容极板正)、摆片01反面(电容极板负)、下力矩器的下轭铁030上端面(地)组成。上轭铁020下端面(地)与摆片01正面(电容极板正)构成C+，下轭铁030上端面(地)与摆片01反面(电容极板负)构成C-。摆片01的正、反两面均粘接有动圈组件，形成敏感质量的摆片01，敏感质量的摆片01随加速度发生变化，摆片01与上轭铁020、下轭铁030的间隙发生变化，导致电容差发生变化(ΔC＝(C+)-(C-))，通过伺服电路将电容信号转换为电流，通过电流的大小反映加速度的大小。

上述加速度计的具体结构，如图2至图8所示，包括上力矩器、下力矩器和摆片01，上力矩器包括上轭铁020和上动圈组件021，以及设置于上轭铁020上的力矩器低端接线柱022、力矩器高端接线柱023、传感器正端接线柱024、传感器负端接线柱025和地线接线柱026；下力矩器包括下轭铁030和下动圈组件031；摆片01包括中心片，与中心片同心设置的外环片，以及连接二者的摆梁；所述上动圈组件021和下动圈组件031分别设置于中心片的上、下表面处，上动圈组件021从其动圈骨架的焊接窗口引出无磁漆包线A和无磁漆包线A’，下动圈组件031从其动圈骨架的焊接窗口引出无磁漆包线B和无磁漆包线B’；所述无磁漆包线A焊接于摆片01上表面镀金区域后经金属丝引出连接所述力矩器高端接线柱023，所述无磁漆包线B焊接于摆片01下表面镀金区域、经外环片内侧壁的镀金区域与摆片01上表面镀金区域导通后，经金属丝引出连接所述力矩器低端接线柱022，所述无磁漆包线A’和无磁漆包线B’分别焊接于摆片01上、下表面的镀金区域；所述地线接线柱026直接焊接在下轭铁020上；传感器正端接线柱024通过金属丝连接摆片01上表面镀金区域，传感器负端接线柱025通过金属丝连接摆片01上表面的另一镀金区域，该镀金区域经外环片内侧壁的镀金区域与摆片01下表面的相应镀金区域连接；无磁漆包线A’和无磁漆包线B’分别焊接在摆片01上、下表面的镀金区域，通过在摆片01侧面镀金属膜导通，从而将上、下动圈组件串联在一起。

加速度计输出当量等于输出电流与输入加速度的比值，是一种放大比例因子，工程上称之为加速度计标度因数(单位为mA/g)。加速度计当量越大，代表着加速度计输出能力越强，敏感微小输入的能力越强。同时，加速度计当量越大，代表在相同加速度输入的情况下，加速度计的输出电流越大，而系统的功耗越大，发热越明显，对加速度计整体热影响越大。

目前，不同型号的加速度计对当量的要求不同，从0.6～1.2mA/g不等，由于现有加速度计采用的特定结构，导致生产完成之后，加速度计的当量不可调。故需要根据不同的当量要求，设计不同的加速度计，这对加速度计的生产批次和应用带来了极大的限制。

此外，加速度计的当量公式为：

其中：

k₁为当量；

p为摆性，单位为N·m/g；

K_T为加速度计力矩器系数，单位为N·mm/A；

m为摆组件质量，单位为kg；

L为惯性力臂，单位为m；

l为线圈长度，单位为m；

L’为电磁力臂，单位为m；

B为气隙磁场强度，单位为T；

在实际应用中，由于磁值B随着时间的推移在衰减，造成当量k₁变大，给系统应用造成了困扰，随之的一系列参数均需要调整。

发明内容

本发明的目的是解决现有加速度计存在当量不可调，且随着时间的推移当量k₁逐渐变大，给系统应用造成了困扰，一系列参数均需要随之调整的技术问题，提供一种当量可调式加速度计及其内部故障快速定位方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术解决方案如下：

一种当量可调式加速度计，包括上力矩器、下力矩器和摆片，上力矩器包括上轭铁和上动圈组件；下力矩器包括下轭铁和下动圈组件，以及设置于下轭铁上的力矩器低端接线柱和力矩器高端接线柱；上动圈组件从其动圈骨架的焊接窗口引出无磁漆包线A和无磁漆包线A’，下动圈组件从其动圈骨架的焊接窗口引出无磁漆包线B和无磁漆包线B’；所述无磁漆包线A焊接于摆片上表面相应镀金区域后，经金属丝引出连接所述力矩器高端接线柱，所述无磁漆包线B焊接于摆片下表面相应镀金区域、经摆片的外环片内侧壁的镀金区域与摆片上表面相应镀金区域导通后，经金属丝引出连接所述力矩器低端接线柱，所述无磁漆包线A’和无磁漆包线B’分别焊接于摆片上、下表面的相应镀金区域；

其特殊之处在于：

还包括第一可调电阻和第二可调电阻，以及同时设置于上轭铁或下轭铁上的无磁漆包线A’接线柱和无磁漆包线B’接线柱；

所述摆片上表面无磁漆包线A’的相应镀金区域通过金属丝连接无磁漆包线A’接线柱；

所述摆片下表面无磁漆包线B’的相应镀金区域通过金属丝连接无磁漆包线B’接线柱；

所述第一可调电阻连接于所述无磁漆包线A’接线柱和无磁漆包线B’接线柱之间；

所述第二可调电阻连接于所述力矩器低端接线柱和力矩器高端接线柱之间。

进一步地，所述第一可调电阻和第二可调电阻的阻值范围均为0～200Ω。

进一步地，所述第一可调电阻和第二可调电阻的阻值漂移均在0.001％Ω以内。

进一步地，所述无磁漆包线A’接线柱和无磁漆包线B’接线柱相互纵横错开。

进一步地，所述金属丝为金丝。

同时，本发明还提供一种当量可调式加速度计内部故障快速定位方法，其特殊之处在于，基于上述的当量可调式加速度计，包括以下步骤：

拆除第二可调电阻，测量力矩器高端接线柱与无磁漆包线A’接线柱之间的阻值，判断阻值是否正常，若阻值小于20Ω，则上动圈组件线圈的绝缘膜层破裂；若阻值大于1MΩ，则上动圈组件的无磁漆包线A和/或无磁漆包线A’的焊点脱落，或者上动圈组件的线圈发生了断裂；否则，上动圈组件的线圈正常；

测量力矩器低端接线柱与无磁漆包线B’接线柱之间的阻值，判断阻值是否正常，若阻值小于20Ω，则下动圈组件线圈的绝缘膜层破裂，若阻值大于1MΩ，则下动圈组件的无磁漆包线B和/或无磁漆包线B’的焊点脱落，或者下动圈组件的线圈发生了断裂；否则，下动圈组件的线圈正常。

本发明相比现有技术具有的有益效果如下：

1、本发明提供的当量可调式加速度计中，对于分别连接到摆片正反面的无磁漆包线A’和无磁漆包线B’，未采用现有技术的通过在摆片侧面镀金属膜导通，而是通过将现有摆片侧面的导通用金属膜刮除，并在上轭铁或下轭铁上同时设置无磁漆包线A’接线柱和无磁漆包线B’接线柱，然后分别通过金属丝连接无磁漆包线A’和无磁漆包线B’相应镀金区域，从而将无磁漆包线A’和无磁漆包线B’引出，以实现无磁漆包线A’和无磁漆包线B’的开路。通过在无磁漆包线A’接线柱和无磁漆包线B’接线柱的引出线之间连接第一可调电阻，作为加速度计的内部串联电阻，对加速度计当量进行减小调节，在力矩器低端接线柱和力矩器高端接线柱之间连接第二可调电阻，作为加速度计的外部并联电阻，对加速度计当量进行增大调节，从而使得加速度计的生产不再需要根据不同的当量要求设计不同的加速度计，极大地促进了加速度计的规模化批产。

2、由于加速度计测量精度的漂移，本质上是由于磁场强度B随着时间的推移衰减，造成当量变大，导致的加速度计输出变化，本发明提供的当量可调式加速度计中，通过在无磁漆包线A’接线柱和无磁漆包线B’接线柱的引出线之间连接第一可调电阻，在力矩器低端接线柱和力矩器高端接线柱之间连接有第二可调电阻，利用可调电阻的精密调节补偿，实现了加速度计当量表观上的稳定。

3、本发明提供的当量可调式加速度计及其内部故障快速定位方法，由于无磁漆包线A’接线柱和无磁漆包线B’接线柱的设置，实现了上、下力矩器的模块化，通过分别测量力矩器高端接线柱与无磁漆包线A’接线柱之间的阻值、力矩器低端接线柱与无磁漆包线B’接线柱之间的阻值，可以对上动圈组件线圈和下动圈组件线圈分别的开路与短路情况进行识别，实现对加速度计内部故障的快速排查与定位。

4、本发明提供的当量可调式加速度计中，对于同时设置于上轭铁或下轭铁上的无磁漆包线A’接线柱和无磁漆包线B’接线柱，在方便焊接的前提下，采取纵横错开的布置方式，以避免无磁漆包线A’接线柱和无磁漆包线B’分别引出的金属丝之间相接触。

附图说明

图1为现有石英加速度计敏感部件的原理示意图；

图2为现有石英加速度计中上轭铁的结构示意图；

图3为现有石英加速度计中摆片的结构示意图；

图4为现有石英加速度计中上、下动圈组件的结构示意图；

图5为现有石英加速度计中上、下动圈组件的无磁漆包线连接示意图；

图6为现有石英加速度计中摆片上表面的电气结构示意图；

图7为现有石英加速度计中摆片下表面的电气结构示意图；

图8为现有石英加速度计的结构示意图；

图9为本发明当量可调式加速度计中下轭铁的结构示意图；

图10为本发明当量可调式加速度计中摆片的结构示意图，图中还示出了无磁漆包线A’接线柱、无磁漆包线B’接线柱，无磁漆包线A’接线柱接无磁漆包线A引出的金属丝a，无磁漆包线B’接线柱接无磁漆包线B引出的金属丝b，图中圈出的区域c对应现有技术中无磁漆包线A’和无磁漆包线B’的相应镀金区域在摆片侧面镀金属膜导通的金属膜位置，本发明中摆片侧面的该位置未镀导通用金属膜；

图11为本发明中上、下动圈组件连接第一可调电阻和第二可调电阻的结构示意图；

图12为本发明当量可调式加速度计的结构示意图，因第一可调电阻和第二可调电阻均位于下轭铁的背面(下表面)，在本图视角下看不到；

图13为本发明当量可调式加速度计中下轭铁背面与第一可调电阻和第二可调电阻连接处的结构原理示意图；

附图标记说明：

图1至图8(现有技术)中：

01-摆片、020-上轭铁、021-上动圈组件、030-下轭铁、031-下动圈组件、022-力矩器低端接线柱、023-力矩器高端接线柱、024-传感器正端接线柱、025-传感器负端接线柱、026-地线接线柱；

图9至图13(本发明)中：

1-摆片、20-上轭铁、21-上动圈组件、30-下轭铁、31-下动圈组件、32-力矩器低端接线柱、33-力矩器高端接线柱、34-传感器正端接线柱、35-传感器负端接线柱、4-无磁漆包线A’接线柱、5-无磁漆包线B’接线柱、6-第一可调电阻、7-第二可调电阻。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步地说明。

一种当量可调式加速度计，如图9至图13所示，包括上力矩器、下力矩器、摆片1、无磁漆包线A’接线柱4、无磁漆包线B’接线柱5、第一可调电阻6和第二可调电阻7。其中，上力矩器包括上轭铁20和上动圈组件21；下力矩器包括下轭铁30和下动圈组件31，以及设置于下轭铁30上的力矩器低端接线柱32、力矩器高端接线柱33、传感器正端接线柱34、传感器负端接线柱35和地线接线柱；摆片1包括中心片，与中心片同心设置的外环片，以及连接二者的摆梁；所述上动圈组件21和下动圈组件31分别设置于中心片的上、下表面处，上动圈组件21从其动圈骨架的焊接窗口引出无磁漆包线A和无磁漆包线A’，下动圈组件31从其动圈骨架的焊接窗口引出无磁漆包线B和无磁漆包线B’。

所述无磁漆包线A焊接于摆片1上表面相应镀金区域后，经金属丝引出连接所述力矩器高端接线柱33，所述无磁漆包线B焊接于摆片1下表面相应镀金区域、经外环片内侧壁的镀金区域与摆片1上表面相应镀金区域导通后，经金属丝引出连接所述力矩器低端接线柱32，所述无磁漆包线A’和无磁漆包线B’分别焊接于摆片1上、下表面的相应镀金区域；所述地线接线柱直接焊接在下轭铁30上；传感器正端接线柱34通过金属丝连接摆片1上表面镀金区域，传感器负端接线柱35通过金属丝连接摆片1上表面的另一镀金区域，该镀金区域经外环片内侧壁的镀金区域与摆片1下表面的相应镀金区域连接；无磁漆包线A’接线柱4和无磁漆包线B’接线柱5同时设置于下轭铁30(或上轭铁20)上；所述摆片1上表面无磁漆包线A’的相应镀金区域通过金属丝连接无磁漆包线A’接线柱4；所述摆片1下表面无磁漆包线B’的相应镀金区域通过金属丝连接无磁漆包线B’接线柱5。在方便焊接的前提下，同时设置于下轭铁30上的无磁漆包线A’接线柱4和无磁漆包线B’接线柱5应纵横错开，避免无磁漆包线A’4和无磁漆包线B’分别引出的金属丝之间相互接触，所有金属丝均采用金丝。所述第一可调电阻6连接于所述无磁漆包线A’接线柱4和无磁漆包线B’接线柱5之间，作为加速度计的内部串联电阻，对加速度计当量进行减小调节；所述第二可调电阻7连接于所述力矩器低端接线柱32和力矩器高端接线柱33之间，作为加速度计的外部并联电阻，对加速度计当量进行增大调节；第一可调电阻6和所述第二可调电阻7的阻值范围均为0～200Ω，阻值漂移均在0.001％Ω以内。采用上述结构的加速度计，通过将上、下力矩器动圈组件的线圈在加速度计本体之外进行断开，并在体外串联可调电阻进行补偿，最终实现了加速度计当量的调节。

本发明还提供了一种当量可调式加速度计内部故障快速定位方法，该方法基于上述当量可调式加速度计，通过分别测量力矩器高端接线柱与无磁漆包线A’接线柱4之间的阻值、力矩器低端接线柱32与无磁漆包线B’接线柱5之间的阻值，可以对上动圈组件21线圈和下动圈组件31线圈分别的开路与短路情况进行识别，实现对加速度计内部故障的快速排查与定位。

具体包括以下步骤：

拆除第二可调电阻7，测量力矩器高端接线柱33与无磁漆包线A’接线柱4之间的阻值，判断阻值是否正常，若阻值小于20Ω，则上动圈组件21线圈的绝缘膜层破裂；若阻值大于1MΩ，则上动圈组件21的无磁漆包线A和/或无磁漆包线A’的焊点脱落，或者上动圈组件21的线圈发生了断裂；否则，上动圈组件21的线圈正常；

测量力矩器低端接线柱32与无磁漆包线B’接线柱5之间的阻值，判断阻值是否正常，若阻值小于20Ω，则下动圈组件31线圈的绝缘膜层破裂，若阻值大于1MΩ，则下动圈组件31的无磁漆包线B和/或无磁漆包线B’的焊点脱落，或者下动圈组件31的线圈发生了断裂；否则，下动圈组件31的线圈正常。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种当量可调式加速度计，包括上力矩器、下力矩器和摆片(1)，上力矩器包括上轭铁(20)和上动圈组件(21)；下力矩器包括下轭铁(30)和下动圈组件(31)，以及设置于下轭铁(30)上的力矩器低端接线柱(32)和力矩器高端接线柱(33)；上动圈组件(21)从其动圈骨架的焊接窗口引出无磁漆包线A和无磁漆包线A’，下动圈组件(31)从其动圈骨架的焊接窗口引出无磁漆包线B和无磁漆包线B’；所述无磁漆包线A焊接于摆片(1)上表面相应镀金区域后，经金属丝引出连接所述力矩器高端接线柱(33)，所述无磁漆包线B焊接于摆片(1)下表面相应镀金区域、经摆片(1)的外环片内侧壁的镀金区域与摆片(1)上表面相应镀金区域导通后，经金属丝引出连接所述力矩器低端接线柱(32)，所述无磁漆包线A’和无磁漆包线B’分别焊接于摆片(1)上、下表面的相应镀金区域；

其特征在于：

还包括第一可调电阻(6)和第二可调电阻(7)，以及同时设置于上轭铁(20)或下轭铁(30)上的无磁漆包线A’接线柱(4)和无磁漆包线B’接线柱(5)；

所述摆片(1)上表面无磁漆包线A’的相应镀金区域通过金属丝连接无磁漆包线A’接线柱(4)；

所述摆片(1)下表面无磁漆包线B’的相应镀金区域通过金属丝连接无磁漆包线B’接线柱(5)；

所述第一可调电阻(6)连接于所述无磁漆包线A’接线柱(4)和无磁漆包线B’接线柱(5)之间；

所述第二可调电阻(7)连接于所述力矩器低端接线柱(32)和力矩器高端接线柱(33)之间。

2.根据权利要求1所述的当量可调式加速度计，其特征在于：

所述第一可调电阻(6)和第二可调电阻(7)的阻值范围均为0～200Ω。

3.根据权利要求2所述的当量可调式加速度计，其特征在于：

所述第一可调电阻(6)和第二可调电阻(7)的阻值漂移均在0.001％Ω以内。

4.根据权利要求1或2或3所述的当量可调式加速度计，其特征在于：

所述无磁漆包线A’接线柱(4)和无磁漆包线B’接线柱(5)相互纵横错开。

5.根据权利要求4所述的当量可调式加速度计，其特征在于：

所述金属丝为金丝。

6.一种当量可调式加速度计内部故障快速定位方法，其特征在于，基于权利要求1至5任一项所述的当量可调式加速度计，包括以下步骤：

拆除第二可调电阻(7)，测量力矩器高端接线柱(33)与无磁漆包线A’接线柱(4)之间的阻值，判断阻值是否正常，若阻值小于20Ω，则上动圈组件(21)线圈的绝缘膜层破裂；若阻值大于1MΩ，则上动圈组件(21)的无磁漆包线A和/或无磁漆包线A’的焊点脱落，或者上动圈组件(21)的线圈发生了断裂；否则，上动圈组件(21)的线圈正常；

测量力矩器低端接线柱(32)与无磁漆包线B’接线柱(5)之间的阻值，判断阻值是否正常，若阻值小于20Ω，则下动圈组件(31)线圈的绝缘膜层破裂，若阻值大于1MΩ，则下动圈组件(31)的无磁漆包线B和/或无磁漆包线B’的焊点脱落，或者下动圈组件(31)的线圈发生了断裂；否则，下动圈组件(31)的线圈正常。

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