CN114264842B - 一种轴尖支承摆式伺服加速度计 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种轴尖支承摆式伺服加速度计，利用闭环伺服系统的力矩器把检测质量稳定在一个平衡位置上，通过测量流过力矩器的电流大小来间接测量加速度。由于采用金属与锥形宝石轴承配合的刚性支承设计方式，与扭杆开环液浮摆式加速度计比较，阈值、分辨率、线性度精度提高了近百倍，与挠性细筋支承石英加速度计比较，抗振动、冲击能力提高近10倍；本装置具有高灵敏度的电容传感器、单力矩器结构及反馈式高精度集成伺服电路等多项技术；本装置产品具有体积小、重量轻、功耗小、测量范围大，抗振动、精度高、抗环境能力强等特点，技术水平处于国内领先，适合在飞控系统、飞参系统、自动驾驶仪系统等领域中广泛应用。
Description
技术领域
本发明属于液浮摆式加速度计领域，特别涉及一种轴尖支承摆式伺服加速度计。
背景技术
伺服摆式加速度计是力反馈摆式加速度计的一种，是在液浮摆式加速度计的基础上发展起来的新一代加速度计，它将输入加速度转换成其摆片的微小角位移，并用力矩器加以平衡。由于采用了力反馈结构，伺服摆式加速度计具有精度高、抗干扰能力强等特点，因此有大量专家学者对伺服摆式加速度计进行了研究。
《挠性摆式加速度计FHPA的研究》主要研究的是对比了宝石轴承式、挠性支撑式以及磁轴承式等组成对加计性能的影响。《液浮摆式力平衡加速度计的研究》主要研究的是利用浮力减轻轴尖与锥形宝石轴承的摩擦。《制导用液浮磁悬浮摆式加速度计的研究》主要研究的是为提高传感器性能，对比了能减少绕输出轴的有害力矩的宝石轴承和电磁非接触悬浮的输出轴，并取得了必要的设计资料。《一种摆式大量程加速度计的设计》主要完成了大量程加速度计的数学模型，阐述了该大量程加速度计在力矩器、伺服电路等方面的特点，局限于加速度计理论方面的数学模型。《石英挠性摆式加速度计全数字伺服回路技术》通过比较各种反馈回路的优缺点，采用加速度计前端信号高速差动解调、A/D、D/A转换等成套数字方法设计反馈回路。《石英挠性加速度计参数长期重复性技术研究》主要研究的是胶粘剂性能变化和焊接应力变化对加速度计偏值重复性的影响。《铍材在高精度石英挠性加速度计上的应用》主要研究的是铍材料对加速度计的零位、标度因数等指标的性能提升，为研究高精度高稳定性石英挠性加速度计提供了新思路。《石英挠性摆式加速度计全数字化伺服回路》通过对前端信号进行A/D高速差动解调、二元调宽脉冲控制、可逆计数数据采集等成套的数字方法，实现对石英挠性摆式加速度计的全数字化控制。
综上所述，国内关于伺服摆式加速度计的文献、论文和专利主要集中在加速度计结构的密封、可靠性和寿命的分析、抗冲击能力提高、磁结构耦合仿真分析、安全使用边界分析、温度补偿、时域动态建模及补偿、误差补偿模型、伺服回路分析等局部方面，在高精度伺服摆式加速度计的整体结构设计及优化方面的研究目前空白。
发明内容
本发明解决的技术问题是：为了克服上述普通液浮摆式加速度计的固有局限，本发明提出一种轴尖支承摆式伺服加速度计。
本发明的技术方案是：一种轴尖支承摆式伺服加速度计，包括接线柱组件1、壳体2、伺服电路板5、支承片6、摆组件7、极板9、座体13和游丝14；
所述壳体2内部为空腔，一端开有螺钉孔，另一端与接线柱组件1连接；
所述接线柱组件1用于接入电源信号，为伺服电路板5供电，并引出伺服电路板5输出的电流信号；
所述座体13通过螺钉固定在壳体2内，且靠近开有螺纹孔的一端；座体13中设有用于安装力矩器的空腔；
所述力矩器包括磁钢12、导磁帽8和线圈；
所述磁钢12固定安装在座体13的空腔中，磁钢12顶部固定有导磁帽8；所述线圈固定在所述摆组件7上，且在摆组件7装配后，线圈处于导磁帽8外侧，且与导磁帽8的气隙差均匀；所述导磁帽8中心开孔；
所述摆组件7用于产生平衡力矩；所述摆组件7包括摆板、固定在摆板上的轴组件和固定在摆板一端的配重；所述摆组件7通过轴组件装配在支承片6上，所述轴组件的轴向垂直于所述壳体2轴线；所述支承片6固定在座体13上；所述摆板另一端插入极板9内部，分别与极板9的上极板以及下极板形成电容传感器；所述线圈固定在摆板一侧面，并在摆板上与线圈中心对应的位置开孔，用于装配时与导磁帽8中心对齐；装配后，通过调整配重，使得摆板一端与上极板以及下极板形成的两个电容传感器的电容差最小；
所述伺服电路板5固定在座体13上，所述伺服电路板5上具有差动电容检测器、电流积分器和放大器；当沿加速度计的输入轴方向有加速度ai作用时，所述摆板受到摆性力矩Mr作用而发生偏转，所述差动电容检测器检测摆板一端与上极板以及下极板形成的两个电容传感器之间的差动电容，并经过电流积分器和放大器后输出电流信号；所述电流信号通过接线柱组件1输出，并通过游丝14传递给所述线圈，使得力矩器产生再平衡力矩平衡因ai引起的摆性力矩Mr。
本发明进一步的技术方案是：两片所述支承片6固定在座体13上，并且在支承片6上固定有轴垫组件，所述轴垫组件与所述轴组件两端轴尖配合，所述轴组件两端轴尖球半径为SR0.025mm～0.045mm，所述轴垫组件上采用的锥形宝石轴承Z1210的轴窝球半径为SR＝0.1mm。
本发明进一步的技术方案是：所述极板9分为上极板和下极板，下极板固定在座体上；上极板以及下极板的一侧各有凸台，上极板以及下极板中具有凸台的一面相对固定安装，使得上极板与下极板在两侧凸台之间具有供摆板摆动的空间。
本发明进一步的技术方案是：所述凸台高度为0.47±0.03mm，上极板与下极板相对的两面间，以及与座体间的绝缘电阻大于100MΩ。
本发明进一步的技术方案是：上极板与下极板采用氧化铝陶瓷材料，双面镀膜金层形成定极板。
本发明进一步的技术方案是：所述磁钢12的磁性能Br大于1.05T，端面开路磁密度Bd'≥0.355T。
本发明进一步的技术方案是：所述支承片为铍青铜材料，厚度为0.14±0.005mm。
本发明进一步的技术方案是：通过调节支承片及安装螺钉，使摆组件7上的轴组件轴线与壳体轴线垂直度小于0.03mm。
本发明进一步的技术方案是：所述的伺服电路板采用二次集成厚膜技术结构，完成信号器的检测，形成适合的稳定动态响应。
本发明进一步的技术方案是：所述座体13采用软磁合金1J50制成。
发明效果
本发明的技术效果在于：发明提出一种轴尖支承摆式伺服加速度计，结合了各类加速度计设计的优点并克服普通液浮摆式加速度计的固有局限。本装置利用闭环伺服系统的力矩器把检测质量稳定在一个平衡位置上，通过测量流过力矩器的电流大小来间接测量加速度。由于采用金属与锥形宝石轴承配合的刚性支承设计方式，与扭杆开环液浮摆式加速度计比较，阈值、分辨率、线性度精度提高了近百倍，与挠性细筋支承石英加速度计比较，抗振动、冲击能力提高近10倍；本装置具有高灵敏度的电容传感器、单力矩器结构及反馈式高精度集成伺服电路等多项技术；本装置产品具有体积小、重量轻、功耗小、测量范围大，抗振动、精度高、抗环境能力强等特点，技术水平处于国内领先，适合在飞控系统、飞参系统、自动驾驶仪系统等领域中广泛应用。
附图说明
图1是本发明的剖视图
图2是本发明的结构爆炸图；
图3是信号流程图；
图4是原理方框图；
图5是接口定义图
图6是本发明的整体分解示意图
图7是本发明中去掉壳体的座体组件结构示意图
图8是座体组件剖视图
附图标记说明：1-接线柱组件；2-壳体；3-密封圈；4-绝缘片；5-伺服电路板；
6-支承片；7-摆组件；8-导磁帽；9-极板；10-螺钉；11-密封垫；12-磁钢；13-座体；14-游丝；15-连线柱；16-轴承组件；17-座体组件；18-锥形轴承
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
参见图1-图8，本发明公开了一种轴尖支承摆式伺服加速度计，包括定位螺钉、密封垫片、壳体、密封圈和座体组件；座体组件包含绝缘子组件、极板、磁钢组件、轴承组件、支承片、座体和摆组件；在座体组件端面粘接有绝缘子组件，并在座体组件上分别设有产生磁场的磁钢组件、作为电容传感器的极板，产生再平衡力矩的摆组件7，轴垫组件和支承片组合将摆组件7固定支承于座体上，伺服电路板与座体组件上的座体通过胶接固定，导电游丝与导线保证摆组件7、极板与伺服电路板之间电信号的连通。需要说明的是，密封垫片起气密作用；壳体用于保护加速度计的内部零组件，同时是加速度计的安装定位基准；本实施例中密封圈为O形，安装在座体前端的梯形环槽内，用于壳体与座体组件之间的密封，壳体内充惰性气体。座体组件是加速度计的工作部分，用于敏感外部输入线加速度，并将加速度信号转换成直流电压信号输出。
进一步的，绝缘子组件、极板与座体用胶粘接，将磁钢组件通过胶粘接在座体的锥形孔内，并保证磁钢组件上的导磁帽与座体上的Φ6.4孔周围的气隙均匀。轴承组件和支承片组合，在保证摆组件的摆片与极板气隙均匀的状态下将摆组件固定支承于座体上，伺服电路板与座体组件上的座体通过胶接固定。
进一步的，摆组件以磁钢组件上的导磁帽的小孔进行定位安装，使摆组件上的轴组件的轴线与座体轴线垂直；摆组件上的轴组件两端轴尖球半径为SR0.025～0.045；摆组件上的配重进行选配和调整，保证产品的零偏、对称性，调节合适后用HY-107胶固定。
进一步的，极板采取氧化铝陶瓷材料，双面镀膜金层形成信号器定极板；极板的凸台高度为0.47±0.03，决定摆组件的摆片可以摆动的范围。其中下极板用胶固定在座体上，将上极板与下极板用胶对接，上极板与下极板相对的两面间及与座体间绝缘电阻大于100MΩ。
进一步的，轴垫组件上的锥形宝石轴承Z1210的轴窝球半径为SR＝0.1mm。
进一步的，支承片为铍青铜材料，厚度为0.14±0.005。
进一步的，座体组件中调整螺钉用来保证阈值、对称性、重复性，调节合适后用HY-107胶固定；座体组件和密封圈装配后装入壳体中，用带密封胶的定位螺钉和密封垫片固紧。座体采取用软磁合金1J50，用于固定安装零部件，与壳体组合成封闭体。
进一步的，伺服电路板采用二次集成厚膜技术结构，完成信号器的检测，形成适合的稳定动态响应。
进一步的，磁钢组件的磁钢的磁性能Br大于1.05T，ф4.7端面开路磁密度Bd'≥0.355T；磁钢组件上的导磁帽Φ0.8的孔定位安装摆组件，然后调节支承片及调整螺钉，使摆组件上轴组件轴线与座体轴线垂直度小于0.03。
进一步的，壳体直径不大于Φ12.8mm。
在使用时，磁钢组件需进行同轴度检测。磁钢组件放在V形铁上，千分表压头以合适的压力压在导磁帽外圆上，用手使磁钢在V型铁上转动，观察千分表指针的变化，其最大读数和最小读数的差值乘以0.002千分表精度，即为同轴度，同轴度应小于φ0.04。
极板在焊接时将地线焊接在极板平面上，冷却后再将导线焊接在极板另一面上，导线、地线的走向应保证后续在座体组件上焊接自然。每次焊接时间不超过2s，在同一焊点位置焊接次数不能超过2次，如需要第二次焊接，2次焊接时间需间隔20s以上。焊点完全冷却后才允许用酒精棉进行清洗。焊点应小而光亮、圆润，严格控制极板上导线焊点、地线焊点的高度。焊接完后在20倍的放大镜下检查焊点应浸润良好、牢固可靠，焊点饱满，无虚焊。保证周围不应有金层脱落的现象。
下面针对图3和图4，对本装置进行进一步更好的解释说明和理解。
所述信号流程图如图3所示，当沿加速度计的输入轴方向有加速度ai作用时，检测质量受到摆性力矩Mr作用而发生偏转，使差动电容传感器产生电容量2×△C，伺服电路中的差动电容检测器检测到这一变化而输出电流iD，该电流由电流积分器积分后输出电压Vi，然后由跨导/补偿放大器把Vi放大并转化为电流i。电流i的大小与输入加速度成正比，极性取决于输入加速度的方向。输出电流i被反馈到力矩器上，产生再平衡力矩Mt以平衡因ai引起的摆性力矩Mr，ai和Mr皆为连续变量。伺服电路根据差动电容传感器的电容量变化而工作，它使得△C始终保持在最小值。在极高的回路增益下，由ai引起的惯性力矩将不断被再平衡力矩所平衡。电流积分器与跨导/补偿放大器一起完成对系统的频率补偿作用，使之满足所要求的静态和动态指标。
所述原理方框图如图4所示，若设初始条件为0，则△C的终值为：
式中：
ai——沿输入轴的输入加速度；
P——摆性；
KP——电容传感器的传递系数；
Ktg——力矩系数；
JS2+DS+Kc——二阶微分环节；
i——输出电流。
当伺服电路的前向通道有积分环节时，其稳态值为0，这时有：
P·ai＝Ktg·i
由上式可知输出电流i与输入加速度成正比，电流i由采样电阻转换成成比例的电压信号,提供给系统使用。
可列出加速度计的闭环传递函数:
式中：
K——伺服回路的刚度，K＝Kp·Km+Ktg，N·m/rad；
KP——电容传感器的传递系数；
Ktg——力矩系数；
Km——伺服电路的增益；
KC——摆沿输入轴的转动刚度，N·m/rad；
J——摆组件的转动惯量，Kg·m2；
D——加速度计表头的阻尼系数；
ωn——回路的固有频率,rad/s；
ξ——回路的相对阻尼系数,即阻尼比，
——加速度计的电流标度因数,约为0.26×10-3A/g。
根据三维制图软件可求出摆性P＝m·l＝0.186g×5.2mm＝0.0967g·cm＝0.95×10－5N·m/g；摆组件的转动惯量J＝10.53g·mm2＝1.053×10-9kg·m2。
由及P＝0.95×10－5N·m/g可求得Ktg＝3.65×10-2N·m/A。
参照航天33所顾英等人编制的石英挠性加速度计的资料可知，Km≈109×5×10-2＝5.45。
根据加速度计极板和摆片的尺寸、摆片的转动角度以及电容检测器增益计算KP＝1.06PF/0.007rad×1.8μA/PF＝2.72×10-4A/rad。
力矩系数Ktg在考虑伺服电路的增益KP、Km，换算单位后为3.65×10-2N·m/A×2.72×10-4A/rad×5.54＝5.41×10-6N·m/rad。
将KP、Km、Ktg代入K＝Kp·Km+Ktg，求得K＝1.487×10－3N·m/rad。
摆组件沿输入轴的转动刚度KC取决于两根导电游丝的弹性力矩，约为1.5×10－ 3N·m/rad。
将KC、K、J代入中，求得ωn＝1684rad/s，固有频率fn＝ωn/(2π)＝268Hz，即无阻尼自然频率约268Hz。
将K、J、ωn代入/>可求得加速度计的标准形式传递函数为：
阻尼比ξ可通过并联在调整采样电阻上的电容器的容值保证在0.4～0.9之间。
以上对本发明实施例所公开的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体实施例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种轴尖支承摆式伺服加速度计，其特征在于，包括接线柱组件(1)、壳体(2)、伺服电路板(5)、支承片(6)、摆组件(7)、极板(9)、座体(13)和游丝(14)；
所述壳体(2)内部为空腔，一端开有螺钉孔，另一端与接线柱组件(1)连接；
所述接线柱组件(1)用于接入电源信号，为伺服电路板(5)供电，并引出伺服电路板(5)输出的电流信号；
所述座体(13)通过螺钉固定在壳体(2)内，且靠近开有螺纹孔的一端；座体(13)中设有用于安装力矩器的空腔；
所述力矩器包括磁钢(12)、导磁帽(8)和线圈；
所述磁钢(12)固定安装在座体(13)的空腔中，磁钢(12)顶部固定有导磁帽(8)；所述线圈固定在所述摆组件(7)上，且在摆组件(7)装配后，线圈处于导磁帽(8)外侧，且与导磁帽(8)的气隙差均匀；所述导磁帽(8)中心开孔；
所述摆组件(7)用于产生平衡力矩；所述摆组件(7)包括摆板、固定在摆板上的轴组件和固定在摆板一端的配重；所述摆组件(7)通过轴组件装配在支承片(6)上，所述轴组件的轴向垂直于所述壳体(2)轴线；所述支承片(6)固定在座体(13)上；所述摆板另一端插入极板(9)内部，分别与极板(9)的上极板以及下极板形成电容传感器；所述线圈固定在摆板一侧面，并在摆板上与线圈中心对应的位置开孔，用于装配时与导磁帽(8)中心对齐；装配后，通过调整配重，使得摆板一端与上极板以及下极板形成的两个电容传感器的电容差最小；
所述伺服电路板(5)固定在座体(13)上，所述伺服电路板(5)上具有差动电容检测器、电流积分器和放大器；当沿加速度计的输入轴方向有加速度ai作用时，所述摆板受到摆性力矩Mr作用而发生偏转，所述差动电容检测器检测摆板一端与上极板以及下极板形成的两个电容传感器之间的差动电容，并经过电流积分器和放大器后输出电流信号；所述电流信号通过接线柱组件(1)输出，并通过游丝(14)传递给所述线圈，使得力矩器产生再平衡力矩平衡因ai引起的摆性力矩Mr。
2.如权利要求1所述的一种轴尖支承摆式伺服加速度计，其特征在于，两片所述支承片(6)固定在座体(13)上，并且在支承片(6)上固定有轴垫组件，所述轴垫组件与所述轴组件两端轴尖配合，所述轴组件两端轴尖球半径为SR0.025mm～0.045mm，所述轴垫组件上采用的锥形宝石轴承Z1210的轴窝球半径为SR＝0.1mm。
3.如权利要求1所述的一种轴尖支承摆式伺服加速度计，其特征在于，所述极板(9)分为上极板和下极板，下极板固定在座体上；上极板以及下极板的一侧各有凸台，上极板以及下极板中具有凸台的一面相对固定安装，使得上极板与下极板在两侧凸台之间具有供摆板摆动的空间。
4.如权利要求3所述的一种轴尖支承摆式伺服加速度计，其特征在于，所述凸台高度为0.47±0.03mm，上极板与下极板相对的两面间，以及与座体间的绝缘电阻大于100MΩ。
5.如权利要求1所述的一种轴尖支承摆式伺服加速度计，其特征在于，上极板与下极板采用氧化铝陶瓷材料，双面镀膜金层形成定极板。
6.如权利要求1所述的一种轴尖支承摆式伺服加速度计，其特征在于，所述磁钢(12)的磁性能Br大于1.05T，端面开路磁密度Bd'≥0.355T。
7.如权利要求1所述的一种轴尖支承摆式伺服加速度计，其特征在于，所述支承片为铍青铜材料，厚度为0.14±0.005mm。
8.如权利要求1所述的一种轴尖支承摆式伺服加速度计，其特征在于，通过调节支承片及安装螺钉，使摆组件(7)上的轴组件轴线与壳体轴线垂直度小于0.03mm。
9.如权利要求1所述的一种轴尖支承摆式伺服加速度计，其特征在于，所述的伺服电路板采用二次集成厚膜技术结构，完成信号器的检测，形成适合的稳定动态响应。
10.如权利要求1所述的一种轴尖支承摆式伺服加速度计，其特征在于，所述座体(13)采用软磁合金1J50制成。
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| 石英挠性摆式加速度计全数字化伺服回路;夏瑜;孙立宁;杨晔;;哈尔滨商业大学学报(自然科学版)(第03期);全文 * |
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