CN1267732C - 高过载三自由度加速度计 - Google Patents

Abstract

高过载三自由度加速度计，该加速度计包括四方体的基座，基座的X、Y、Z三个方向的表面上分别设置X轴、Y轴和Z轴加速度梁，X轴、Y轴和Z轴加速度梁上分别覆盖有盖板，加速度梁包括质量块，质量块通过梁与固支端连接，梁上靠近固支端处键合有SOI硅微固态压阻芯片，固支端与相应的基座固定，质量块与相应的盖板和基座之间有间隙，此间隙限制了质量块的活动范围，达到了高过载保护的作用。本发明采用悬臂梁式弹性元件和SOI硅微固态压阻芯片，解决了导弹、鱼雷、火箭等武器系统引信机构三自由度加速度高g值的测量和高过载保护的问题，该加速度计具有测量范围广、测量精度高、动态特性好、耐高温和高过载的特点。

Description

高过载三自由度加速度计

技术领域

本发明涉及一种加速度计，尤其涉及一种高过载三自由度的加速度计。

背景技术

导弹、鱼雷、火箭等武器攻击目标时，撞击目标所产生的加速度是确定其战斗部引信系统解除保险并给出起爆信号的主要依据。随着导弹、鱼雷、火箭武器系统开发的不断深入，对撞击目标产生的加速度测试要求越来越高，同时对加速度计测试系统的适用性提出了新的要求。例如，导弹、鱼雷、火箭撞击目标时，会产生10⁵g的加速度值，其战斗部引信系统在撞击目标产生200g加速度时，要求加速度测量系统能准确测量该加速度值，并将测量信号提供给引信控制系统，而且在加速度值达到10⁵g值时，高加速度冲击容易造成加速度计损坏。

发明内容

为了解决高速度时易造成加速度计损坏和准确测量加速度值的问题，本发明的目的在于提供一种高过载三自由度的加速度计，具有测量精度高、高过载保护的特点。

本发明所采用的技术方案是，高过载三自由度加速度计，该加速度计包括四方体的基座，基座的X、Y、Z三个方向的表面上分别设置X轴加速度梁、Y轴加速度梁和Z轴加速度梁，X轴加速度梁、Y轴加速度梁和Z轴加速度梁上分别覆盖X盖板、Y盖板和Z盖板，X轴加速度梁、Y轴加速度梁和Z轴加速度梁包括质量块，质量块通过悬臂梁与固支端连接，悬臂梁上靠近固支端处键合有SOI硅微固态压阻芯片，固支端与相应的基座固定，质量块与相应的盖板和基座之间有间隙。

本发明的其它特点还包括：

X盖板、Y盖板和Z盖板上开有出线孔。

该加速度计的外表面上固定有三个定位槽，且三个定位槽位于一个平面。

SOI硅微固态压阻芯片通过共晶焊接与悬臂梁键合。

本发明采用悬臂梁式弹性元件和SOI硅微固态压阻芯片，解决了导弹、鱼雷、火箭等武器系统引信机构三自由度加速度高g值的测量和高过载保护的问题，同时采用共晶焊接技术，解决了传感器迟滞问题。该加速度计具有测量范围广、测量精度高、动态特性好、耐高温和高过载的特点。

附图说明

图1为本发明的外部结构示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明沿Z轴剖开的结构示意图；

图4为本发明加速度梁的安装示意图；

图5为本发明中加速度梁的结构示意图；

图中，1.定位槽，2.基座，3.Z轴盖板，4.Y轴盖板，5.X轴盖板，6.Z轴加速度梁，7.Y轴加速度梁，8.X轴加速度梁，9.芯片，10.出线孔，11.质量块，12.悬臂梁，13.固支端，14.间隙。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构和工作原理进行详细说明。

参见图1、图2、图3，本发明的高过载三自由度加速度计，包括四方体的基座2，基座2的X、Y、Z三个方向的表面上分别设置X轴加速度梁8、Y轴加速度梁7和Z轴加速度梁6，X轴加速度梁8、Y轴加速度梁7和Z轴加速度梁6上分别覆盖X盖板5、Y盖板4和Z盖板3，X盖板5、Y盖板4和Z盖板3上开有出线孔10，出线孔10用于引出芯片9的输出信号，该加速度计的外表面上固定有三个定位槽1，且三个定位槽1位于一个平面。

参见图4、图5，X轴加速度梁8、Y轴加速度梁7和Z轴加速度梁6包括质量块11，质量块11通过悬臂梁12与固支端13连接，悬臂梁12上靠近固支端13处通过共晶焊接键合有SOI硅微固态压阻芯片9，SOI硅微固态压阻芯片9也可通过其他封装工艺与悬臂梁12键合在一起，芯片9上固化有惠斯登电桥电路，其输出信号通过引线由出线孔10引出，固支端13与相应的基座2用激光焊接固定在一起，质量块11与相应的盖板和基座2之间有间隙14。

将本发明的加速度计用三个固定螺钉通过处于一个平面上的三个定位槽1与载体(导弹、鱼雷或火箭)固定连接，实现三自由度加速度计的定位。当随载体运动并撞击到目标时，就在X、Y、Z某个方向产生加速度，相应方向的加速度梁6、7、8上质量块11上产生力F的作用，根据牛顿定律：

F＝ma    (1)

式中：a为被测加速度，单位m/s²；m为质量块，单位kg。由于产生力F的作用，从而使悬臂梁12的悬臂端发生挠度变形，通过共晶焊接封装在悬臂梁12悬臂端应力集中点处的SOI硅微固态压阻芯片9能够感知悬臂梁12应力的变化，使SOI硅微固态压阻芯片9中的惠斯登电桥的桥臂电阻阻值成比例地变化，因为：

$\frac{\mathrm{\ΔR}}{R_0}=\frac{\mathrm{\Δ\ρ}}{{\mathrm{\ρ}}_0}=\mathrm{\π\σ}...\left(2\right)$

式中：ΔR表示桥臂电阻变化量；R₀表示桥臂电阻；Δρ表示电阻率的变化量；ρ₀表示电阻率；π表示压阻系数；σ表示应力。

电桥在固定电源的激励下，输出电信号，应力的变化和力F的大小成正比，因而通过输出信号的大小就可以测知力F的大小，通过式(1)即可计算出被测加速度a。

通过改变悬臂梁12的结构参数(包括宽度、长度和厚度)和质量块11的参数，可以设计宽量程范围的加速度计。

加速度梁6、7、8的质量块11与基座2和盖板3、4、5之间的间隙14，限制了质量块11的移动范围，满足加速度计在高加速度过载保护的要求。

Claims (4)

1.高过载三自由度加速度计，其特征在于，该加速度计包括四方体的基座(2)，基座(2)的X、Y、Z三个方向的表面上分别设置X轴加速度梁(8)、Y轴加速度梁(7)和Z轴加速度梁(6)，所述X轴加速度梁(8)、Y轴加速度梁(7)和Z轴加速度梁(6)上分别覆盖X盖板(5)、Y盖板(4)和Z盖板(3)，所述X轴加速度梁(8)、Y轴加速度梁(7)和Z轴加速度梁(6)包括质量块(11)，质量块(11)通过悬臂梁(12)与固支端(13)连接，所述悬臂梁(12)上靠近固支端(13)处键合有SOI硅微固态压阻芯片(9)，固支端(13)与相应的基座(2)固定，所述质量块(11)与相应的盖板和基座(2)之间有间隙(14)。

2.根据权利要求1所述的加速度计，其特征在于，所述X盖板(5)、Y盖板(4)和Z盖板(3)上开有出线孔(10)。

3.根据权利要求1或2所述的加速度计，其特征在于，该加速度计的外表面上固定有三个定位槽(1)，且三个定位槽(1)位于一个平面。

4.根据权利要求1所述的加速度计，其特征在于，所述SOI硅微固态压阻芯片(9)通过共晶焊接与悬臂梁(12)键合。

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