CN2257019Y - 差动式振弦加速度计 - Google Patents

Abstract

本实用新型差动式振弦加速度计，属于传感器技术领域，主要用于直接测量运动物体或飞行物的运动加速度，也可作为速度、距离等物理量的检测和控制敏感部件。采用双振弦作为敏感元件和双线圈连续激振方式。利用振弦张力变化使其固有频率变化的原理，将加速度转换为脉冲信号输出。本实用新型差动式振弦加速度计性能稳定，工作温度范围宽，温度误差小，使用寿命长，便于与计算机检测和控制系统连接。

Description

差动式振弦加速度计

本发明差动式振弦加速度计，涉及一种物理量的测量装置，它属于传感器技术领域，主要用于直接测量运动物体的运动加速度，也可在工程检测和自动控制系统中作为速度、距离等物理量的检测与控制敏感部件。

据国内情报检索与调研，国内有一种钢弦式压力(力)传感器，应用压力(力)频率变换原理，采用单振弦的结构形式输出频率值，在理设状态用于长期监测桥梁、水坝、隧道等建筑物与构件的受力变化。但该传感器不能用于敏感与测量加速度。另有一种张丝式加速度传感器，应用应变效应原理，采用弦丝绕成的弹簧状结构形式，输出为模拟量电压值，测量精度低、线性误差大，需定期标定，不适宜本发明应用的对象。国内尚无具备本发明特征的技术与产品。1994年经国际联机检索与查询，未见国外有关于本发明相同特征的技术文献。

本发明是为测量飞行物的飞行加速度而设计的。由于飞行物的特定保管和使用环境要求，在较长时间内不得拆卸，也不允许重新标定，在外场恶劣环境中测试时要求较高的精度。国内现有加速度计不能满足这些要求。

本发明的目的可以通过以下措施来达到：差动式振弦加速度计，壳体、框架、惯性质量、振弦、夹紧装置、激振/拾振线圈、正反馈放大器、放大/处理电路、电源等部分构成。壳体包括上盖(17)、基座(13)和密封圈(14)，框架(1)通过螺钉(8)固定到基座(13)上。基座(13)通过螺钉紧固到运动体上，使加速度方向与加速度计敏感轴方向一致。在基座(13)和上盖(17)内装配有框架(1)，惯性质量块(3)通过振弦(2、6)和单向传力的支承件(4)与框架(1)相连，在振弦(2、6)的侧面分别装有激振线圈(11、18)和拾振线圈(12、15)，这些线圈固定在框架(1)上，其引线通过接线板(7)与壳体外的电路部分相连。

通过惯性质量感受运动体的加速度，惯性质量由惯性质量块(3)、压紧螺母(5)和螺钉(28)构成，压紧螺母(5)将支承件(4)压紧到惯性质量块(3)上，螺钉(28)将振弦(2、6)定位并固定到惯性质量块(3)上。

采用单向传力的支承件(4)支承惯性质量块(3)，它将惯性质量感受的、沿振弦方向的惯性力灵敏地传给两振弦(2、6)，而对其它方向的作用力不敏感，支承件(4)采用簧片的结构形式，该簧片表面垂直于惯性质量块(3)轴线(即振弦长度方向)，簧片一端用压紧螺母(5)与惯性质量块(3)夹紧，另一端插入框架(1)槽内焊牢。

采用差动式结构形式，由相同材料和相同尺寸两振弦(2、6)构成，两振弦分别位于惯性质量块(3)的两端，并处于同一直线。两振弦一端通过螺钉(28)定位并紧固到惯性质量块(3)的中心孔内，在惯性质量块两端面中心将振弦点焊固定。两振弦另一端通过夹紧装置紧固到框架(1)上，振弦材料为琴钢丝T8MnA，其尺寸为Φ0.22×40，自然时效一年以上。使用前进行加载老化、温度老化和防锈处理。

采用激振线圈(11、18)和拾振线圈(12、15)分离的双线圈型式。激振线圈和拾振线圈，分为两组各装于两振弦的侧面，并按输出信号强弱调整到与振弦保持适当位置，两组线圈均固定在框架(1)上。两组线圈引线焊到接线板(7)上，并用五芯低噪声屏蔽电缆从基座(13)出线孔中引出与电路部分相连。

采用易于调整振弦(2、6)预紧张力的销钉夹紧装置。振弦(2、6)分别穿入框架(1)两端的圆孔内，用螺钉(9、19)各通过柱销(29)将振弦压紧。需重新调整振弦预紧力时，松开螺钉(9)即可进行。

正反馈放大器与激振线圈电气相连，使振弦连续振动。通电时，给激振线圈输入一初始脉冲电流，使振弦起振，同时拾振线圈输出的电流放大后分一路经正反馈放大器输给激振线圈，使振弦作等幅连续振动。

电路部分由信号放大器(21、26)、正反馈放大器(20、27)、混频器(24)、滤波器(23)、整形电路(22)和电源(25)构成，电路部分的元器件组装在印制电路板上。两路拾振线圈(12，15)的感应信号经两路信号放大器放大后入混频器(24)成一路和滤波器(23)、整形电路(22)相连。

差动式振弦加速度计通过基座(13)上的孔用螺钉固定到运动物体或飞行物上，使加速度测试方向与振弦加速度计灵敏轴方向一致。当运动物体存在加速度时，振弦加速度计中的惯性质量敏感到该加速度，产生惯性力作用到两振弦(2、6)上，使一振弦受拉，另一振弦受压。振弦加速度计在没有加速度输入时，结构尺寸和材料相同的两振弦在同一预紧张力作用下，具有相同的横向振动固有频率。当有加速度输入时受拉的振弦横向振动固有频率增加，受压的振弦横向振动固有频率减少，这种振弦横向振动固有频率变化量和运动物体的运动加速度大小成比例。

差动式振弦加速度计电路连接后，接通直流电源，初始脉冲电流通过激振线圈使电磁铁的磁通密度发生变化，吸引振弦，从而引起振弦作横向振动。与此同时拾振线圈产生的感应电势经放大后，一路信号又反馈到激振线圈使振弦维持连续振动，另一路信号和另一振弦的该路信号同时进入混频器(24)混频，再经滤波器(23)滤波输出差频正弦波信号，再由整形电路(22)将正弦波信号转换为与运动加速度大小成比例的脉冲信号，该信号与振弦加速度计事先在精密离心机上标定的数据比较，即可得到运动物体的加速度值。

设两振弦横向振动频率分别为f1、f2，在加速度灵敏轴方向没有加速度输入时，由于两振弦材料和结构尺寸相同，所以：

f1＝f2＝f0                 (1)

式中：f0为振弦在初始张紧力作用时的横向振动固有频率，可由下式决定 $f0=\frac{1}{2L}\sqrt{\frac{T0}{\mathrm{\ρ}}}------\left(2\right)$ 式中：L：振弦的有效长度；

  T0：振弦的初始张紧力；

  ρ：振弦材料的线密度(单位长度的质量)

当在加速度计敏感轴方向有加速度a输入时，惯性质量敏感到惯性力使一振弦的张紧力增加了ΔT1，另一振弦的张紧力减小了ΔT2，这里：

ΔT1＝ΔT2＝ΔT $\mathrm{\ΔT}=\frac{1}{2}m\·a------\left(3\right)$

式中：m：惯性质量    a：加速度

设 $e=\frac{\mathrm{\ΔT}}{T0}=\frac{m\·a}{2\·T0}$

则 $f1=f0\sqrt{1+\frac{\mathrm{ma}}{2T0}}=f0\sqrt{1+e}------\left(4\right)$

则 $f2=f0\sqrt{1-\frac{\mathrm{ma}}{2T0}}=f0\sqrt{1-e}------\left(5\right)$

其差频输出为： $\mathrm{\Δf}=f1-f2=f0(\sqrt{1+e}-\sqrt{1-e})------\left(6\right)$

由(2)式和(6)式可知频率和张紧力之间是非线性关系，经过(6)式展开成级数形式，且仅取一次和二次项，忽略高次项后得： $\mathrm{\Δf}=f1-f2=f0\·e\·(1+\frac{1}{3}{e}^2)------\left(7\right)$

从(7)式看出差动式振弦加速度计的非线性误差为： $\mathrm{\δ}=\frac{1}{8}\·{\left(\frac{\mathrm{\ΔT}}{T0}\right)}^2-------\left(8\right)$

非线性误差是加速度计误差的主要部分，需要对加速度计进行精巧的设计和选择合理的结构参数来加以保证。

本发明差动式振弦加速度计惯性质量块大小视振弦预紧张力和加速度测量范围及线性误差要求按(8)式换算确定。在惯性力作用下振弦振动频率通过式(4)、(5)计算出。两振弦初始固有频率相等，该频率由(2)式决定。预紧张力的大小应保证振弦应变在最佳线性范围内。在此范围内，振弦的频率-应变输出特性曲线工作在较为平滑段；两振弦组成差动输出方式，一方面可使振弦加速度计的输出灵敏度几乎成倍增长，另一方面提高了振弦加速度计对温度等恶劣环境因素的抗干扰能力。环境温度变化使得两振弦横向振动的固有频率同时增加或减小，其输出频率差不因环境温度变化而变化。差动输出方式还使振弦加速度计的非线性误差减小。

本发明差动式振弦加速度计具有以下优点：

1.采用了两振弦差动式输出方式使两振弦线性输出误差得到补偿，由此提高了振弦加速度计输出线性度。减小了温度等环境因素对振弦加速度计差频输出信号的影响，加之惯性质量块采用了支承件的支撑方式，提高了振弦加速度计抗干扰能力。

2.精密惯性质量块通过特别设计和程控线切割加工的支承件(4)支承，使其在加速度敏感方向刚度很小，不改变振弦横向振动固有频率。而在其它方向则刚度很大，增强对这些方向抗干扰的能力。从而有利于惯性质量块惯性力的传递。另外还保证了振弦和线圈间的距离，使振弦加速度计有稳定的信号输出。采用激振线圈和拾振线圈的双线圈形式，不仅保证了振弦连续激振方式，而且在振弦上没有电流通过，使振弦加速度计基座不带电。使飞行物提高了工作安全性，还使得振弦加速度计的绝缘要求容易保证。

3.采用可调式螺钉夹紧装置，将振弦的一端紧固，另一端调整好振弦预紧张力或初始振动频率后固紧。该夹紧装置调整方便、夹紧牢固。

4.本发明与通常加速度传感器输出模拟量的方式不同，输出为脉冲信号，因而可以直接进行数字化处理。可方便地与计算机连接，组成先进的检测与控制系统。

5.通过对振弦严格的加载老化、高低温老化处理及按载荷-频率特性曲线严格筛选，确保了振弦加速度计性能稳定。

6.振弦加速度计在长期贮存过程中，振弦经常处于静止或受力平衡状态。由此可延长振弦加速度计的使用寿命，且在较长时间内不须重新校准，确保振弦加速度计具有优良的性能。

附图说明

图1 差动式振弦加速度计机械结构图：

1-框架        2-振弦         3-惯性质量块      4-支承件

5-压紧螺母    6-振弦         7-接线板          8-螺钉

9-螺钉        10-线圈安装座  11-激振线圈       12-拾振线圈

13-基座       14-密封圈      15-拾振线圈       16-线圈安装座

17-上盖       18-激振线圈    19-螺钉

图2 差动式振弦加速度计工作原理方框图：

1-框架        2-振弦         3-惯性质量块      4-支承件

6-振弦        11-激振线圈    12-拾振线圈       15-拾振线圈

18-激振线圈   20-正反馈放大器21-放大器         22-整形电路

23-滤波器     24-混频器      25-电源

26-放大器     27-正反馈放大器

图3惯性质量结构图：

2-振弦        3-惯性质量块   4-支承件          5-压紧螺母

6-振弦        28-螺钉

图4  夹紧装置结构图：

1-框架        6-振弦         9-螺钉            29-柱销

附图1至附图4为本发明的一种实施例。它应用于飞行器的距离控制系统，在该系统中用来测量飞行器在飞行过程中的加速度。本实施例中的差动式振弦加速度计分为振弦加速度计机械和电子电路两大部件，它们由飞行器上的直流电源供电。振弦加速度计量程为0～40g，在预紧张力下，振弦横向振动固有频率为2200HZ～2300HZ，精度高于0.3％，使用温度范围-50℃～+70℃。壳体圆柱段直径Φ50，总长度为100mm。惯性质量块为黄铜棒车制而成，结构尺寸为Φ12×12、总质量为15克。振弦材料为琴钢丝T8MnA，其尺寸为Φ0.22×40，自然时效一年以上。使用前进行加载老化、温度老化和防锈处理。放大器主要器件选用OP-07型集成式运算放大器，混频器主要器件选用LM3900电流型运算放大器，滤波器采用二阶有源低通滤波器，整形电路采用施密特电路来实现。

Claims (8)

1.差动式振弦加速度计，含有上盖(17)、基座(13)及固定螺钉(8)等，并通过螺钉紧固到运动体上，使加速度方向与加速度计敏感轴方向一致，其特征是：在基座(13)和上盖(17)内装配有框架(1)，惯性质量块(3)通过振弦(2、6)和单向传力的支承件(4)与框架(1)相连，在振弦(2、6)的侧面分别装有激振线圈(11、18)和拾振线圈(12、15)，这些线圈固定在框架(1)上，其引线通过接线板(7)与壳体外的电路部分相连。

2.根据权利要求1所述的差动式振弦加速度计，其特征是：通过惯性质量感受运动体的加速度，惯性质量由惯性质量块(3)、压紧螺母(5)和螺钉(28)构成，压紧螺母(5)将支承件(4)压紧到惯性质量块(3)上，螺钉(28)将振弦(2、6)定位并固定到惯性质量块(3)上。

3.根据权利要求1或2所述的差动式振弦加速度计，其特征是：采用单向传力的支承件(4)支承惯性质量块(3)，它将惯性质量感受的、沿振弦方向的惯性力灵敏地传给两振弦(2、6)，而对其它方向的作用力不敏感，支承件(4)采用簧片的结构形式，该簧片表面垂直于惯性质量块(3)轴线(即振弦长度方向)，簧片一端用压紧螺母(5)与惯性质量块(3)夹紧，另一端插入框架(1)槽内焊牢。

4.根据权利要求1或2所述的差动式振弦加速度计，其特征是：采用了差动式结构形式，由相同材料和相同尺寸两振弦(2、6)构成，两振弦分别位于惯性质量块(3)的两端，并处于同一直线。两振弦一端通过螺钉(28)定位并紧固到惯性质量块(3)的中心孔内，在惯性质量块两端面中心将振弦点焊固定。两振弦另一端通过夹紧装置紧固到框架(1)上，振弦材料为琴钢丝T8MnA，其尺寸为Φ0.22×40，自然时效一年以上。使用前进行加载老化、温度老化和防锈处理。

5.根据权利要求1所述的差动式振弦加速度计，其特征是：采用激振线圈(11、18)和拾振线圈(12、15)分离的双线圈型式。激振线圈和拾振线圈，分为两组各装于两振弦的侧面，并按输出信号强弱调整到与振弦保持适当位置，两组线圈均固定在框架(1)上，两组线圈引线焊到接线板(7)上，并用五芯低噪声屏蔽电缆从基座(13)出线孔中引出与电路部分相连。

6.根据权利要求1所述的差动式振弦加速度计，其特征是：采用易于调整振弦(2、6)预紧张力的销钉夹紧装置，振弦(2、6)分别穿入框架(1)两端的圆孔内，用螺钉(9、19)各通过柱销(29)将振弦压紧。需重新调整振弦预紧力时，松开螺钉(9)即可进行。

7.根据权利要求1或5所述的差动式振弦加速度计，其特征是：正反馈放大器和激振线圈电气相连，使振弦连续振动，通电时，给激振线圈输入一初始脉冲电流，使振弦起振，同时拾振线圈输出的电流放大后分一路经正反馈放大器输给激振线圈，使振弦作等幅连续振动。

8.根据权利要求1所述的差动式振弦加速度计，其特征是：电路部分由信号放大器(21、26)、正反馈放大器(20、27)、混频器(24)、滤波器(23)、整形电路(22)和电源(25)构成，电路部分的元器件组装在印制电路板上，两路拾振线圈(12，15)的感应信号经信号放大器放大后由混频器(24)混频和滤波器(23)滤波，再由整形电路转换为差频脉冲数字信号。

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