CN101592678B - 一种挠性摆式加速度计 - Google Patents

Abstract

一种挠性摆式加速度计，包括壳体、挠性杆、力矩器动圈、由轭铁和永久磁铁组成的力矩器定子、由信号传感器动圈和信号传感器定子组成的信号传感器、三角形摆片和伺服放大器，壳体内充满阻尼液体，三角形摆片、力矩器动圈与信号传感器动圈组成摆组件，挠性杆使摆组件与仪表壳体弹性连接，力矩器定子和力矩器动圈构成力矩器。本发明由于采用挠性支承方式，与传统宝石轴承支承方式相比消除了轴尖和宝石轴承所带来的库伦摩擦力，同时挠性支承在加速度计的敏感方向上的刚度很小，而在其他方向上的刚度则很大，提高了仪表测量精度及抗振和抗冲击的能力，采用液体作为阻尼，相比采用空气阻尼的石英挠性摆式加速度计，具有较好的过载能力和抗冲击能力。

Description

一种挠性摆式加速度计

技术领域

本发明涉及一种挠性摆式加速度计，特别是一种充油的金属挠性材料作为支承方式的摆式加速度计，可用于航空航天惯性测量和惯性导航的加速度敏感元件，也可作为环境较为恶劣的车载加速度测量元件。

背景技术

传统的摆式加速度计按其支承方式分为宝石轴承摆式加速度计、液浮摆式加速度计以及挠性摆式加速度计，就宝石轴承摆式加速度计而言，检测质量固定在单摆上，活动***的另一端通过宝石轴承铰接在壳体上，而采用宝石轴承支承方式存在固有的库伦摩擦力是无法克服的，势必降低了仪表的精度；就液浮摆式加速度计而言，检测质量被液浮悬浮在壳体里，并用宝石轴承支承定位，虽然采用了液浮技术平衡了一部分库伦摩擦力，但摩擦力仍然是存在的，而且采用液浮支承方式增加了***的设计、工艺难度；就挠性摆式加速度计而言，目前常用的石英挠性摆式加速度计(简称石英表)采用石英材料作为挠性杆支承材料，由于石英材料抗拉强度低、易损坏，再加上仪表内部采用空气阻尼，导致其抗冲击以及大过载能力较差。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种挠性摆式加速度计，该加速度计精度高、抗冲击能力强。

本发明的技术解决方案是：一种挠性摆式加速度计，包括壳体、挠性杆、力矩器动圈、由轭铁和永久磁铁组成的力矩器定子、由信号传感器动圈和信号传感器定子组成的信号传感器、三角形摆片和伺服放大器，壳体内充满阻尼液体，三角形摆片、力矩器动圈与信号传感器动圈组成摆组件，三角形摆片的中心位置安装力矩器动圈，三角形摆片的顶端安装信号传感器动圈，底端连接两根挠性杆使摆组件与仪表壳体弹性连接，轭铁固定在壳体的中部，永久磁铁穿过力矩器动圈，力矩器定子和力矩器动圈构成力矩器，信号传感器定子固定在壳体上并连接传感器激磁，当有加速度输入时，信号传感器敏感摆组件的位移并转化为电信号，电信号由信号传感器动圈输出至伺服放大器，伺服放大器将电信号放大、校正后反馈至力矩器动圈并由力矩器产生反馈力矩，该反馈力矩使摆组件恢复到平衡位置。

挠性杆通体为柱形，中间对称位置加工成挠曲圆弧形状，挠性杆采用铍青铜材料。三角形摆片为平面的等腰三角形形状，摆片中心位置留有通孔用于安装力矩器动圈，三角形摆片的顶端安装信号传感器动圈，两个底角位置各连接一个挠性杆，三角形摆片在中心线两侧对称位置至少留有1对通孔，三角形摆片采用无磁性硬铝材料。

本发明还可以包括用于补偿阻尼液体体积变化的温度补偿膜盒，温度补偿膜盒安装在壳体内，采用铍青铜材料。还可以包括用于使加速度计在恒温环境下工作的温控装置，温控装置由装在壳体内的加热片、热敏丝和装在壳体外的温控电桥组成，热敏感器作为温控电桥的一个测量臂，温控电桥的输出控制加热片工作。

本发明的工作原理是：当有加速度输入时，由三角形摆片、力矩器动圈和信号传感器动圈组成的摆组件受到惯性力矩的作用而偏离平衡位置，这一偏角被信号传感器检测，经伺服放大器转换成电流信号，并被反馈到处于恒定磁场中的力矩器而产生再平衡力矩，使摆组件恢复到平衡位置，输出电流的大小和输入的加速度成正比，因此可以作为加速度的电气测量。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明由于采用挠性支承方式，与传统宝石轴承支承方式相比消除了轴尖和宝石轴承所带来的库伦摩擦力，同时挠性支承在加速度计的敏感方向上的刚度很小，近似于呈自由无约束状态，而在其他方向上的刚度则很大，提高了仪表的性能和测量精度及抗振和抗冲击的能力；

(2)本发明的采用液体作为阻尼，相比采用空气阻尼的石英挠性摆式加速度计，本发明具有较好的过载能力和抗冲击能力。

(3)本发明的挠性杆采用铍青铜材料，相比石英材料具有更高的抗拉强度、并且不易损坏。

(4)本发明采用的三角形摆片为平面形状，减小了摆组件的转动惯量；三角形摆片中心线的对称位置留有通孔，减小了仪表内部温度不均匀而产生的对流力矩对摆的干扰。

(5)本发明在壳体内设置了温度补偿膜盒对传感器进行温度补偿，抵消了由于阻尼液体温度变化造成的阻尼液体的体积变化，降低了阻力影响，提高了测量精度，在壳体内外设置温度控制装置，用于对传感器内进行恒温控制，进一步提高了传感器的测量精度和参数稳定性。

(6)本发明采用的力矩器为永磁动圈式力矩器，采用推挽式结构，提高了线性度，力矩器的永久磁铁材料采用2:17钐钴磁钢，稳定度可达到10^-6/月量级(1σ)。

附图说明

图1为本发明的组成结构示意图；

图2为本发明摆组件的组成结构图，图2(a)为摆组件的俯视图，图2(b)为摆组件的侧视图；

图3为本发明挠性杆的外形图，图3(a)为挠性杆的俯视图，图3(b)为挠性杆的侧视图；

图4为本发明信号传感器定子外形图，图4(a)是信号传感器定子的外形结构，图4(b)是信号传感器定子的绕线方式。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述。

本发明是一种典型的力平衡加速度传感器，由挠性摆组件、信号传感器、推挽式永磁力矩器、挠性杆、控制电路等组成。如图1所示，该型加速度计主要包括壳体1、挠性杆2、力矩器动圈3、由轭铁6和永久磁铁7组成的力矩器定子、由信号传感器动圈5和信号传感器定子4组成的信号传感器、三角形摆片8和伺服放大器9，壳体1内充满硅油作为阻尼液体，三角形摆片8、力矩器动圈3与信号传感器动圈5组成摆组件，三角形摆片8的中心位置安装力矩器动圈3，三角形摆片8的顶端安装信号传感器动圈5，底端连接两根挠性杆2使摆组件与仪表壳体1弹性连接，轭铁6固定在壳体1的中部，永久磁铁7穿过力矩器动圈3，力矩器定子和力矩器动圈3构成力矩器，信号传感器定子4固定在壳体1上并连接传感器激磁，当有加速度输入时，信号传感器敏感摆组件的位移并转化为电信号，电信号由信号传感器动圈5输出至伺服放大器9，伺服放大器9将电信号放大、校正后反馈至力矩器动圈3并由力矩器产生反馈力矩，该反馈力矩使摆组件恢复到平衡位置。

如图2所示，由摆片8、传感器动圈5和挠性杆2组成的摆组件为活动***，其基体为一个平面三角形的摆片8，三角形摆片8为等腰三角形结构，摆片中心位置留有通孔用于安装力矩器动圈3，与固定在壳体上的永久磁铁7组成推挽式力矩器，三角形摆片8的顶端安装信号传感器动圈5，与绕在铁氧体上的激磁绕组即传感器定子4组成差动式电感传感器，传感器动圈和力矩器线圈的轴线在空间是正交的，摆片8的两个底角位置各用胶粘固定连接一个挠性杆2，对称地支撑着摆组件，挠性杆2由铍青铜制成，三角形摆片8在中心线两侧对称位置至少留有1对通孔，本发明所示的图2中留有3对通孔，使得摆组件的转动惯量较小并减小仪表内部温度不均匀而产生的对流力矩对摆的干扰，三角形摆片8材料为无磁性硬铝。摆组件质心到挠性杆关节的距离称为摆长(l)，由挠性杆2关节至摆组顶端安装的传感器动圈5之间的全部摆组质量组成检测质量(m)，检测质量与摆长的乘积称为摆性。挠性杆2的下端又通过胶粘牢固地固定在基座上，通过这样的结构摆组件可以围绕着挠性杆关节作微小的转动(约±10′)，在闭环工作状态下加速度计的工作角仅有数秒。如图3所示，挠性杆通体为柱形，中间对称位置加工成挠曲圆弧形状，使挠性杆在加速度计的敏感方向上的刚度很小，近似于呈自由无约束状态，而在其他方向上的刚度则很大，提高了仪表的性能和测量精度及抗振和抗冲击的能力。

本发明采用的力矩器是音圈差动式力矩器，组成差动式的一对力矩器具有相同的结构，两力矩器的永久磁铁同名对顶，永久磁铁材料采用2:17钐钴磁钢，稳定度可达到10^-6/月量级(1σ)，轭铁和永久磁铁分别固定在表壳的对称位置上，与绕在摆组上的力矩器线圈组成差动式力矩器，加矩电流流过力矩器线圈时，二力矩器产生的力是叠加的，提高了力矩器的效率和减小了非线性误差。

如图4所示，传感器采用差动动圈式结构，信号传感器是一种次级线圈可移动的变压器，利用次级线圈移动时与初级线圈互感的变化产生输出电压，其两组激磁线圈分别绕在一对“C”形铁氧体磁芯上，如图4(a)所示，两只“C”形铁氧体磁芯缺口相对、中间留有间隙固定在定子座上组成传感器定子，两组激磁绕组串联相接，绕线方式如图4(b)所示，由11至31至41最后至21。装在摆组件上的动圈，可以在定子间隙中沿表头输入轴方向运动，随动圈相对定子位置的变化，输出不同相位和幅度的感应电压，从而检测出反映摆组件不同位置的信号。

由于仪表内充有甲基硅油，提高了仪表的抗振能力和增加了阻尼，但随温度变化，硅油体积发生变化，为补偿硅油体积的变化，本发明还在仪表的壳体内装有温度补偿膜盒，壳体为圆柱形或方形，其中一端留有充油孔。温度补偿膜盒由铍青铜制成，可以随仪表内硅油体积的变化而伸长或者缩短。温控元件主要包括绕在壳体内的加热片和热敏丝，这些元件与温控电桥组成温控装置，对传感器进行恒温控制，以提高仪表的测量精度和参数稳定性。温控装置的热敏丝装在壳体腔内，作为测温电桥的一个臂，当腔内温度低于标定的工作温度时，测温电桥处于不平衡状态，输出信号通过功率放大器后再反馈到加热片，使仪表的温度升高，一直升高到工作温度，温控装置的测温电桥达到平衡状态时才停止。

Claims (10)

1.一种挠性摆式加速度计，其特征在于：包括壳体(1)、挠性杆(2)、力矩器动圈(3)、由轭铁(6)和永久磁铁(7)组成的力矩器定子、由信号传感器动圈(5)和信号传感器定子(4)组成的信号传感器、三角形摆片(8)和伺服放大器(9)，壳体(1)内充满阻尼液体，三角形摆片(8)、力矩器动圈(3)与信号传感器动圈(5)组成摆组件，三角形摆片(8)的中心位置安装力矩器动圈(3)，三角形摆片(8)的顶端安装信号传感器动圈(5)，底端连接两根挠性杆(2)使摆组件与仪表壳体(1)弹性连接，轭铁(6)固定在壳体(1)的中部，永久磁铁(7)穿过力矩器动圈(3)，力矩器定子和力矩器动圈(3)构成力矩器，信号传感器定子(4)固定在壳体(1)上并连接传感器激磁，当有加速度输入时，信号传感器敏感摆组件的位移并转化为电信号，电信号由信号传感器动圈(5)输出至伺服放大器(9)，伺服放大器(9)将电信号放大、校正后反馈至力矩器动圈(3)并由力矩器产生反馈力矩，该反馈力矩使摆组件恢复到平衡位置。

2.根据权利要求1所述的一种挠性摆式加速度计，其特征在于：所述的挠性杆(2)通体为柱形，中间对称位置加工成挠曲圆弧形状。

3.根据权利要求1或2所述的一种挠性摆式加速度计，其特征在于：所述的挠性杆(2)为铍青铜材料。

4.根据权利要求1所述的一种挠性摆式加速度计，其特征在于：所述的三角形摆片(8)为平面等腰三角形形状，三角形摆片(8)中心位置留有通孔用于安装力矩器动圈(3)，三角形摆片(8)的顶端安装信号传感器动圈(5)，两个底角位置各连接一个挠性杆(2)。

5.根据权利要求4所述的一种挠性摆式加速度计，其特征在于：所述的三角形摆片(8)在中心线两侧对称位置至少留有1对通孔。

6.根据权利要求1或4或5所述的一种挠性摆式加速度计，其特征在于：所述的三角形摆片(8)材料为无磁性硬铝。 

7.根据权利要求1所述的一种挠性摆式加速度计，其特征在于：所述的阻尼液体为甲基硅油。

8.根据权利要求1所述的一种挠性摆式加速度计，其特征在于：所述的由力矩器定子和力矩器动圈(3)构成力矩器为推挽式结构，力矩器的永久磁铁材料采用2∶17钐钴磁钢。

9.根据权利要求1所述的一种挠性摆式加速度计，其特征在于：还包括用于补偿阻尼液体体积变化的温度补偿膜盒，所述的温度补偿膜盒安装在壳体内，采用铍青铜材料。

10.根据权利要求1或9所述的一种挠性摆式加速度计，其特征在于：还包括用于使加速度计在恒温环境下工作的温控装置，温控装置由装在壳体内的加热片、热敏丝和装在壳体外的温控电桥组成，热敏丝作为温控电桥的一个测量臂，温控电桥的输出控制加热片工作。 

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