CN112162113A - 一种高精度加速度计 - Google Patents

Abstract

一种高精度加速度计，涉及加速度测量技术领域，其包括伺服电路板、力矩器定子组件、摆组件、以及壳体；其中，壳体具有圆柱状的内腔，内腔的一端封闭，一端敞开形成开口；力矩器定子组件位于内腔内，并与开口之间间隔设置，形成吊表结构；伺服电路板位于开口处，与壳体粘接、焊接，将内腔密封。该高精度加速度计采用独特的吊表结构、精密挠性支承结构、摆组件力学结构、高灵敏度的电容传感器及反馈式集成伺服电路等多项新技术。使产品稳定性、重复性精度高、温度系数小、精准测温、启动快、环境适应性强等特点，特别适合应用于对加速度计精度、温度、启动时间有高要求的惯导、航姿、平台稳定、导弹舵机控制等高精度的***。

Description

一种高精度加速度计

技术领域

本发明涉及加速度测量技术领域，具体而言，涉及一种高精度加速度计。

背景技术

石英挠性加速度计是惯性***中的关键元件，石英挠性加速度计由于精度较高、可靠性高、功率小等特点，广泛适用于惯导、航姿、平台稳定、导弹舵机和钻井控制等较高精度的***。近几年来随着武器装备高精度的发展，许多领域都对加速度计提出了更高的要求，不仅要求石英挠性加速度计阈值和分辨率精度高、功耗小、启动快、可靠性高，而且还要求石英挠性加速度计稳定性、重复性精度高、温度系数小、环境适应能力强、精准测温。现有的石英挠性加速度计虽然阈值和分辨率精度高、启动快，但其稳定性、重复性精度较低、温度系数大，***标定补偿加速度计的温度系数参数由放置于加速度计外部的温度传感器提供，不能精确反映产品的内部温度，无法实现精准补偿，限制其在高精度武器装备中的应用。因此需要研制一种可以精准测温的高精度加速度计：阈值和分辨率精度高、可靠性、功率和现有石英挠性加速度计相当，但稳定性、重复性精度高、温度系数小、能够精确测温。

目前，在国内关于石英挠性加速度计的文献、论文和专利主要集中在石英挠性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、误差补偿模型等分析局部方面，在高精度石英挠性加速度计整体结构、精准测温方面专利目前空白。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高精度加速度计，其结构新颖，使用方便，可以满足高精度武器装备的使用要求。具有可精准测温、稳定性、重复性精度高、温度系数小、启动快、功率低、抗环境能力强以及可靠性高的特点。

本发明的实施例是这样实现的：

一种高精度加速度计，其包括伺服电路板、力矩器定子组件、摆组件、以及壳体；其中，壳体具有圆柱状的内腔，内腔的一端封闭，一端敞开形成开口；力矩器定子组件位于内腔内，力矩器定子组件包括远离开口的第一定子组件，以及靠近开口的第二定子组件，第一定子组件、第二定子组件同轴设置，摆组件设置于第一定子组件和第二定子组件之间；第二定子组件与开口之间间隔设置，形成吊表结构；伺服电路板位于开口处，与壳体粘接、焊接，将内腔密封。

进一步地，在本发明其他较佳实施例中，第二定子组件与开口之间的间隔为4.5~5mm。

进一步地，在本发明其他较佳实施例中，第二定子组件外套设有隔离环，隔离环的外径略大于第二定子组件的外径；隔离环的内侧面与第二定子组件粘接，隔离环的外侧面与壳体粘接。

进一步地，在本发明其他较佳实施例中，第一定子组件、第二定子组件之间间隔设置，并通过套设于第一定子组件、第二定子组件外的连接环连接成为一个整体；摆组件位于第一定子组件和第二定子组件形成的间隙内。

进一步地，在本发明其他较佳实施例中，第一定子组件和第二定子组件均设置有圆柱状的磁钢组件，磁钢组件与第一定子组件/第二定子组件同轴设置；摆组件包括圆盘状的摆架，摆架在面向第一定子组件的一侧设置有第一线圈骨架组件，在面向第二定子组件的一侧设置有第二线圈骨架组件；第一线圈骨架组件面向第一定子组件的一侧、第二线圈骨架组件面向第二定子组件的一侧均向内凹设有用于容纳磁钢组件的容置槽，容置槽内均匀环绕有力矩器线圈。

进一步地，在本发明其他较佳实施例中，磁钢组件的外周面与容置槽的内壁之间形成有第一气隙，第一气隙的宽度为0.25~0.3 mm。

进一步地，在本发明其他较佳实施例中，第一线圈骨架的外周面与第一定子组件之间、第二线圈骨架的外周面与第二定子组件之间均形成有第二气隙，第二气隙的宽度为0.25~0.3 mm。

进一步地，在本发明其他较佳实施例中，摆组件摆动工作气隙范围为0.018~0.023mm。

进一步地，在本发明其他较佳实施例中，磁钢组件外套设有补偿环，补偿环靠近第一定子组件、第二定子组件设置。

进一步地，在本发明其他较佳实施例中，第二定子组件位于靠近伺服电路板的一侧；第二定子组件面向伺服电路板的一侧设置有温度传感器。

本发明实施例的有益效果是：

本发明实施例提供了一种高精度加速度计，其包括伺服电路板、力矩器定子组件、摆组件、以及壳体；其中，壳体具有圆柱状的内腔，内腔的一端封闭，一端敞开形成开口；力矩器定子组件位于内腔内，并与开口之间间隔设置，形成吊表结构；伺服电路板位于开口处，与壳体粘接、焊接，将内腔密封。该高精度加速度计采用独特的吊表结构、精密挠性支承结构、摆组件力学结构、高灵敏度的电容传感器及反馈式集成伺服电路等多项新技术。使产品稳定性、重复性精度高、温度系数小、精准测温、启动快、环境适应性强等特点，特别适合应用于对加速度计精度、温度、启动时间有高要求的惯导、航姿、平台稳定、导弹舵机控制等高精度的***。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例所提供的一种高精度加速度计的***图；

图2为本发明实施例所提供的一种高精度加速度计的剖视图；

图3为本发明实施例所提供的一种高精度加速度计的信号流程图；

图4为本发明实施例所提供的一种高精度加速度计的接线示意图。

图标：100-高精度加速度计；110-伺服电路板；111-差动电容检测器；112-电流积分器；113-跨导/补偿放大器；114-温度传感器；120-力矩器定子组件；121-第一定子组件；122-第二定子组件；123-隔离环；124-连接环；125-磁钢组件；126-补偿环；127-第二气隙；130-摆组件；131-摆架；132-第一线圈骨架组件；133-第二线圈骨架组件；134-力矩器线圈；135-第一气隙；140-壳体；141-内腔；142-开口。

具体实施方式

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。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。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。

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设备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。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例

本实施例提供了一种高精度加速度计100，参照图1所示，其包括伺服电路板110、力矩器定子组件120、摆组件130、以及壳体140。

其中，如图1和图2所示，壳体140具有圆柱状的内腔141，内腔141的一端封闭，一端敞开形成开口142；力矩器定子组件120位于内腔141内，力矩器定子组件120包括远离开口142的第一定子组件121，以及靠近开口142的第二定子组件122，第一定子组件121、第二定子组件122同轴设置，摆组件130设置于第一定子组件121和第二定子组件122之间；第二定子组件122与开口142之间间隔设置，形成吊表结构；伺服电路板110位于开口142处，与壳体140粘接、焊接，将内腔141密封。可选地，伺服电路板110与壳体140配合接缝部先采用DG-3S胶粘剂进行粘接，再采用激光焊封，以保证可靠性与密封性。

其中，第二定子组件122与开口142之间的间隔为4.5~5 mm。优选地，第二定子组件122与开口142之间的间隔为4.6 mm。第二定子组件122外套设有隔离环123，隔离环123的外径略大于第二定子组件122的外径；隔离环123的内侧面与第二定子组件122粘接，隔离环123的外侧面与壳体140粘接，从而完成对第二定子组件122的固定。可选地，隔离环123与第二定子组件122之间、隔离环123与壳体140之间均采用DS-3S胶粘剂进行粘接，保证固化后标新受力均匀，轴线稳定，有利于提高稳定性、重复性。

如图1和图2所示，第一定子组件121、第二定子组件122之间间隔设置，并通过套设于第一定子组件121、第二定子组件122外的连接环124连接成为一个整体；摆组件130位于第一定子组件121和第二定子组件122形成的间隙内。连接环124的外径采用45°倒角结构，与第一定子组件121、第二定子组件122之间实现水平焊接，提高焊封可靠性。

第一定子组件121和第二定子组件122均设置有圆柱状的磁钢组件125，磁钢组件125与第一定子组件121/第二定子组件122同轴设置。磁钢组件125外套设有补偿环126，补偿环126靠近第一定子组件121、第二定子组件122设置。第一定子组件121和第二定子组件122与磁钢组件125之间、与补偿环126之间均采用HY-107胶粘剂进行粘接，满足全温范围内线膨胀系数要求。

第一定子组件121、第二定子组件122采用推挽式结构，所述的力矩器定子组件120中第一定子组件121、第二定子组件122采用整体充磁的方式，充磁后磁钢组件125中心点端面磁密Bd’= 1020~1250 GS。磁钢组件125并联热敏磁分路环，热敏磁分路环的饱和磁感应强度在一定温度范围内随温度升高而呈线性快速下降，磁阻增高。当温度升高时，磁钢组件125因具有可逆温度系数其磁感应强度B下降，使得工作气隙磁感应强度也有所下降。由于热敏磁分路环的饱和磁感应强度随温度升高而下降的更快，使得原来经它分流的磁通有一部分通不过去而只好改道通过工作气隙，这又使得工作气隙磁感应强度有所升高。

如图1和图2所示，摆组件130包括圆盘状的摆架131，摆架131在面向第一定子组件121的一侧设置有第一线圈骨架组件132，在面向第二定子组件122的一侧设置有第二线圈骨架组件133；第一线圈骨架组件132面向第一定子组件121的一侧、第二线圈骨架组件133面向第二定子组件122的一侧均向内凹设有用于容纳磁钢组件125的容置槽，容置槽内均匀环绕有力矩器线圈134。在摆架131外圆环上加工有0.02 mm凸台，使其与第一定子组件121、第二定子组件122的软磁部分形成窄小的缝隙，以便形成一对空气电容器和适当的阻尼。

电容传感器设计思路是在力矩器线圈134外部与石英摆架131上的镀金膜板组成电容器的两个极板，上、下两个极板和接地的力矩器组成一个差动电容器，可直接测出惯性检测质量偏离平衡位置的位移。电容传感器即是一个差动电容电桥，力矩器定子部分的端面与摆架131的镀层以及它们之间的气隙形成两个空气电容器。当摆架131处于中间位置时，两空气电容器的气隙相等，因而两电容器也相等，这时电容电桥处于平衡状态。当摆偏离中间位置时，两空气电容器的气隙则变的不相等，气隙大的电容量变小，气隙小的电容量变大。这样就破坏了电桥的平衡，使电桥有一输出信号。

高精度加速度计100的偏值主要取决于摆架131的加工质量，关键特性是两面个凸台的等高性和摆舌往两边的下垂量的对称性，凸台的等高性即摆舌上的金层与定位基准面的距离一致性，如果一致性不好，则镀金模板与力矩器定子组件120端面形成的电容的距离不一致，电容量就不一致，差动电容传感器始终存在电容差，导致机械零位输出不为零。如果摆舌两边的下垂量的对称性不好，则挠性平梁的中心面与摆架131形体中心面不重合，表现为0 g输入状态下摆舌与第一定子组件121、第二定子组件122的端面距离不相等，不仅偏值大，而且标度因数的对称性差。在装调过程中可以通过调换摆组件130或第一/第二定子组件122来微量调整偏值。

高精度加速度计100的标度因数的稳定性与第一定子组件121、第二定子组件122的应力释放、磁钢组件125的磁性能稳定性、摆架131的应力释放、第一/第二线圈骨架组件133的应力释放有关。

高精度加速度计100标度因数的重复性与摆架131的加工质量、第一定子组件121、第二定子组件122对摆组件130的激光焊接固紧程度有关。

高精度加速度计100标度因数的一致性与零件的加工离散性、第一定子组件121、第二定子组件122的充磁一致性、摆组件130的质量一致性、力矩器线圈134的阻值一致性、摆架131的下垂量等都有关系，由于影响因素众多，且具有随机性，需要在工艺环节加严控制。装配过程中可以通过调换摆组件130或上下定子组件来微量调整标度因数的一致性。

高精度加速度计100关键技术为摆组件130的装配：摆组件130的装配精度直接影响仪表的线性度、偏值、稳定性等指标，因而也决定了仪表的精度，因此，提高摆组件130的装配精度十分重要。装配时首先将摆架131安装在带有凸台（0.02 mm）的专用夹具上，将摆架131的外圆基准转换到夹具外圆上，以夹具外圆定位，借助工装将线圈骨架组件用326胶粘合到摆片上，线圈骨架组件粘接时先在中心附近先涂少量胶，然后用夹具轻轻挤压到位。涂胶范围应精确到尺寸为一定值的同心圆，胶量也应精确把握，保证夹具挤压到位后胶不溢出。力矩器线圈134均匀地、紧密地排绕在槽里，排列应规则，不允许出现交叉现象，以避免产生杂散波形对于产品稳定性的影响。

进一步地，如图2所示，摆组件130的工作气隙范围为0.018~0.023 mm。磁钢组件125的外周面与容置槽的内壁之间形成有第一气隙135，第一气隙135的宽度为0.25~0.3mm。第一线圈骨架的外周面与第一定子组件121之间、第二线圈骨架的外周面与第二定子组件122之间均形成有第二气隙127，第二气隙127的宽度为0.25~0.3 mm。

如图3所示，伺服电路板110包括差动电容检测器111、电流积分器112、跨导/补偿放大器113和模数转换模块，所述力矩器定子组件120发生的加速度信号转换为电容信号输入所述差动电容检测器111，经差动电容检测器111转换为电流信号，该电流信号经所述电流积分器112积分后输出电压，再由跨导/补偿放大器113将电压放大并转化为输出电流，一路反馈至力矩器定子组件120，另一路经模数转换模块输出数字信号。

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112积分后输出电压Vi，然后由跨导/补偿放大器113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112与跨导/补偿放大器113一起完成对***的频率补偿作用，使之满足所要求的静态和动态指标。

进一步地，如图1所示，第二定子组件122位于靠近伺服电路板110的一侧；第二定子组件122面向伺服电路板110的一侧设置有温度传感器114。温度传感器114能够准确测量加速度计的质心温度，提高加速度计的测量精度。可选地，温度传感器114的型号为AD590MF，是一种电流型温度传感器114，通过对电流的测量可得到所需要的温度值，直接输出与热力学温度成比例的电流信号，在输出端串联一个电阻则转换为电压信号。除此之外，该温度传感器114还具有测温不需要参考点、抗干扰能力强、互换性好等优点。在本发明的高精度加速度计100中，测量的是高精度加速度计100质心处的温度：

1）温度为-45℃时，温度传感器114的输出值为1μA/℃×（273-45）℃×1 kΩ=228mV；

2）温度为25℃时，温度传感器114的输出值为1μA/℃×（273+25）℃×1 kΩ=298mV；

3）温度为70℃时，温度传感器114的输出值为1μA/℃×（273+70）℃×1 kΩ=343mV。

如图1和图4所示，第二定子组件122上设置有多个第一接线柱，用以与摆组件130的焊盘，以及伺服电路板110上的第二接线柱、焊盘进行电连接。伺服电路板110上标记为9的第二接线柱为温度传感器114的电流输出端（Iwo输出端），标记为10的第二接线柱为为温度传感器114电源端（15V端）。温度传感器114与伺服电路板110采用聚四氟乙烯薄膜绕包绝缘安装线进行对应连接，其中一端连接到伺服电路板1105A端，另一端接伺服电路板1107A端。温度传感器114管脚焊接部位刷涂S31-11聚氨脂绝缘漆保护。具体接线方式如图4所示，接线对应表可参照表1。

表1. 接线定义关系表

综上所述，本发明实施例提供了一种高精度加速度计100，其包括伺服电路板110、力矩器定子组件120、摆组件130、以及壳体140；其中，壳体140具有圆柱状的内腔141，内腔141的一端封闭，一端敞开形成开口142；力矩器定子组件120位于内腔141内，并与开口142之间间隔设置，形成吊表结构；伺服电路板110位于开口142处，与壳体140粘接、焊接，将内腔141密封。该高精度加速度计100采用独特的吊表结构、精密挠性支承结构、摆组件130力学结构、高灵敏度的电容传感器及反馈式集成伺服电路等多项新技术。使产品稳定性、重复性精度高、温度系数小、精准测温、启动快、环境适应性强等特点，特别适合应用于对加速度计精度、温度、启动时间有高要求的惯导、航姿、平台稳定、导弹舵机控制等高精度的***。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高精度加速度计，其特征在于，包括伺服电路板、力矩器定子组件、摆组件、以及壳体；其中，所述壳体具有圆柱状的内腔，所述内腔的一端封闭，一端敞开形成开口；所述力矩器定子组件位于所述内腔内，所述力矩器定子组件包括远离所述开口的第一定子组件，以及靠近所述开口的第二定子组件，所述第一定子组件、所述第二定子组件同轴设置，所述摆组件设置于所述第一定子组件和所述第二定子组件之间；所述第二定子组件与所述开口之间间隔设置，形成吊表结构；所述伺服电路板位于所述开口处，与所述壳体粘接、焊接，将所述内腔密封。

2.根据权利要求1所述的高精度加速度计，其特征在于，所述第二定子组件与所述开口之间的间隔为4.5~5 mm。

3.根据权利要求2所述的高精度加速度计，其特征在于，所述第二定子组件外套设有隔离环，所述隔离环的外径略大于所述第二定子组件的外径；所述隔离环的内侧面与所述第二定子组件粘接，所述隔离环的外侧面与所述壳体粘接。

4.根据权利要求3所述的高精度加速度计，其特征在于，所述第一定子组件、所述第二定子组件之间间隔设置，并通过套设于所述第一定子组件、所述第二定子组件外的连接环连接成为一个整体；所述摆组件位于所述第一定子组件和所述第二定子组件形成的间隙内。

5.根据权利要求4所述的高精度加速度计，其特征在于，所述第一定子组件和所述第二定子组件均设置有圆柱状的磁钢组件，所述磁钢组件与所述第一定子组件/所述第二定子组件同轴设置；所述摆组件包括圆盘状的摆架，所述摆架在面向所述第一定子组件的一侧设置有第一线圈骨架组件，在面向所述第二定子组件的一侧设置有第二线圈骨架组件；所述第一线圈骨架组件面向所述第一定子组件的一侧、所述第二线圈骨架组件面向所述第二定子组件的一侧均向内凹设有用于容纳所述磁钢组件的容置槽，所述容置槽内均匀环绕有力矩器线圈。

6.根据权利要求5所述的高精度加速度计，其特征在于，所述磁钢组件的外周面与所述容置槽的内壁之间形成有第一气隙，所述第一气隙的宽度为0.25~0.3 mm。

7.根据权利要求6所述的高精度加速度计，其特征在于，所述第一线圈骨架的外周面与所述第一定子组件之间、所述第二线圈骨架的外周面与所述第二定子组件之间均形成有第二气隙，所述第二气隙的宽度为0.25~0.3 mm。

8.根据权利要求7所述的高精度加速度计，其特征在于，所述摆组件摆动工作气隙范围为0.018~0.023 mm。

9.根据权利要求8所述的高精度加速度计，其特征在于，所述磁钢组件外套设有补偿环，所述补偿环靠近所述第一定子组件、所述第二定子组件设置。

10.根据权利要求9所述的高精度加速度计，其特征在于，所述第二定子组件位于靠近所述伺服电路板的一侧；所述第二定子组件面向所述伺服电路板的一侧设置有温度传感器。

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