国产石英振梁加速度计的关键技术

    引官

    加速度计主要用于导弹的制导和姿态控制，动态测量导弹姿态角。三个加速度计组合可给出导弹在空间任意位置的姿态，另外，加速度计还可用于飞机、直升机和地面车辆的惯性导航(与GPS等无线电定位系统相结合)及各种民用领域。

    传统的模拟量输出的力平衡式加速度计电子线路复杂、功耗大，且输出为模拟量，必须先经过模-数转换才能为导航计算机所采用，而模一数转换器是误差的主要来源。一般来说，经过模一数转换后系统精度只能达到10一5。

    石英振梁加速度计是导弹制导系统的新型器件。它是一种数字式加速度传感器，其频率输出可直接由数字电路处理，因此可以避免由模一数转换所带来的误差。这些特点极大地适应了高速数字导航系统的要求，因此必将取代传统的模拟量输出的加速度计。

    石英振梁加速度计是基于石英的压电效应原渔制成的加速度传感器。它量程大、体积小、功耗低，具有10一，量级的分辨率，且直接数字输出，可直接被导航计算机采样，消除了模一数转换所带来的成本、体积、质量、功耗、误差等因素，因此美国于1981年开始石英振梁加速度计的研制。从那时起，各种捷联惯导系统、飞行控制及重力测t都广泛采用石英振梁加速度计。目前，美国Sundstrand公司已大规模生产石英振梁加速度计。在一些数字信号处理领域，石英振梁加速度计已取代传统的力平衡式加速度计。

    1石英振梁加速度计的原理

    国产石英振梁加速度计的封装，采用激光焊缝并采用绝缘子引脚，壳体采用容易焊接的不锈钢合金，不锈钢壳体可提供侵蚀保护。

    高性能石英振梁加速度计主要包括:配对的力敏感石英晶体传感器、带有挠性支撑约束的支撑摆、晶控振荡器电子线路和频率测量电路。

    石英振梁加速度计工作原理如图1所示。 

    石英振梁加速度计是一种开环结构，通过一对力敏感石英梁悬置检测质量，检测质量被一个挠性支撑束缚着，使之只对输人加速度单轴敏感，其余自由度则受到以推挽结构加载的一对谐振器的约束，检测质量将输人加速度转换成对石英梁的作用力。检测质量还受到在过量程条件下压膜阻尼间隙的进一步约束，阻尼间隙还被用来作为机械冲击致动器，以防止晶体过应力。这种开环结构和带阻尼的古典二阶机械系统一样，其品质因数增加到4左右就能维持振荡。

    石英振梁加速度计的关键元件是一对匹配的石英梁。它们以推挽的形式加载。采用推挽双梁结构的好处是由于石英梁是利用晶体的压电效应制成的，一个沿梁的单自由度方向上输人的加速度使一个石英梁处于张力，其振荡频率升高;而另一个石英梁处于压力，其振荡频率降低，输出信号是两个石英梁的振荡频率之差。这样就提高了刻度系数，同时对许多误差如温度灵敏度、压力灵敏度、偶次非线性、老化率等提供了共模抑制能力。