本發(fā)明涉及一種加速度傳感器，尤其涉及一種細(xì)絲約束型加速度傳感器，屬于測(cè)量?jī)x器技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

加速度傳感器是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心器件。現(xiàn)有個(gè)別高精度加速度計(jì)的精度可以達(dá)到10^-7g，但是存在量程小、體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點(diǎn)，無(wú)法在捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中使用。石英撓性加速度傳感器是目前精度最高的輕小型加速度傳感器，也是在捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的加速度傳感器，其短時(shí)精度可以達(dá)到3×10^-6g。然而在進(jìn)一步提升石英撓性加速度傳感器精度的過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)，石英撓性擺片具有振動(dòng)模態(tài)復(fù)雜的缺點(diǎn)，容易耦合非敏感軸的加速度輸入，從而限制了其精度的進(jìn)一步提升。由此可見(jiàn)，改變傳統(tǒng)石英撓性加速度傳感器的支撐方式勢(shì)在必行，是提升輕小型加速度傳感器精度的關(guān)鍵。

石英擺片是石英撓性加速度傳感器的核心器件，對(duì)敏感質(zhì)量塊形成柔軟的撓性支撐，使敏感質(zhì)量塊能繞撓性梁的樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)裝有石英撓性加速度傳感器的載體產(chǎn)生加速度時(shí)，敏感質(zhì)量塊感應(yīng)到此加速度，產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，并將此力矩傳遞給撓性梁。此時(shí)力矩器的永磁動(dòng)圈產(chǎn)生電磁力矩，如果這個(gè)電磁力矩與擺片組件的慣性力受力作用點(diǎn)不重合，產(chǎn)生了偏離，則撓性梁需承擔(dān)整個(gè)扭轉(zhuǎn)力矩。扭轉(zhuǎn)力矩會(huì)使石英擺片產(chǎn)生復(fù)雜的振動(dòng)模態(tài)，使敏感質(zhì)量塊發(fā)生扭轉(zhuǎn)。復(fù)雜的振動(dòng)模態(tài)將導(dǎo)致安裝環(huán)受到的干擾力矩傳遞到檢測(cè)質(zhì)量塊上，導(dǎo)致石英撓性加速度傳感器的穩(wěn)定性和精度變差。目前已有很多學(xué)者使用有限元方法對(duì)石英擺片進(jìn)行靜態(tài)分析和模態(tài)分析，研究撓性桿結(jié)構(gòu)變化對(duì)加速度傳感器性能的影響，并據(jù)此改善加速度傳感器的性能。然而，使用細(xì)絲約束取代石英擺片約束可從根本上解決振動(dòng)模態(tài)復(fù)雜的問(wèn)題，其相關(guān)研究還未見(jiàn)有報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于解決傳統(tǒng)石英加速度傳感器中石英擺片振動(dòng)模態(tài)復(fù)雜的問(wèn)題，提供一種高精度細(xì)絲約束型加速度傳感器。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下設(shè)計(jì)方案：一種細(xì)絲約束型加速度傳感器，所述細(xì)絲約束型加速度傳感器包括表頭和信號(hào)處理電路，其中，所述表頭包括殼體、磁回路、檢測(cè)質(zhì)量塊、位置檢測(cè)裝置、約束細(xì)絲；所述檢測(cè)質(zhì)量塊懸置于殼體中，兩者之間通過(guò)約束細(xì)絲相互張緊連接，磁回路設(shè)置于殼體內(nèi)，檢測(cè)質(zhì)量塊在磁回路的作用下沿加速度敏感軸方向運(yùn)動(dòng)，檢測(cè)質(zhì)量塊與位置檢測(cè)裝置均與信號(hào)處理電路相連，信號(hào)處理電路給檢測(cè)質(zhì)量塊施加電流，位置檢測(cè)裝置用于檢測(cè)檢測(cè)質(zhì)量塊在其平衡點(diǎn)處的偏移。

進(jìn)一步的，所述檢測(cè)質(zhì)量塊包括力矩器線圈和力矩器骨架，所述力矩器線圈卷繞在力矩器骨架的外壁，所述力矩器骨架中部開(kāi)有通孔；所述力矩器線圈與信號(hào)處理電路相連。

進(jìn)一步的，所述信號(hào)處理電路包括差分電容檢測(cè)模塊、處理器模塊、電流加矩模塊；差分電容檢測(cè)模塊和電流加矩模塊均與處理器模塊相連；差分電容檢測(cè)模塊與位置檢測(cè)裝置相連，用于檢測(cè)檢測(cè)質(zhì)量塊的偏移；電流加矩模塊與力矩器線圈相連，用于控制線圈中電流的大小；處理器模塊接收差分電容檢測(cè)模塊的輸出信號(hào)，并將輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)pid控制算法處理，得到反饋控制信號(hào)，反饋控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電流加矩模塊，使電流加矩模塊給力矩器線圈施加反饋電流，從而產(chǎn)生反饋力矩使檢測(cè)質(zhì)量塊保持在平衡位置，所述信號(hào)處理電路輸出的反饋控制信號(hào)用以表征加速度測(cè)量值。

進(jìn)一步的，所述磁回路包括一對(duì)軛鐵、一對(duì)磁鋼、一對(duì)補(bǔ)償環(huán)、磁極片，一對(duì)軛鐵呈上下相對(duì)布置固定在殼體內(nèi)，軛鐵上開(kāi)有空腔，每個(gè)空腔中安裝一個(gè)磁鋼，磁鋼與空腔內(nèi)壁的接觸處設(shè)置補(bǔ)償環(huán)，磁極片設(shè)置在兩個(gè)磁鋼之間；力矩器骨架套在兩個(gè)磁鋼外，力矩器骨架與磁鋼同軸心但不接觸。

進(jìn)一步的，所述補(bǔ)償環(huán)由磁溫度補(bǔ)償合金制成。

進(jìn)一步的，所述力矩器骨架的上端和下端均通過(guò)約束細(xì)絲與殼體張緊連接。

進(jìn)一步的，至少兩根約束細(xì)絲平行排布構(gòu)成一組細(xì)絲約束組，檢測(cè)質(zhì)量塊與殼體之間至少通過(guò)三組細(xì)絲約束組張緊連接，細(xì)絲約束組繞檢測(cè)質(zhì)量塊周向均勻分布。

進(jìn)一步的，所述位置檢測(cè)裝置包括定極板和動(dòng)極板，所述定極板固定在軛鐵上，所述動(dòng)極板固定在力矩器骨架上，所述定極板和動(dòng)極板均與信號(hào)處理電路相連。

進(jìn)一步的，所述約束細(xì)絲的材料為凱夫拉、碳纖維或尼龍；所述約束細(xì)絲的直徑小于1毫米。

本發(fā)明的有益效果是：由于本發(fā)明中加速度傳感器的檢測(cè)質(zhì)量塊采用高強(qiáng)度細(xì)絲約束，單根約束細(xì)絲能真正實(shí)現(xiàn)非軸向零剛度約束，而約束細(xì)絲組合則能很好的達(dá)到敏感軸方向零剛度、非敏感軸方向剛度接近無(wú)窮大的目的，從而有效提升加速度傳感器的靈敏度。另外約束細(xì)絲的振動(dòng)模態(tài)相對(duì)于石英擺片更為簡(jiǎn)單，在不增加加速度傳感器體積、重量的前提下，克服了傳統(tǒng)約束方式振動(dòng)模態(tài)復(fù)雜的缺點(diǎn)，有利于減少干擾力矩影響，提升加速度傳感器的精度。最后由于本發(fā)明中約束細(xì)絲采用高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，相比于石英材料更有利于提升加速度傳感器的抗沖擊能力，從而滿足高g值沖擊環(huán)境下的使用需求。

附圖說(shuō)明

圖1為細(xì)絲約束型加速度傳感器總體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為細(xì)絲約束型加速度傳感器磁回路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為細(xì)絲約束型加速度傳感器檢測(cè)質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為細(xì)絲約束型加速度傳感器位置檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為細(xì)絲約束型加速度傳感器細(xì)絲連接示意圖；

圖中：表頭1、信號(hào)處理電路2、殼體11、磁回路12、檢測(cè)質(zhì)量塊13、位置檢測(cè)裝置14、約束細(xì)絲15、軛鐵121、磁鋼122、補(bǔ)償環(huán)123、磁極片124、力矩器線圈131、力矩器骨架132、定極板141、動(dòng)極板142。

具體實(shí)施方案

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更見(jiàn)清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。顯然，所述實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

如圖1所示，一種細(xì)絲約束型加速度傳感器，包括表頭1和信號(hào)處理電路2，其中，所述表頭1包括殼體11、磁回路12、檢測(cè)質(zhì)量塊13、位置檢測(cè)裝置14、約束細(xì)絲15；所述檢測(cè)質(zhì)量塊13懸置于殼體11中，兩者之間通過(guò)約束細(xì)絲15相互張緊連接，磁回路12設(shè)置于殼體11內(nèi)，檢測(cè)質(zhì)量塊13在磁回路12的作用下沿加速度敏感軸方向運(yùn)動(dòng)，檢測(cè)質(zhì)量塊13與位置檢測(cè)裝置14均與信號(hào)處理電路2相連，信號(hào)處理電路2給檢測(cè)質(zhì)量塊13施加電流，位置檢測(cè)裝置14用于檢測(cè)檢測(cè)質(zhì)量塊13在其平衡點(diǎn)處的偏移。工作狀態(tài)下，外界加速度沿加速度傳感器的輸入軸作用，由此產(chǎn)生的慣性力作用于檢測(cè)質(zhì)量塊13，導(dǎo)致其位置發(fā)生變化，從而引起位置檢測(cè)裝置14的電容值變化。利用信號(hào)處理電路2檢測(cè)這一變化，產(chǎn)生相應(yīng)的反饋電流反饋至力矩器線圈131，從而產(chǎn)生電磁力矩，使得檢測(cè)質(zhì)量塊13重新回到平衡狀態(tài)。在力平衡狀態(tài)下，作用于檢測(cè)質(zhì)量塊13上的慣性力與力矩器線圈131產(chǎn)生的電磁力平衡，因此信號(hào)處理電路2輸出的反饋信號(hào)表征了加速度測(cè)量值。

如圖3所示，檢測(cè)質(zhì)量塊13包括力矩器線圈131和力矩器骨架132，所述力矩器線圈131卷繞在力矩器骨架132的外壁，所述力矩器骨架132中部開(kāi)有通孔；所述力矩器線圈131與信號(hào)處理電路2相連。力矩器骨架132與磁鋼122同軸心且不接觸，檢測(cè)質(zhì)量塊13由約束細(xì)絲15進(jìn)行約束，使所述檢測(cè)質(zhì)量塊13只能沿加速度敏感軸運(yùn)動(dòng)；力矩器線圈131由信號(hào)處理電路2驅(qū)動(dòng)在均勻間隙磁場(chǎng)中做切割磁感線運(yùn)動(dòng)。

所述信號(hào)處理電路2包括差分電容檢測(cè)模塊、處理器模塊、電流加矩模塊，差分電容檢測(cè)模塊和電流加矩模塊均與處理器模塊相連；差分電容檢測(cè)模塊與位置檢測(cè)裝置14相連，用于檢測(cè)檢測(cè)質(zhì)量塊13的偏移；電流加矩模塊與力矩器線圈131相連，用于控制線圈中電流的大??；處理器模塊接收差分電容檢測(cè)模塊的輸出信號(hào)，并將輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)pid控制算法處理，得到反饋控制信號(hào)，反饋控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電流加矩模塊，使電流加矩模塊給力矩器線圈131施加反饋電流，從而產(chǎn)生反饋力矩使檢測(cè)質(zhì)量塊13保持在平衡位置，所述信號(hào)處理電路2輸出的反饋控制信號(hào)用以表征加速度測(cè)量值。所述差分電容檢測(cè)模塊采用hj155芯片，但不限于此；所述處理器模塊采用spartan-6芯片，但不限于此；所述電流加矩模塊采用dac8832芯片和max6325芯片，但不限于此。

如圖2所示，所述磁回路12包括一對(duì)軛鐵121、一對(duì)磁鋼122、一對(duì)補(bǔ)償環(huán)123、磁極片124，一對(duì)軛鐵121呈上下相對(duì)布置固定在殼體11內(nèi)，軛鐵121上開(kāi)有空腔，每個(gè)空腔中安裝一個(gè)磁鋼122，磁鋼122與空腔內(nèi)壁的接觸處設(shè)置補(bǔ)償環(huán)123，磁極片124設(shè)置在兩個(gè)磁鋼122之間；力矩器骨架132套在兩個(gè)磁鋼122外，力矩器骨架132與磁鋼122同軸心但不接觸。磁鋼122粘貼在上、下軛鐵121的中心軸上，形成磁極相互對(duì)頂?shù)妮S向充磁磁路結(jié)構(gòu)，從而在間隙中形成永久磁場(chǎng)。這種強(qiáng)行磁極對(duì)頂結(jié)構(gòu)基本上消除了軸向磁漏，磁力線大都被擠壓在工作氣隙間，從而在軛鐵121與磁鋼122之間形成均勻間隙磁場(chǎng)。磁極片124采用磁導(dǎo)率極高的1j50合金，具有聚集磁鋼122產(chǎn)生的磁力線作用，使磁場(chǎng)更加集中。補(bǔ)償環(huán)123由磁溫度補(bǔ)償合金制成，其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度在一定環(huán)境溫度范圍內(nèi)隨溫度升高而呈線性急劇下降，磁阻增大。當(dāng)溫度升高時(shí)，磁鋼122永磁體因具有可逆溫度系數(shù)，其磁感應(yīng)強(qiáng)度下降，使得工作氣隙的磁感應(yīng)強(qiáng)度也有所下降。由于補(bǔ)償環(huán)123的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度隨溫度升高而下降得更快，使得原來(lái)經(jīng)它分流的磁通有一部分通不過(guò)而只好改道通過(guò)工作間隙，這又使得工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度有所提高，從而保證了工作氣隙的磁感應(yīng)強(qiáng)度穩(wěn)定。

如圖5所示，所述力矩器骨架132的上端和下端均通過(guò)約束細(xì)絲15與殼體11張緊連接，所述約束細(xì)絲15的材料為凱夫拉、碳纖維或尼龍，所述約束細(xì)絲15的直徑小于1毫米。至少兩根約束細(xì)絲15平行排布構(gòu)成一組細(xì)絲約束組，檢測(cè)質(zhì)量塊13與殼體11之間至少通過(guò)三組細(xì)絲約束組張緊連接，細(xì)絲約束組繞檢測(cè)質(zhì)量塊13周向均勻分布。每一根約束細(xì)絲15可對(duì)檢測(cè)質(zhì)量塊13的細(xì)絲軸向方向上的運(yùn)動(dòng)自由度進(jìn)行約束，平行約束細(xì)絲15對(duì)所述檢測(cè)質(zhì)量塊13的旋轉(zhuǎn)自由度進(jìn)行約束，垂直約束細(xì)絲15對(duì)所述檢測(cè)質(zhì)量塊13的平面運(yùn)動(dòng)自由度進(jìn)行約束，從而使檢測(cè)質(zhì)量塊13只能沿加速度敏感軸運(yùn)動(dòng)。

如圖4所示，所述位置檢測(cè)裝置14包括定極板141和動(dòng)極板，所述定極板141固定在軛鐵121上，所述動(dòng)極板固定在力矩器骨架132上，所述定極板141和動(dòng)極板均與信號(hào)處理電路2相連。當(dāng)檢測(cè)質(zhì)量塊13在均勻間隙磁場(chǎng)中沿加速度敏感軸方向運(yùn)動(dòng)，動(dòng)極板與定極板141形成的差分電容信號(hào)可反映所述檢測(cè)質(zhì)量塊13與所述軛鐵121的相對(duì)運(yùn)動(dòng)位移。

由于本發(fā)明中加速度傳感器的檢測(cè)質(zhì)量塊13采用高強(qiáng)度細(xì)絲約束，單根約束細(xì)絲15能真正實(shí)現(xiàn)非軸向零剛度約束，而約束細(xì)絲15組合則能很好的達(dá)到敏感軸方向零剛度、非敏感軸方向剛度接近無(wú)窮大的目的，從而有效提升加速度傳感器的靈敏度。另外約束細(xì)絲15的振動(dòng)模態(tài)相對(duì)于石英擺片更為簡(jiǎn)單，在不增加加速度傳感器體積、重量的前提下，克服了傳統(tǒng)約束方式振動(dòng)模態(tài)復(fù)雜的缺點(diǎn)，有利于減少干擾力矩影響，提升加速度傳感器的精度。最后由于本發(fā)明中約束細(xì)絲15采用高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，相比于石英材料更有利于提升加速度傳感器的抗沖擊能力，從而滿足高g值沖擊環(huán)境下的使用需求。

本技術(shù)領(lǐng)域的人員根據(jù)本發(fā)明所提供的文字描述、附圖以及權(quán)利要求書(shū)能夠很容易在不脫離權(quán)利要求書(shū)所限定的本發(fā)明的思想和范圍條件下，可以做出多種變化和改動(dòng)。凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)思想和實(shí)質(zhì)對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行的任何修改、等同變化，均屬于本發(fā)明的權(quán)利要求所限定的保護(hù)范圍之內(nèi)。