專利名稱：新型壓電石英水平姿態(tài)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種敏感電子學(xué)領(lǐng)域里的主要應(yīng)用于飛行器、機(jī)器人、車輛、船船、石油鉆井平臺(tái)、建筑、工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備，雷達(dá)以及衛(wèi)星等的姿態(tài)穩(wěn)定與控制系統(tǒng)中的新型壓電石英水平姿態(tài)傳感器，它包括敏感元件、信號(hào)處理電路、底座、外殼、插座。
背景技術(shù)：
利用壓電石英顯著的力敏特性構(gòu)成水平姿態(tài)傳感器已有實(shí)用化產(chǎn)品，日本Tokyo Denpa C.，LTD公司的壓電石英傾斜儀測量范圍為5.7°，精度為0.12°，壽命3000次，工作溫度-10℃～50℃，主要用于建筑物、橋梁測斜。美國森德斯坦德數(shù)據(jù)控制公司的由QA-1300型石英撓性加速度計(jì)組合而成的兩軸、三軸傾斜儀測量精度為0.23°，主要用于油井測斜。但是上述這些壓電石英水平姿態(tài)測量儀存在的共同問題是穩(wěn)定性和分辨率差，啟動(dòng)時(shí)間長，不能抗震動(dòng)沖擊，因此，它們滿足不了要求高穩(wěn)定、高分辨率、抗強(qiáng)震動(dòng)沖擊和快速啟動(dòng)的使用要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種高穩(wěn)定、分辨率強(qiáng)、可抗強(qiáng)震動(dòng)沖擊和啟動(dòng)速度快的壓電石英水平姿態(tài)傳感器。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的基本構(gòu)思是在敏感元件中采用兩只對(duì)稱安裝的圓形壓電石英晶片，將被測物體的姿態(tài)偏轉(zhuǎn)角度(φ)轉(zhuǎn)換為作用到這兩只對(duì)稱安裝的圓形壓電石英晶片上的力F，利用壓電石英顯著的力敏特性，通過兩個(gè)壓電石英晶片受力后的頻率變化從而可檢測到被測物體的水平姿態(tài)參數(shù)，如圖1所示，當(dāng)一定切型的壓電石英晶片受徑向壓力(如ΔF1)作用時(shí)，諧振頻率將由f變?yōu)閒+Δf1，而受徑向拉力(如ΔF2)作用時(shí)，諧振頻率則由f變?yōu)閒-Δf2，通過檢測諧振器的頻率變化Δf1或Δf2，從而可得到對(duì)應(yīng)的力變化ΔF1或ΔF2。因此，當(dāng)壓電石英水平姿態(tài)傳感器有傾斜角輸入時(shí)，將傾斜角對(duì)應(yīng)的“姿態(tài)”轉(zhuǎn)換為徑向力分別作用在敏感元件中的兩個(gè)對(duì)稱安裝的圓形壓電石英晶片上。受徑向力作用的兩只壓電石英晶片的諧振頻率一個(gè)增大，變?yōu)?f+Δf1)，而另一個(gè)減小，變?yōu)?f-Δf2)。通過檢測兩個(gè)壓電石英晶片的差動(dòng)輸出頻率Δf＝(f+Δf1)-(f-Δf2)＝Δf1+Δf2即可得到傳感器的輸入傾斜角。
本發(fā)明新型壓電石英水平姿態(tài)傳感器的敏感結(jié)構(gòu)原理如圖2所示，當(dāng)水平姿態(tài)傳感器偏轉(zhuǎn)一角度φ時(shí)，可求得兩個(gè)壓電石英諧振器壓力變化時(shí)兩個(gè)石英諧振器的差動(dòng)輸出頻率Δf與φ的關(guān)系Δf=2Kf·f2D·nbc·mg(sinφ-sinφ0)]]>=Kφ·(sinφ-sinφ0)---(1)]]>式中，Kφ=2Kf·f2D·n·bc·mg]]>是與水平姿態(tài)傳感器敏感元件結(jié)構(gòu)有關(guān)的比例系數(shù)，Kf是石英諧振器的拉氏(Ratajski)系數(shù)，D是傳遞ΔF的截面寬度，n是諧波系數(shù)。由式(1)可知，通過檢測石英諧振器的頻率變化量Δf，即可檢測出姿態(tài)傾斜角。
量程和分辨率是傳感器的兩個(gè)基本技術(shù)參數(shù)。從表面上看，量程和分辨率之間互不相關(guān)，但實(shí)際上卻相互牽制，在一定條件下，提高一個(gè)都將以損害另一個(gè)為代價(jià)。所以，可以將量程與分辨率的比值(用K表示)作為一個(gè)指標(biāo)，用以反映傳感器達(dá)到的水平。發(fā)明人通過研究得到了這一指標(biāo)(K)與傳感器相關(guān)參數(shù)的如下關(guān)系K=2βTmDN0ηnf02·Kfnf02D=2βKfN0Tmη---(2)]]>
式中，f0是石英諧振器的基頻，n是諧波次數(shù)，Kf是石英諧振器拉氏(Ratajski)系數(shù)，Tm是石英諧振器的斷裂極限應(yīng)力，β是保險(xiǎn)系數(shù)(＜1)，N0是石英諧振器的頻率常數(shù)，η是石英諧振器的頻率穩(wěn)定度，D是石英諧振器的受力面寬度。
式(2)將反映傳感器性能的K與石英諧振器的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)聯(lián)系了起來。知道傳感器所用的石英諧振器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，即可算出傳感器所能達(dá)到的K。或者根據(jù)傳感器的技術(shù)指標(biāo)要求，可計(jì)算出石英諧振器的參數(shù)指標(biāo)，從而設(shè)計(jì)能滿足要求的石英諧振器。
作為本發(fā)明基本構(gòu)思的具體技術(shù)方案，本發(fā)明新型壓電石英水平姿態(tài)傳感器主要由敏感元件、信號(hào)處理電路、底座、外殼、插座組成。起支撐作用的底座與外殼用螺釘裝配成腔體，底座安裝敏感元件和信號(hào)處理電路，處理后的信號(hào)及電源經(jīng)引出插座輸出。
本發(fā)明中的敏感元件是由對(duì)稱安裝在上頂板和下座板圓柱體中心軸線兩側(cè)的兩只圓形壓電石英晶片組成，下座板放在托盤上，托盤固定在基座上，敏感質(zhì)量塊壓在上頂板上，敏感質(zhì)量塊用于向兩只圓形壓電石英晶片傳遞被測物體的姿態(tài)偏轉(zhuǎn)角度產(chǎn)生的徑向作用力，兩只圓形壓電石英晶片有三種安裝結(jié)構(gòu)或?yàn)樨Q直平行式，或?yàn)樗狡叫惺?，或?yàn)椤鞍恕弊中?。密封腔罩扣在基座上，基座上焊接有壓電石英晶片信?hào)輸出接線柱和密封腔罩腔內(nèi)抽真空的排氣管。
本發(fā)明在敏感元件中設(shè)置了壓電石英晶片過載保護(hù)機(jī)構(gòu)，敏感質(zhì)量塊和下座板與托盤間的減震墊構(gòu)成軸向過載保護(hù)機(jī)構(gòu)，敏感質(zhì)量塊為彈性結(jié)構(gòu)，由三段直徑不同的圓柱體組成，上段大，是敏感質(zhì)量塊的主體，中段加工成彈簧狀，下段是與上頂板裝配的螺栓段；扣在托盤外側(cè)的減震框構(gòu)成橫向及縱向過載保護(hù)機(jī)構(gòu)，減震框上部四周及頂部設(shè)置限位螺釘，調(diào)整限位螺釘與敏感質(zhì)量塊前、后、左、右和頂部周邊的間隙，限定敏感質(zhì)量塊的振動(dòng)幅度，在本發(fā)明中，敏感質(zhì)量塊按照彈性體的不同有四種結(jié)構(gòu)的優(yōu)選方案，如圖8所示或?yàn)閱温菪浇Y(jié)構(gòu)，或?yàn)殡p螺旋式結(jié)構(gòu)，或?yàn)椤肮ぁ弊中蝺煽资浇Y(jié)構(gòu)，或?yàn)椤肮ぁ弊中稳资浇Y(jié)構(gòu)；本發(fā)明還在二維壓電石英水平姿態(tài)傳感器的敏感元件的上下增設(shè)雙層減震器保護(hù)結(jié)構(gòu)，第一層減震器為在敏感元件的下部增加的下定位減震器和在敏感元件的上部增加的上定位減震器，敏感元件、信號(hào)處理電路及固定板通過下定位減震器和上定位減震器整體懸置固定在由框架座、框架蓋和四根框架柱組成的安裝框架內(nèi)，形成第一層減震器保護(hù)結(jié)構(gòu)；第二層減震器為在底座的內(nèi)側(cè)與框架座之間設(shè)置的下減震器和在外殼的上頂內(nèi)側(cè)與框架蓋之間設(shè)置的上減震器，整個(gè)安裝框架通過下減震器和上減震器懸置固定在由底座和外殼構(gòu)成的密閉腔體內(nèi)，形成第二層減震器保護(hù)結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的敏感元件腔體的密封腔罩和基座采用陽凸陰凹擠壓密封和螺栓緊固結(jié)構(gòu)，有二種結(jié)構(gòu)的優(yōu)選方案或?yàn)橥拱夹窝肋呇揽诿芊饨Y(jié)構(gòu)，或?yàn)榕窝肋吤芊饨Y(jié)構(gòu)。
本發(fā)明新型壓電石英水平姿態(tài)傳感器是將物體姿態(tài)偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為作用到壓電石英晶片上的力，通過石英諧振器受力后頻率變化測量物體水平姿態(tài)參數(shù)，具有分辨率強(qiáng)、穩(wěn)定性高、非線性度低、啟動(dòng)速度快、測量范圍和工作溫度范圍寬、抗高過載沖擊強(qiáng)度以及輸出為數(shù)字式等特點(diǎn)。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
圖1是石英諧振器受徑向力作用時(shí)的頻率變化模式圖。
圖中(a)是受壓力作用時(shí)的頻率變化模式圖，(b)是受拉力作用時(shí)的頻率變化模式圖。
圖2是本發(fā)明新型壓電石英水平姿態(tài)傳感器敏感結(jié)構(gòu)原理圖。
圖3是本發(fā)明一維壓電石英水平姿態(tài)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中各部件序號(hào)和名稱如下1-底座，2-外殼；3-敏感元件；4、5-信號(hào)處理電路；6-電子元件；7-壓板；8-雙頭螺柱；9-引線；10-插座；11-敏感元件減震墊；12-底座螺釘。
圖4是本發(fā)明一維壓電石英水平姿態(tài)傳感器的敏感元件剖視圖。
圖中各部件序號(hào)和名稱如下13-敏感元件3的基座，14-密封墊圈，15-密封腔罩，16-托盤，17-防過載限位框，18a、18c-水平限位螺釘，19-軸向限位螺釘，20-調(diào)重塊，21-敏感質(zhì)量塊，22-上頂板，23-壓電石英晶片，24-下座板，25-聯(lián)接螺栓，26a、26b-緊固螺釘，27-托盤螺釘，28a、28b-壓電石英晶片引線，29a、29b-真空接線柱，30-螺栓，31-真空排氣管，32-托盤減震墊。
圖5是本發(fā)明敏感元件的兩只壓電石英晶片的三種安裝結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中(a)為豎直平行式結(jié)構(gòu)示意圖，(b)為水平平行式結(jié)構(gòu)示意圖，(c)為“八”字式結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6是本發(fā)明新型壓電石英水平姿態(tài)傳感器敏感質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7是新型壓電石英水平姿態(tài)傳感器的防過載限位框架結(jié)構(gòu)示意圖。
圖8是本發(fā)明的敏感質(zhì)量塊的四種結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中(a)為單螺旋式結(jié)構(gòu)，(b)為雙螺旋式結(jié)構(gòu)，(c)為“工”字形兩孔式結(jié)構(gòu)，(d)為“工”字形三孔式結(jié)構(gòu)。
圖9是本發(fā)明的敏感元件的真空密封腔體結(jié)構(gòu)剖視圖。
圖10是本發(fā)明的敏感元件的密封腔體的密封結(jié)構(gòu)剖視圖。
圖中(a)為凸凹形牙邊牙口密封結(jié)構(gòu)，(b)為劈形牙邊密封結(jié)構(gòu)。
圖中各部件序號(hào)和名稱如下13-敏感元件3的基座，14-密封墊圈，15-密封腔罩，42a、42b-密封定位環(huán)，43a-環(huán)狀凸形牙邊，43b-環(huán)狀凹形牙口，44a、44b-環(huán)狀劈形牙邊。
圖11是本發(fā)明二維壓電石英水平姿態(tài)傳感器剖視圖。
圖中各部件序號(hào)和名稱如下1-底座，2-外殼，33-下定位減震器，34-固定板，3-敏感元件，4、5-信號(hào)處理電路，8-雙頭螺柱，7-壓板，35-上定位減震器，6-電子元件，36-SR232接口，10-插座，9-引線。
圖12是本發(fā)明二維壓電石英水平姿態(tài)傳感器的雙層減震器保護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中各部件序號(hào)和名稱如下1-底座，2-外殼，33-下定位減震器，3-敏感元件，35-上定位減震器，37-下減震器，38-框架座，39-框架柱，40-上減震器，41-框架蓋。
圖13是本發(fā)明二維壓電石英水平姿態(tài)傳感器的上定位減震器和下定位減震器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中(a)為下定位減震器結(jié)構(gòu)示意圖，(b)為上定位減震器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖14是本發(fā)明二維壓電石英水平姿態(tài)傳感器的上減震器和下減震器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中(a)為下減震器結(jié)構(gòu)示意圖，(b)為上減震器結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明新型壓電石英水平姿態(tài)傳感器具有一維和二維兩種結(jié)構(gòu)的實(shí)施方式，一維壓電石英水平姿態(tài)傳感器(如圖3所示)主要由敏感元件3、信號(hào)處理電路4和5、底座1、外殼2和插座10組成，圖4是一維壓電石英水平姿態(tài)傳感器的敏感元件的結(jié)構(gòu)剖視圖。起支撐作用的底座1與外殼2緊密配合裝配成腔體，底座1上敏感元件3及信號(hào)處理電路4、5，敏感元件3與底座1之間有敏感元件減震墊11，電源及信號(hào)由引線9從插座10進(jìn)出。敏感元件3是由對(duì)稱安裝在上頂板22和下座板24的圓柱體中心軸線兩側(cè)的兩只圓形壓電石英晶片23組成，兩只圓形壓電石英晶片23夾持在上頂板22和下座板24之間，經(jīng)托盤16固定在基座13上，敏感質(zhì)量塊21壓在上頂板22上；密封腔罩15扣在基座13上，其間墊密封墊圈14，并由聯(lián)接螺栓25連接，形成密封腔體；基座13上有真空接線柱29a、29b和真空排氣管31，兩只圓形壓電石英晶片有三種安裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)選方案(如圖5所示)或?yàn)樨Q直平行式安裝結(jié)構(gòu)，或?yàn)樗狡叫惺桨惭b結(jié)構(gòu)，或?yàn)椤鞍恕弊中伟惭b結(jié)構(gòu)。豎直平行式結(jié)構(gòu)是把兩只圓形壓電石英晶片23a1、23a2豎直平行安裝在上頂板22a和下座板24a之間；在水平平行式結(jié)構(gòu)中，上頂板22b居中心位置，下座板24b對(duì)稱分布在兩側(cè)，兩只圓形壓電石英晶片23b1、23b2水平對(duì)稱平行地安裝在上頂板22b和下座板24b之間；在“八”字形結(jié)構(gòu)中，上頂板22c居中心位置，下座板24c對(duì)稱分布在兩側(cè)，兩只圓形壓電石英晶片23c1、23c2水平呈“八”字形對(duì)稱地安裝在上頂板22c和下座板24c之間。
上述三種安裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)選方案中兩只壓電石英晶片23的引線28a、28b通過真空接線柱29a、29b分別與各自對(duì)應(yīng)的激勵(lì)電路連接，形成振蕩電路，當(dāng)被測物體的姿態(tài)改變時(shí)，兩只圓形壓電石英晶片作差頻式輸出，從而可檢測到物體的姿態(tài)傾斜角。
如圖4所示，本發(fā)明一維壓電石英水平姿態(tài)傳感器在敏感元件3中設(shè)置有壓電石英晶片23的軸向和橫向、縱向過載保護(hù)機(jī)構(gòu)。軸向過載保護(hù)機(jī)構(gòu)由敏感質(zhì)量塊21的中段彈性體、下座板24與托盤16間的減震器32、敏感質(zhì)量塊21的圓柱形質(zhì)量體上部的可調(diào)節(jié)的軸向限位螺釘19構(gòu)成，橫向及縱向過載保護(hù)機(jī)構(gòu)由防過載限位框17和防過載限位框17在敏感質(zhì)量塊21的圓柱形質(zhì)量體四周的可調(diào)節(jié)限位螺釘18a、18b、18c、18d構(gòu)成。
在敏感質(zhì)量塊21的結(jié)構(gòu)中，如圖6所示，圓柱形質(zhì)量體是敏感質(zhì)量塊的主體，而彈性體則是傳感器減震體系的一部分，也是大量程狀態(tài)下傳感器具有自修正特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)。圖6中，d、D是彈性體的內(nèi)外直徑，(h2-h1)為彈性體的高，C點(diǎn)是整個(gè)敏感質(zhì)量塊的質(zhì)心。在本發(fā)明中，敏感質(zhì)量塊按照彈性體的不同有四種結(jié)構(gòu)的優(yōu)選方案，如圖8所示敏感質(zhì)量塊21可以是單螺旋式結(jié)構(gòu)，由三段直徑不同的圓柱體組成，包括作為敏感質(zhì)量塊21主體的質(zhì)量體21a、可用于抗沖擊緩沖的彈性體21b和用于與上頂板裝配的螺栓段21c，質(zhì)量體21a為大直徑段(敏感質(zhì)量塊21的上段)，彈性體21b為中直徑段(敏感質(zhì)量塊21的中段)，螺栓段21c為小直徑段(敏感質(zhì)量塊21的下段)，彈性體21b加工成單螺旋彈簧狀結(jié)構(gòu)；敏感質(zhì)量塊21可以是雙螺旋式式結(jié)構(gòu)，由三段直徑不同的圓柱體組成，包括作為敏感質(zhì)量塊21主體的質(zhì)量體21d、可用于抗沖擊緩沖的彈性體21e和用于與上頂板裝配的螺栓段21f，質(zhì)量體21d為大直徑段(敏感質(zhì)量塊21的上段)，彈性體21e為中直徑段(敏感質(zhì)量塊21的中段)，螺栓段21f為小直徑段(敏感質(zhì)量塊21的下段)，彈性體21e加工成雙螺旋彈簧狀結(jié)構(gòu)；敏感質(zhì)量塊21可以是“工”字形兩孔式結(jié)構(gòu)，由三段直徑不同的圓柱體組成，包括作為敏感質(zhì)量塊21主體的質(zhì)量體21m、可用于抗沖擊緩沖的彈性體21n和用于與上頂板裝配的螺栓段21s，質(zhì)量體21m為大直徑段(敏感質(zhì)量塊21的上段)，彈性體21n為中直徑段(敏感質(zhì)量塊21的中段)，螺栓段21s為小直徑段(敏感質(zhì)量塊21的下段)，彈性體21n加工成“工”字形兩孔式結(jié)構(gòu)；敏感質(zhì)量塊21可以是“工”字形三孔式結(jié)構(gòu)，由三段直徑不同的圓柱體組成，包括作為敏感質(zhì)量塊21主體的質(zhì)量體21x、可用于抗沖擊緩沖的彈性體21y和用于與上頂板裝配的螺栓段21z，質(zhì)量體21x為大直徑段(敏感質(zhì)量塊21的上段)，彈性體21y為中直徑段(敏感質(zhì)量塊21的中段)，螺栓段21z為小直徑段(敏感質(zhì)量塊21的下段)，彈性體21y加工成“工”字形三孔式結(jié)構(gòu)。
防過載限位框的結(jié)構(gòu)如圖7所示，防過載限位框17是圓桶形鏤空架結(jié)構(gòu)，桶形架的內(nèi)外直徑分別為d′、D′，在桶形架的上端和頂端分別有四個(gè)橫向限位螺釘孔18a、18b、18c、18d和一個(gè)軸向限位螺釘19，在限位框架的下部有緊固螺釘26a、26b，四個(gè)橫向限位螺釘孔距框架底部的距離為L2。由敏感質(zhì)量塊的d、D、h1、h2的大小及C的位置，以及與之匹配的限位框架的d′、D′、L2的取值，可決定傳感器的量程大小、抗振動(dòng)沖擊能力及抗過載能力強(qiáng)弱。
當(dāng)外界對(duì)壓電石英水平姿態(tài)傳感器施加強(qiáng)震動(dòng)沖擊和高過載時(shí)，由圖3中的敏感元件減震墊11和圖4中托盤減震墊32、敏感質(zhì)量塊21的彈性柱體、防過載限位框17及四周的可調(diào)節(jié)限位螺釘18a、18b、18c、18d，以及軸向限位螺釘19構(gòu)成減震及防過載限位保護(hù)裝置，從而提高傳感器的環(huán)境適應(yīng)能力。
本發(fā)明一維壓電石英水平姿態(tài)傳感器的敏感元件的密封腔體由基座、密封腔罩及密封墊圈構(gòu)成，如圖9所述。密封腔體的密封結(jié)構(gòu)或?yàn)橥拱夹窝肋呇揽诮Y(jié)構(gòu)，或?yàn)榕窝肋吔Y(jié)構(gòu)，配置關(guān)系如圖10所示?；?3和密封腔罩15上分別有密封定位環(huán)，用以固定密封墊圈的位置。密封時(shí)用裝配夾具將基座13的環(huán)狀凸形牙邊或環(huán)狀劈形牙邊壓入密封墊圈14，從而完成密封，用聯(lián)接螺栓25緊固。密封腔改善了石英晶體諧振器的工作環(huán)境，從而提高了石英晶體諧振器的頻率穩(wěn)定性。本發(fā)明一維壓電石英水平姿態(tài)傳感器的主要性能指標(biāo)如表1所示。
表1本發(fā)明一維壓電石英水平姿態(tài)傳感器不同實(shí)施方案的主要性能指標(biāo)

本發(fā)明二維壓電石英水平姿態(tài)傳感器主要由敏感元件3、信號(hào)處理電路4和5、底座1、外殼2和插座10組成，如圖11所示。起支撐作用的底座1與外殼2緊密配合，構(gòu)成腔體，敏感元件3安裝在固定板34上，底座1上安裝信號(hào)處理電路4、5，電源及信號(hào)由引線9通過SR232接口36和插座10進(jìn)出。
本發(fā)明二維壓電石英水平姿態(tài)傳感器在敏感元件3的上下增設(shè)雙層減震器保護(hù)結(jié)構(gòu)，如圖11和12所示，第一層減震器為在敏感元件3的下部增加的下定位減震器33、在敏感元件3的上部增加的上定位減震器35，下定位減震器33裝在框架座38的上面，上定位減震器35裝在框架蓋41的下面，安裝框架由框架座38、框架蓋41和四根框架柱39用螺栓拉緊裝配在一起形成，敏感元件3、信號(hào)處理電路4和5及固定板34通過下定位減震器33和上定位減震器35整體懸置固定在安裝框架內(nèi)，形成第一層減震器保護(hù)結(jié)構(gòu)；第二層減震器為在底座1的內(nèi)側(cè)與框架座38之間設(shè)置的下減震器37、在外殼2的上頂內(nèi)側(cè)與框架蓋41之間設(shè)置的上減震器40，整個(gè)安裝框架通過下減震器37和上減震器40懸置固定在由底座1和外殼2構(gòu)成的密閉腔體內(nèi)，形成第二層減震器保護(hù)結(jié)構(gòu)。
下定位減震器33、上定位減震器35、下減震器37、上減震器40由硅橡膠制成，其結(jié)構(gòu)如圖13、圖14所示。
當(dāng)外界對(duì)二維壓電石英水平姿態(tài)傳感器施加強(qiáng)震動(dòng)沖擊和高過載時(shí)，由敏感元件3的減震及防過載限位保護(hù)裝置和下定位減震器33、上定位減震器35，以及下減震器37和上減震器40構(gòu)成整個(gè)傳感器的減震及防過載限位保護(hù)裝置，從而提高了傳感器的抗強(qiáng)震動(dòng)沖擊的能力。
當(dāng)有傾斜角輸入時(shí)，二維壓電石英水平姿態(tài)傳感器能同時(shí)敏感x軸和y軸兩個(gè)方向的輸入傾斜角。二維壓電石英水平姿態(tài)傳感器抗沖擊強(qiáng)度可達(dá)10000g，測量范圍0.0001°～50°，本發(fā)明二維壓電石英水平姿態(tài)傳感器的幾種實(shí)施方案的主要性能指標(biāo)如表2所示。
表2本發(fā)明二維壓電石英水平姿態(tài)傳感器的幾種實(shí)施方案的主要性能指標(biāo)

權(quán)利要求
1.一種新型壓電石英水平姿態(tài)傳感器，它包括敏感元件、信號(hào)處理電路、底座、外殼和插座，其特征在于敏感元件(3)的兩只圓形壓電石英晶片(23)對(duì)稱安裝在上頂板(22)和下座板(24)的圓柱體中心軸線兩側(cè)；在敏感元件(3)中設(shè)置了壓電石英晶片(23)的軸向和橫向、縱向過載保護(hù)機(jī)構(gòu)，軸向過載保護(hù)機(jī)構(gòu)由敏感質(zhì)量塊(21)和下座板(24)與托盤(16)間的減震墊(32)以及敏感質(zhì)量塊21的圓柱形質(zhì)量體(21a)上部的可調(diào)節(jié)的軸向限位螺釘19構(gòu)成，橫向、縱向過載保護(hù)機(jī)構(gòu)由防過載限位框(17)和防過載限位框(17)在質(zhì)量體(21a)四周的可調(diào)節(jié)限位螺釘(18a)、(18b)、(18c)、(18d)構(gòu)成；構(gòu)成敏感元件(3)腔體的密封腔罩(15)和基座(13)采用陽凸陰凹擠壓密封和螺栓緊固結(jié)構(gòu)。
2.按照權(quán)利要求1所述的新型壓電石英水平姿態(tài)傳感器，其特征在于所述的兩只圓形壓電石英晶片(23)的安裝結(jié)構(gòu)可以采用豎直平行式結(jié)構(gòu)或水平平行式結(jié)構(gòu)或“八”字形結(jié)構(gòu)的其中之一，豎直平行式結(jié)構(gòu)是兩只圓形壓電石英晶片(23a1)、(23a2)豎直平行安裝在上頂板22a和下座板24a之間；在水平平行式結(jié)構(gòu)中，上頂板22b居中心位置，下座板24b對(duì)稱分布在兩側(cè)，兩只圓形壓電石英晶片(23b1)、(23b2)水平對(duì)稱平行地安裝在上頂板22b和下座板24b之間；在“八”字形結(jié)構(gòu)中，上頂板22c居中心位置，下座板24c對(duì)稱分布在兩側(cè)，兩只圓形壓電石英晶片(23c1)、(23c2)水平呈“八”字形對(duì)稱地安裝在上頂板22c和下座板24c之間；以上三種安裝結(jié)構(gòu)中的兩只圓形壓電石英晶片(23a1)、(23a2)，(23b1)、(23b2)和(23c1)、(23c2)的電極引線分別與各自的激勵(lì)電路相聯(lián)。
3.按照權(quán)利要求1所述的新型壓電石英水平姿態(tài)傳感器，其特征在于所述的敏感質(zhì)量塊(21)可以采用單螺旋式結(jié)構(gòu)或雙螺旋式結(jié)構(gòu)或“工”字形兩孔式結(jié)構(gòu)或“工”字形三孔式結(jié)構(gòu)的其中之一，單螺旋式結(jié)構(gòu)的敏感質(zhì)量塊是由三段直徑不同的圓柱體組成，包括作為敏感質(zhì)量塊(21)主體的質(zhì)量體(21a)、可用于抗沖擊緩沖的彈性體(21b)和用于與上頂板裝配的螺栓段(21c)，質(zhì)量體(21a)為大直徑段(敏感質(zhì)量塊(21)的上段)，彈性體(21b)為中直徑段(敏感質(zhì)量塊(21)的中段)，螺栓段(21c)為小直徑段(敏感質(zhì)量塊(21)的下段)，彈性體21b加工成單螺旋彈簧狀結(jié)構(gòu)；雙螺旋式結(jié)構(gòu)的敏感質(zhì)量塊是由三段直徑不同的圓柱體組成，包括作為敏感質(zhì)量塊(21)主體的質(zhì)量體(21d)、可用于抗沖擊緩沖的彈性體(21e)和用于與上頂板裝配的螺栓段(21f)，質(zhì)量體(21d)為大直徑段(敏感質(zhì)量塊(21)的上段)，彈性體(21e)為中直徑段(敏感質(zhì)量塊(21)的中段)，螺栓段(21f)為小直徑段(敏感質(zhì)量塊(21)的下段)，彈性體21e加工成雙螺旋彈簧狀結(jié)構(gòu)；“工”字形兩孔式結(jié)構(gòu)的敏感質(zhì)量塊是由三段直徑不同的圓柱體組成，包括作為敏感質(zhì)量塊(21)主體的質(zhì)量體(21m)、可用于抗沖擊緩沖的彈性體(21n)和用于與上頂板裝配的螺栓段(21s)，質(zhì)量體(21m)為大直徑段(敏感質(zhì)量塊(21)的上段)，彈性體(21n)為中直徑段(敏感質(zhì)量塊(21)的中段)，螺栓段(21s)為小直徑段(敏感質(zhì)量塊(21)的下段)，彈性體(21n)加工成“工”字形兩孔式結(jié)構(gòu)；“工”字形三孔式結(jié)構(gòu)的敏感質(zhì)量塊是由三段直徑不同的圓柱體組成，包括作為敏感質(zhì)量塊(21)主體的質(zhì)量體(21x)、可用于抗沖擊緩沖的彈性體(21y)和用于與上頂板裝配的螺栓段(21z)，質(zhì)量體(21x)為大直徑段(敏感質(zhì)量塊(21)的上段)，彈性體(21y)為中直徑段(敏感質(zhì)量塊(21)的中段)，螺栓段(21z)為小直徑段(敏感質(zhì)量塊(21)的下段)，彈性體(21y)加工成“工”字形三孔式結(jié)構(gòu)。
4.按照權(quán)利要求1所述的新型壓電石英水平姿態(tài)傳感器，其特征在于所述敏感元件(3)的密封腔罩(15)和基座(13)之間的陽凸陰凹擠壓密封結(jié)構(gòu)可以采用凸凹形牙邊牙口結(jié)構(gòu)或劈形牙邊結(jié)構(gòu)的其中之一，在凸凹形牙邊牙口結(jié)構(gòu)中，基座(13)和密封腔罩(15)上分別有用以固定密封墊圈位置的密封定位環(huán)(42a)、(42b)，密封腔罩(15)和基座(13)之間有密封墊圈(14)，基座(13)的環(huán)狀凸形牙邊壓入密封墊圈(14)，密封腔罩(15)和基座(13)用聯(lián)接螺栓(25)緊固；在劈形牙邊結(jié)構(gòu)中，基座(13)和密封腔罩(15)上分別有用以固定密封墊圈位置的密封定位環(huán)(42a)、(42b)，密封腔罩(15)和基座(13)之間有密封墊圈(14)，基座(13)的環(huán)狀劈形牙邊壓入密封墊圈(14)，密封腔罩(15)和基座(13)用聯(lián)接螺栓(25)緊固。
5.按照權(quán)利要求1所述的新型壓電石英水平姿態(tài)傳感器，其特征在于新型壓電石英水平姿態(tài)傳感器具有一維和二維兩種結(jié)構(gòu)的實(shí)施方式，在二維壓電石英水平姿態(tài)傳感器的敏感元件(3)的上下增設(shè)雙層減震器保護(hù)結(jié)構(gòu)，第一層減震器為在敏感元件(3)的下部增加的下定位減震器(33)、在敏感元件(3)的上部增加的上定位減震器(35)，下定位減震器(33)裝在框架座(38)的上面，上定位減震器(35)裝在框架蓋(41)的下面，安裝框架由框架座(38)、框架蓋(41)和四根框架柱(39)用螺栓拉緊裝配在一起形成，敏感元件(3)、信號(hào)處理電路4和5及固定板(34)通過下定位減震器(33)和上定位減震器(35)整體懸置固定在安裝框架內(nèi)，形成第一層減震器保護(hù)結(jié)構(gòu)；第二層減震器為在底座(1)的內(nèi)側(cè)與框架座(38)之間設(shè)置的下減震器(37)、在外殼(2)的上頂內(nèi)側(cè)與框架蓋(41)之間設(shè)置的上減震器(40)，整個(gè)安裝框架通過下減震器(37)和上減震器(40)懸置固定在由底座(1)和外殼(2)構(gòu)成的密閉腔體內(nèi)，形成第二層減震器保護(hù)結(jié)構(gòu)。
6.按照權(quán)利要求1或5所述的新型壓電石英水平姿態(tài)傳感器，其特征在于所述的下定位減震器(33)是一個(gè)四個(gè)角為圓角的長方形橡膠墊，沿長方形橡膠墊的長邊方向?qū)ΨQ開有二個(gè)圓形通孔。
7.按照權(quán)利要求1或5所述的新型壓電石英水平姿態(tài)傳感器，其特征在于所述的上定位減震器(35)是一個(gè)四個(gè)角為圓角的長方形橡膠墊，沿長方形橡膠墊的長邊方向?qū)ΨQ開有二個(gè)圓形的與敏感元件(3)的頂部形狀相吻合的凹槽，沿長方形橡膠墊的長邊方向靠近圓角的部位開有二個(gè)通孔，上定位減震器(35)的面積大小以能剛好被框架蓋(41)罩住為準(zhǔn)。
8.按照權(quán)利要求1或5所述的新型壓電石英水平姿態(tài)傳感器，其特征在于所述的下減震器(37)是一個(gè)開有與框架座(38)形狀相吻合的長方形凹槽的、可以使框架座(38)能嵌入的長方形橡膠墊。
9.按照權(quán)利要求1或5所述的新型壓電石英水平姿態(tài)傳感器，其特征在于所述的上減震器(40)是一個(gè)開有與框架蓋(41)形狀相吻合的長方形凹槽的、可以使框架蓋(41)能嵌入的長方形橡膠墊。
10.按照權(quán)利要求1或5所述的新型壓電石英水平姿態(tài)傳感器，其特征在于所述的下定位減震器(33)、上定位減震器(35)、下減震器(37)、上減震器(40)均采用具有彈性的材料制成，推薦采用硅橡膠。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種敏感電子學(xué)領(lǐng)域里的主要應(yīng)用于飛行器、機(jī)器人、車船、石油鉆井、雷達(dá)衛(wèi)星等姿態(tài)穩(wěn)定與控制系統(tǒng)中的新型壓電石英水平姿態(tài)傳感器。其主要由敏感元件、信號(hào)處理電路、底座、外殼、插座組成。敏感元件采用了兩只圓形壓電石英晶片對(duì)稱安裝結(jié)構(gòu)以及軸向和橫向、縱向過載保護(hù)機(jī)構(gòu)，并在敏感元件的上下增設(shè)雙層減震器保護(hù)結(jié)構(gòu)，敏感元件腔體的密封罩和基座采用了陽凸陰凹擠壓密封和螺栓緊固結(jié)構(gòu)。本發(fā)明是將物體姿態(tài)偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為作用到壓電石英晶片上的力，通過石英諧振器受力后頻率變化測量物體水平姿態(tài)參數(shù)，具有分辨率強(qiáng)、穩(wěn)定性高、非線性度低、啟動(dòng)速度快、測量范圍和工作溫度范圍寬、抗高過載沖擊強(qiáng)度以及輸出為數(shù)字式等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H03H9/05GK101082487SQ20071011852
公開日2007年12月5日 申請(qǐng)日期2007年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月9日
發(fā)明者張福學(xué), 張偉 申請(qǐng)人:北京信息工程學(xué)院