一种石英挠性加速度计表芯夹紧力监测装置及监测方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种石英挠性加速度计表芯夹紧力监测装置及监测方法。

背景技术

石英挠性加速度计是当前应用最广泛的加速度计，用于航天、航空、航海、陆用等各型导航与制导系统，而且还在重力与重力梯度测量、石油勘探等领域得到广泛应用。

石英挠性加速度计由上导磁环部件、摆部件、下导磁环部件、连接环、隔离环、壳体等构成，如图1所示。上、下导磁环部件和摆部件通过连接环连接，上、下导磁环和连接环间进行激光焊接，构成表芯；表芯通过隔离环与壳体间进行胶粘接连接，构成加速度计。摆部件由摆片和力矩器线圈组成，摆片摆舌和力矩器线圈构成敏感加速度的检测质量。上(下)导磁环部件包括上(下)导磁环、磁钢、磁极片和热磁补偿环等，构成磁路，力矩器线圈位于磁路工作气隙中，形成永磁式力矩器。同时，摆片摆舌上镀覆的金膜与上、下导磁环端面构成差动式电容传感器。

石英挠性加速度计是有差式闭环工作加速度计。当没有加速度输入时，由摆片摆舌和力矩器线圈构成的检测质量处于差动式电容传感器的“电零位”。当有加速度输入时，检测质量由于惯性力作用，发生与惯性力相应的偏转，偏离“电零位”，差动式电容传感器产生输出。该输出经伺服电路转换为力矩反馈电流，输入到力矩器线圈，产生电磁反馈力矩，使检测质量回归“电零位”。达到稳态后，检测质量所处位置与“电零位”间存在一个偏差角，该偏差角差产生的电磁反馈力矩与惯性力矩平衡。所以力矩器线圈中的反馈电流与输入加速度对应，通过检测力矩反馈电流的大小和方向，即可得到输入加速度的大小和方向。

表芯是石英挠性加速度计中的关键部件，为保证加速度计在各种工况下性能参数的稳定性，表芯中上、下导磁环部件与摆部件的连接状态必须保持稳定。为保证表芯中上、下导磁环部件与摆部件的连接状态在各种工况下保持稳定，表芯中三个部件间必须保持一定的夹紧力。在加速度计装配过程中，先由装配工装将上、下导磁环部件和摆部件夹紧，施加预夹紧力，三个部件均产生压应变；然后装上连接环，这时连接环处于自由状态，连接环与上、下导磁环间进行激光焊接；之后撤出装配工装，此时上、下导磁环部件和摆部件的压应变减小，连接环受拉变形，产生拉应变；达到力平衡后，连接环拉应变产生的拉力使上、下导磁环部件和摆部件间维持一定的压力，使上、下导磁环部件和摆部件继续保持一定的压应变，该压力即表芯的夹紧力。

表芯夹紧力大小与装配过程中施加的预夹紧力有关，也与连接环等零件的结构尺寸有关。表芯夹紧力在不同工况下会发生变化。由于摆片的材料是石英玻璃，而上、下导磁环及连接环的材料是低膨胀合金，这两种材料的热膨胀系数不同，因此当温度变化时，零件间的热变形量不同，此时表芯夹紧力会发生变化。上、下导磁环和摆片间的接触面并非理想镜面接触，而是存在一定微观不平度，当加速度计经历振动、冲击等作用后，上、下导磁环和摆片间的接触刚度会发生微小变化，此时表芯夹紧力也会发生变化。上、下导磁环和连接环间是通过激光焊接连接的，随着加速度计长时间储存与工作，激光焊接应力分布会发生变化，此时表芯夹紧力也会发生变化。

当表芯夹紧力发生变化时，上、下导磁环和摆片的压应变会发生变化，使摆片摆舌金膜与上、下导磁环端面构成的两个电容的电容值发生非线性变化，从而加速度计差动式电容传感器的“电零位”发生变化；摆片压应变变化也会传递到挠性梁上，使挠性梁上应力状态发生变化；这二者均会使加速度计偏值发生变化，即影响了加速度计性能精度。更有甚者，当表芯夹紧力大小不适当时，在一定工况下其可能降至零，此时上、下导磁环部件和摆部件间可能发生径向错动，导致加速度计性能精度严重下降，甚至丧失功能。

因此，有必要在不同工况下对表芯夹紧力进行监测，根据监测结果对装配过程中施加的预夹紧力和激光焊接工艺参数进行优化，确保表芯夹紧力大小适当且保持一定的稳定性，从而保证加速度计的性能精度和可靠性。

发明内容

本发明的目的是在于克服现有技术的不足之处，提供一种石英挠性加速度计表芯夹紧力的监测装置及监测方法。

本发明的上述目的之一通过如下技术方案来实现：

一种石英挠性加速度计表芯夹紧力监测装置，其特征在于：

包括上导磁环部件、摆部件、下导磁环部件、连接环、隔离环、壳体；上、下导磁环部件和摆部件通过连接环连接，上、下导磁环和连接环间焊接，构成表芯；表芯通过隔离环与壳体间进行胶粘接连接，构成监测装置；其中，摆部件由摆片和力矩器线圈组成；摆片上的梁为刚性梁，梁的厚度与摆舌的厚度相同；摆片摆舌两侧金膜与上、下导磁环端面构成差动式电容传感器，差动电容通过两绝缘子引出；

包括差动电容检测电路，用于将绝缘子引出的差动电容转换为电压；

包括数字万用表，用于对差动电容检测电路输出电压进行测量；

包括计算机，用于实时监测数字万用表测量电压，进行录数和显示。

本发明的上述目的之二通过如下技术方案来实现：

一种石英挠性加速度计表芯夹紧力监测方法，其特征在于：基于上述的检测装置，包括如下步骤：

步骤1、通过三个绝缘子将差动式电容传感器的电容引出；

步骤2、通过差动电容检测电路将差动电容值转换为电压值，并将转换后的电压输出给数字万用表；

步骤3、通过数字用万用表，测量差动电容检测电路输出电压，并将数据输出给计算机；

步骤4、通过计算机实时监测数字万用表测量电压，进行录数和显示。

本发明具有的优点和积极效果：

1、本发明通过将石英挠性加速度计检测装置中摆片的梁由挠性梁改为了刚性梁，使摆舌失去了绕摆舌偏转的自由度，进而通过对加速度计差动电容传感器的监测，实现对表芯夹紧力的监测。

2、在本发明方法中差动电容传感器通过绝缘子引出，外接差动电容检测电路将差动电容转换为电压，再接数字万用表及计算机，实现对差动电容的实时监测。

3、本发明与正常加速度计相比，仅是摆片的梁不同，其它设计状态及装配工艺状态均相同，从外面看来仍是一只“加速度计”，因此可与正常加速度计一起进行高低温、振动及冲击等各项环境应力试验，像正常加速度计在经历环境应力试验时可以监测其加速度输出一样，本发明可在经历环境应力试验时监测“夹紧力”输出。

附图说明

图1是现有石英挠性加速度计剖视图；

图2是现有正常挠性梁摆片结构图，2a为正视图；2b为侧视图；

图3是本发明摆舌失去绕梁偏转自由度的刚性梁摆片结构图，3a为正视图；3b为侧视图；

图4是本发明采用刚性梁摆片的表芯，4a为纵向剖视图；4b为左视图；

图5a是本发明采用刚性梁摆片的加速度计的纵向剖视图；

图5b是本发明采用刚性梁摆片的加速度计的左视图；

图6是本发明表芯夹紧力监测系统框图；

图7是本发明一个实际装置进行的输出电压-夹紧力标定曲线；

图8是本发明一个实际装置进行的输出电压-温度测试曲线。

具体实施方式

以下结合附图并通过实施例对本发明的结构作进一步说明。需要说明的是本实施例是叙述性的，而不是限定性的。

在石英挠性加速度计中，摆片摆舌两侧镀有金膜，分别与上、下导磁环端面构成电容，两个电容构成差动式电容传感器，对摆片摆舌的偏转进行检测。如背景技术内容所述，当表芯夹紧力发生变化时，差动式电容传感器的“电零位”发生变化，导致差动式电容传感器的输出发生变化。所以，差动式电容传感器输出的变化，既体现摆片摆舌的偏转，也体现表芯夹紧力的变化。若监测装置采用石英挠性加速度计同样的结构，但是将挠性梁改为刚性梁，使摆片摆舌不能偏转，那么差动电容传感器输出的变化则仅体现表芯夹紧力的变化，即可用来对表芯夹紧力进行监测。

正常摆片的结构如图2所示，梁的厚度仅为0.02mm～0.03mm。由挠性梁改为刚性梁后的摆片结构如图3所示，梁的厚度与摆舌的厚度相同，因此摆舌失去了绕梁偏转的自由度。

采用刚性梁摆片装配成表芯，如图4所示，再将表芯装入壳体，装配成本发明监测装置，如图5所示。摆片5、上导磁环3、下导磁环6及连接环4装配成表芯，装配工艺参数与实际装配工艺参数相同。表芯、隔离环2与壳体1装配成本发明监测装置，装配工艺参数也与实际装配工艺参数相同。在本发明监测装置中，摆片摆舌两侧金膜与上、下导磁环端面构成差动式电容传感器，差动电容通过绝缘子7和绝缘子8引出，外接差动电容检测电路将差动电容转换为电压，再接数字万用表对差动电容检测电路的输出电压进行测量，再连接计算机实时监测数字万用表测量电压，进行录数和显示。

由于本发明监测装置与正常加速度计相比，仅是摆片的梁不同，其它设计状态及装配工艺状态均相同，从外面看来仍是一只“加速度计”，因此可与正常加速度计一起进行高低温、振动及冲击等各项环境应力试验，像正常加速度计在经历环境应力试验时可以监测其加速度输出一样，本发明装置可在经历环境应力试验时监测其“夹紧力”输出。

为了验证本发明监测装置的有效性，一个实际监测装置在表芯状态下进行了输出电压-夹紧力标定试验，即通过装配工装改变表芯的夹紧力，同时测量输出电压变化，图7所示是其标定曲线，可以看到输出电压随夹紧力的改变而发生变化，电压/夹紧力的拟合斜率为0.03mV/N。将此监测装置放在高低温箱中，在-20℃、0℃、30℃三个温度下测量其输出电压，测得的曲线如图8所示，电压/温度的拟合斜率为0.004mV/℃，因此夹紧力/温度的标度因数大约为0.13N/℃。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神范围内，各种替换、变换和修改都是可以的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。