一种摆式加速度计

技术领域

本发明属于高精度仪器仪表技术领域，具体涉及一种摆式加速度计。

背景技术

加速度计是测量运动载体线加速度的仪表，是惯性导航系统的核心器件之一。在高精度惯性导航领域，应用最广泛的加速度计产品仍以摆式加速度计为主，具有结构简单、体积小、寿命长、精度和灵敏度高、温度系数小、性能稳定等优点，广泛应用于飞机、导弹、火箭、船舶、车辆的惯性导航系统，以及石油钻井、建筑、堤坝的倾角测量以及地震监测等领域。

现有摆式加速度计中，摆片和固定极板组成差分电容位移传感器，当有外界加速度信号输入时，摆片受到惯性力的作用发生摆动，从而使得差分电容位移传感器的电容值发生改变，通过伺服电路的C-V读出电路，使得差分电容变化转化为电压信号，再通过信号调理电路反馈输出相应的电流，输入到永磁式力矩器的力矩器线圈，从而产生平衡力矩去抵消外部惯性加速度产生的惯性力，达到了闭环系统的力平衡，输入给力矩器的反馈电流的大小正比于输入惯性加速度的值，从而实现了加速度的度量。

上述石英加速度计采用电容极板间隙内的气体形成压膜阻尼，在动态加速度信号输入时，抑制挠性摆的振荡运动，但压膜阻尼力矩受极板间隙和面积的限制通常较小，对高动态环境下挠性摆振荡的抑制作用较弱，因此石英加速度计在高动态环境下的动态误差较大。

发明内容

鉴于现有技术的上述情况，本发明的目的是提供一种高动态条件下动态性能好的摆式加速度计。

本发明的上述目的是利用以下技术方案实现的：

一种摆式加速度计，包括表芯，其中所述表芯包括硅摆片、力矩器、光学位移传感器和电磁阻尼器，其中所述力矩器包括磁钢、导磁帽和力矩器线圈，导磁帽叠装在磁钢上，一起固定在底座上，力矩器线圈固定在硅摆片下表面上，并位于在导磁帽和磁钢与底座之间形成的环状间隙中，所述光学位移传感器包括光源、光电接收器及可动光窗，可动光窗固定在摆片上，并介于光源和光电接收器之间，所述电磁阻尼器包括阻尼器磁钢、阻尼器导磁帽和阻尼器线圈，阻尼器磁钢叠装在阻尼器导磁帽上，一起固定在上盖上，阻尼器线圈固定在硅摆片上表面上，并位于在阻尼器磁钢和阻尼器导磁帽与上盖之间形成的环状间隙中，上盖固定在底座上。

其中，力矩器和电磁阻尼器的位置也可以对调，即，本发明的摆式加速度计也可以是：包括表芯，其中所述表芯包括硅摆片、力矩器、光学位移传感器和电磁阻尼器，其中所述力矩器包括磁钢、导磁帽和力矩器线圈，导磁帽叠装在磁钢上，一起固定在上盖上，力矩器线圈固定在硅摆片上表面上，并位于在导磁帽和磁钢与上盖之间形成的环状间隙中，所述光学位移传感器包括光源、光电接收器及可动光窗，可动光窗固定在摆片上，并介于光源和光电接收器之间，所述电磁阻尼器包括阻尼器磁钢、阻尼器导磁帽和阻尼器线圈，阻尼器磁钢叠装在阻尼器导磁帽上，一起固定在底座上，阻尼器线圈固定在硅摆片下表面上，并位于在阻尼器磁钢和阻尼器导磁帽与底座之间形成的环状间隙中，上盖固定在底座上。

本发明通过将光学挠性摆式加速度计与电磁阻尼技术相结合，实现高动态条件下动态误差较小的加速度测量。

附图说明

图1是图解说明本发明的加速度计中的表芯的组成的分解示意图。

具体实施方式

为了更清楚地理解本发明的目的、技术方案及优点，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

本发明的高动态条件下动态性能好的摆式加速度计包括表芯，表芯是摆式加速度计的主要工作部件，图1是图解说明本发明的加速度计中的表芯的组成的分解示意图。如图1所示，表芯主要包括硅摆片1，力矩器(包括力矩器线圈5、磁钢3和导磁帽4)、底座2、光学位移传感器(包括可动光窗10、光源12和光电接收器11)、电磁阻尼器(包括阻尼器线圈6、阻尼器导磁帽8和阻尼器磁钢7)和上盖9。

所述硅摆片1包括挠性支承梁13，优选地，挠性支承梁13为两个或者更多个。

所述力矩器包括力矩器线圈5、磁钢3和导磁帽4，其中导磁帽4叠装在磁钢3上，一起固定在底座2上，力矩器线圈5为开放线圈，固定在硅摆片下表面上，并位于在导磁帽4和磁钢3与底座2之间形成的环状间隙中，为摆质量提供反馈力矩。

所述光学位移传感器包括光源12、光电接收器11及可动光窗10。可动光窗10固定在摆片1上，并介于光源12和光电接收器11之间，用于检测摆质量位移。

所述电磁阻尼器包括阻尼器线圈6、阻尼器导磁帽8和阻尼器磁钢7，其中阻尼器磁钢7叠装在阻尼器导磁帽8上，一起固定在上盖9上，阻尼器线圈6为闭合线圈，固定在硅摆片1上表面上，并位于在阻尼器磁钢7和阻尼器导磁帽8与上盖9之间形成的环状间隙中，为摆质量提供阻尼力矩。上盖9固定在底座2上。固定在硅摆片1上的可动光窗10、力矩器线圈5和阻尼器线圈6构成可绕挠性支承梁13摆动的摆质量。

其中磁钢3和/或阻尼器磁钢7的材料优选为永磁材料，具体可以采用钐钴合金或铝镍钴合金。阻尼器磁钢7充磁方向为轴向充磁，且与磁钢3的充磁方向相反。磁钢3和/或阻尼器磁钢7结构可以为圆台形、圆柱形或圆环形。另外，导磁帽4、底座2、阻尼器导磁帽8、上盖9可采用1J50、1J22等软磁合金材料。

所述摆质量绕挠性支承梁13产生位移，通过光学位移传感器测量摆质量的位移，并通过伺服控制电路将位移传感器的电流信号放大后，加载到力矩器线圈上，力矩器线圈在气隙磁场中产生电磁反馈力矩抵消外部稳态加速度产生的惯性力，达到了闭环系统的力平衡，加载到力矩器线圈的反馈控制电流正比于输入稳态加速度的值，从而实现了加速度的测量。当有动态加速度信号输入时，摆质量产生位移振荡，电磁阻尼器产生电磁阻尼力矩，该阻尼力矩与摆质量的运动速度成正比，因此可抑制摆质量的位移振荡，从而提升加速度计的动态性能。

现有石英加速度计采用电容极板间隙内的气体形成压膜阻尼，在动态加速度信号输入时，抑制挠性摆的振荡运动，但压膜阻尼力矩受极板间隙和面积的限制通常较小，对高动态环境下挠性摆振荡的抑制作用较弱，因此石英加速度计在高动态环境下的动态误差较大。

本发明中信号传感器采用光学位移传感器检测摆质量的位移，可实现埃级位移检测分辨率，且受电子噪声、机械热噪声及环境电磁干扰的影响较小。采用电磁阻尼器实现较大的阻尼力矩，并可通过改变阻尼器磁钢、阻尼器上盖、阻尼器导磁帽的尺寸，及阻尼器闭合线圈的匝数来改变电磁阻尼力矩，从而本发明对高动态环境下挠性摆振荡的抑制作用较强，因此在高动态环境下的动态误差较小。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。比如尽管在上面的说明中，包括力矩器线圈5、磁钢3和导磁帽4的力矩器位于底座2与硅摆片下表面之间，包括阻尼器线圈6、阻尼器导磁帽8和阻尼器磁钢7的电磁阻尼器位于上盖9与硅摆片1上表面之间，不过，力矩器和电磁阻尼器的位置也可以对调，即，包括力矩器线圈5、磁钢3和导磁帽4的力矩器位于上盖9与硅摆片1上表面之间，包括阻尼器线圈6、阻尼器导磁帽8和阻尼器磁钢7的电磁阻尼器位于底座2与硅摆片下表面之间。