石英振梁加速度计研究现状及发展趋势

石英振梁加速度计是一种基于振梁谐振和力频特性原理的新型全固态惯性传感器,具有高精度、大量程、低功耗、直接频率脉冲输出等突出特点,已被广泛应用于战术武器系统。简要介绍了石英振梁加速度计的工作原理、技术特点,梳理了分体式和一体式两种仪表结构的研究现状和关键技术。结合国外研究发展趋势,指出石英振梁加速度计将成为后续达到摆式积分陀螺加速度计精度和抗辐照指标、满足战略级需求最有可能的加速度计方案。     

石英振梁加速度计概述

随着惯性技术的发展，它的方向发生了新的变化，微机械技术日益占据重要的地位。石英振梁加速度计正是这样的一种微机械惯性仪表，因此有必要对其进行以下全面描述。在这篇文章中介绍了惯性技术的发展方向，石英振梁加速度计的发展状况、基本原理、主要构成和主要材料、主要优点，其研制的主要技术、途径也被提到，并进行了简单的精度分析。     

一种分体式石英振梁加速度计的研制

加速度计作为导航制导系统的重要元件,要在严酷的条件下及系统全生命周期内保证精度、稳定性、线性度等性能指标要求,这对加速度计的研制提出了极大的挑战。介绍了一种基于振梁谐振和力频特性原理的分体式石英振梁加速度计,给出了加速度计的总体结构和简化的力学模型,并进行了受力分析,指出不能简单通过增加摆质量的厚度来提高加速度计的标度因数。阐述了用双端固定音叉结构制作石英振梁的工艺加工过程,指出铬金掩膜的制作是振梁加工的关键工序。针对振梁等效参数,电路采用具有更大增益的双门振荡器方案。最后,对加速度计进行了标定测试,标度因数为55Hz/g,量程达到±70g,4h的零偏稳定性为8.1μg。测试结果表明,双振梁推挽差分输出的设计有效改善了加速度计的零偏稳定性。     

双端固支石英振梁力频系数与热弹性品质因数分析

双端固支石英振梁作为微型谐振式石英传感器的核心敏感元件,其力频系数和品质因数对传感器的灵敏度和分辨率具有重要的影响。石英振梁的力频系数越高,同等条件下传感器的灵敏度也越高;振梁品质因数越高,传感器的分辨力亦越高。对于工作于一阶振动模态的石英振梁而言,力频系数与热弹性品质因数仅与其自身的结构尺寸参数有关。通过分析发现,石英振梁的力频系数与热弹性品质因数之间存在一定的矛盾。详细分析了石英振梁力频系数与热弹性品质因数的特点及两者之间的定量影响,给出了两者的理论模型与仿真方法,建立了力频系数-热弹性品质因数的目标优化函数。分析结果表明,在音叉尺寸范围内,目标优化函数值从0.064增加为0.64,且变化趋势与品质因数相类似。最后,分析了在设计用于微型谐振式石英传感器的双端固支石英振梁时该如何获得最佳的传感器性能。     

石英挠性加速度计标度因数受气压影响分析

石英挠性加速度计是惯导产品的核心器件之一,主要敏感载体运动中的加速度,为系统提供位置信息.加速度计具有力学敏感特性,其测量精度易受环境因素变化的影响.针对加速度计在不同地域测试时标度因数发生较大变化的问题,分离了加速度计异地测试过程中的时漂、温变、形变等多个环境因子后,提出了造成加速度计异地标度因数改变的主要原因是环境气压发生了较大变化.根据石英挠性加速度计的基本原理,结合加速度计检测质量摆的具体受力情况,对气压变化造成加速度计标度因数改变的机理进行了详细分析,给出了标度因数随气压变化的相对变化理论计算公式,经过验证试验,实测情况与理论分析结果一致,可以为石英挠性加速度计的优化改进提供参考依据,具有一定的工程应用价值.     

石英挠性加速度计参数长期重复性技术研究

石英挠性加速计作为敏感载体加速度的关键器件,其参数的长期重复性直接决定着惯导系统的精度和性能。为了清楚石英挠性加速度计长期重复性机理,从胶粘剂性能变化和焊接应力变化两个方面分析了石英挠性加速度计偏值长期重复性机理;从胶粘剂性能变化和永磁材料稳定性两个方面分析了石英挠性加速度计标度因数重复性机理。在此基础上,提出了从结构优化、新型材料研究、稳定化处理和加速试验四个方面提高石英挠性加速度计参数长期重复性的建议,为开展高精度石英挠性加速计的研制提供了支撑。     

航空／海洋重力仪用加速度计现状与优化方法

采用石英挠性加速度计作为重力敏感器的航空/海洋重力仪是典型的重力信息采集仪器,要求石英挠性加速度计具有一次通电稳定性高、高分辨率、低噪声的特点。为了满足航空/海洋重力仪需求,首先,分析了石英挠性加速度计一次通电稳定性机理,确定了关键影响因素,并给出了优化方向;其次,建立了加速度计分辨率模型,给出了测试方法和后续优化方向;最后,通过试验确定了噪声水平,根据关键影响因素给出了优化方向。通过上述研究的开展,为石英挠性加速度计在重力测量领域中的应用奠定了基础。     

石英挠性加速度计组件精密温控系统热分析

在捷联惯性导航系统中石英挠性加速度计是其核心器件,加速度计的温度 特性直接影响其测量精度。在高精度的惯性系统中,需要对加速度计组件进行精度优于 0.05℃的温度控制。为了研究加速度计组件精密温控系统,利用有限元分析软件ANSYS 建立石英挠性加速度计组件温控系统的有限元模型,仿真计算其有限元模型的温度场。 首先根据组件的结构特性建立了其有限元模型,介绍了热分析中求解条件的确定方法。 通过仿真得到温控系统的温度场模型,根据温度场模型计算温度梯度并且确定系统的测 温点、控制方式,最后利用加速度计输出数据验证分析结果的正确性。研究结果可以为 加速度计组件精密温度控制系统中的测温点选取、控制方式确定以及捷联惯导系统中温 度补偿、温度控制与热优化提供参考依据。     

石英晶体振荡器的仿真分析

通过对石英晶体谐振器等效电路的计算分析,引出石英晶体两个振荡频率,借助特性测试,加深对石英晶体电气特性的认识。以并联型石英晶体振荡器为例进行仿真分析,观察其起振波形和稳幅波形,测试其振荡频率。     

基于相关向量机的加速度计参数变化规律研究

针对温度、振动等多种影响因素影响石英挠性加速度计内部参数变化,使石英挠性加速度计参数随着时间发生漂移,从而难以准确描述其变化规律的问题,基于相关向量机具有稀疏的模型结构,适合进行不确定系统建模的优点,提出了一种采用相关向量机进行石英挠性加速度计参数规律研究的方法。为了验证方法的有效性,针对2.5年自然贮存条件的石英挠性加速度计的参数标定值进行了时间序列建模,计算结果表明相关向量机具有很好的效果。     

石英半球谐振子精密成型技术

石英半球谐振陀螺以其轻质、低功耗、长寿命、高可靠、应用精度范围宽、成本低等优势，引起了惯性技术界的瞩目。半球谐振陀螺的核心器件——石英半球谐振子的成型技术是当前的研究重点。经不断试验和摸索，以范成球面弹性展成为基础，通过均衡磨削原则、磨头最大包络原则和三阶段37道工序的精细优化工艺流程，较好地实现了高精度微应力硬脆石英谐振子异形薄壁件的成型，形成了专用的结构成型中心，为石英半球谐振陀螺的核心半球谐振子球壳成型开创了一条可行途径。     

嵌套环MEMS陀螺研究综述

嵌套环MEMS谐振陀螺是一种基于Coriolis效应的振动陀螺,具有结构全对称、加工鲁棒性好、电容灵敏度高、可采用传统体硅加工工艺实现批量化制造等优点,是目前最具性能潜力的微陀螺方案之一。首先阐述了嵌套环MEMS谐振陀螺的基本结构和工作原理,然后针对其在敏感结构设计及演化、品质因数提升、频率匹配技术、非线性效应与参数放大技术及零偏补偿技术等方面的发展进行了讨论,并对其在结构设计、加工技术、测控电路、新机理和新效应的应用等方面的发展进行了展望。嵌套环MEMS谐振陀螺可以实现高精度的角速率测量,具有巨大的性能潜力和较好的应用前景。     

石英半球谐振子精密加工技术探讨

半球谐振陀螺是一种高精度、高可靠性、长寿命的新型固体振动陀螺，应用前景广阔。作为半球谐振陀螺的核心零件，石英半球谐振子壁薄、形状复杂、对加工精度要求高、制造难度大，而这些因素是制约半球谐振陀螺研制的主要瓶颈。结合半球谐振陀螺的技术发展，分析了半球谐振陀螺的结构类型和特点，介绍了石英半球谐振子的粗磨成型、精密磨削、研磨抛光、化学腐蚀、质量调平、表面镀膜等加工方法及研究进展，提出了未来半球谐振陀螺的研究重点和建议。     

Modeling and Optimal Design of 3 Degrees of Freedom Helmholtz Resonator in Hydraulic System

Three degrees of freedom (3-DOF) Helmholtz resonator which consists of three cylindrical necks and cavities connected in series (neck-cavity-neck-cavity-neck-cavity) is suitable to reduce flow pulsation in hydraulic system. A novel lumped parameter model (LPM) of 3-DOF Helmholtz resonator in hydraulic system is developed which considers the viscous friction loss of hydraulic fluid in the necks. Applying the Newton’s second law of motion to the equivalent mechanical model of the resonator, closed-form expression of transmission loss and resonance frequency is presented. Based on the LPM, an optimal design method which employs rotate vector optimization method (RVOM) is proposed. The purpose of the optimal design is to search the resonator’s unknown parameters so that its resonance frequencies can coincide with the pump-induced flow pulsation harmonics respectively. The optimal design method is realized to design 3-DOF Helmholtz resonator for a certain type of aviation piston pump hydraulic system. The optimization result shows the feasibility of this method, and the simulation under optimum parameters reveals that the LPM can get the same precision as transfer matrix method (TMM).     

基于VB的矩形花键拉刀设计系统的实现

传统的拉刀设计方法效率低，利用计算机设计程序可以使其实现自动化，快速、准确。介绍了基于Visual Basic6．0环境下矩形花键拉刀设计程序，剖析了其中主要的功能模块。该程序可对拉刀的结构参数进行设计计算，并利用AutoCAD集成的VBA开发工具自动绘制出矩形花键拉刀图纸。结果表明其完全满足工程实践要求。     

VBA下典型拉深模具设计智能化的研究

本文应用AutoCAD下VBA环境作为开发平台．总结了回转体拉深模具设计的规律性知识，综合利用AutoCAD下VBA强大的图形设计功能，借助VBA语言编程，用户输入拉深件相关参数后，自动完成模具的全面设计，该系统具有低成本、高质量的特色，全面实现了回转体拉深模具设计的智能化。     

金属壳谐振子研究进展

金属壳谐振陀螺是利用驻波的进动特性来敏感输入角速率的一种新型壳体振动陀螺,具有结构简单、功耗低、抗冲击性强、稳定性高等优点,可被广泛应用于中低精度角速度测量领域。金属壳谐振陀螺不仅具有传统陀螺的惯性品质,而且具有抗高过载、量程大的特点,这是其他类型陀螺所不具备的。作为金属壳谐振陀螺的核心部件,金属壳谐振子的性能至关重要。结合金属壳谐振陀螺综述了金属壳谐振子的研究进展,从设计思想、理论建模、结构设计、信号处理等方面进行了讨论,并指出了金属壳谐振陀螺及其谐振子的发展趋势。     

石英谐振加速度传感器芯片设计与仿真

分体式石英谐振加速度传感器在性能提升上受到装配误差等因素的影响较大,故提出一种全石英谐振加速度计芯片结构,包括下层的硅结构和上层的石英结构。下层的硅基底仅作为支撑结构进行加工制作,敏感单元为全石英材料,硅结构与石英结构键合到一起,结构加工完成后去除硅材料,以释放石英敏感单元。整体结构为中心对称,包括质量块、音叉结构、微杠杆结构和应力分配梁,芯片通过微杠杆结构来增大传感器的灵敏度,并通过应力分配梁使石英音叉两根振梁上的内应力均匀一致。通过仿真验证了设计的有效性,仿真的差动灵敏度为35Hz/g。     

新型硅微机械谐振器的设计

从理论上分析谐振器的静电制动特性和机械力学特性,给出了活动梳齿的谐振频率和谐振振幅的解析解,提供谐振器结构设计的依据.设计了四种结构形式的谐振器,充分考虑不同静电激励方式对谐振器的影响,合理选取结构参数,有效提高了谐振器抑制侧向失稳和粘附效应的能力.借助有限元软件在考虑硅微加工特性和可行性的基础上对谐振器模态和固有频率的仿真和计算,优化了谐振器结构参数,使工作模态远离其他高阶模态,具有良好的频率特性.     

一种提升空间三轴激光陀螺性能的谐振腔方案研究

针对现有空间三轴机抖激光陀螺因通道间放电耦合引入了零偏误差导致陀螺性能损失的问题,提出了一种高精度空间三轴谐振腔改进设计实现方案.该方案从空间三轴激光陀螺与单轴激光陀螺放电系统的差异出发,分析了空间三轴激光陀螺不同放电状态引入零偏误差的机理,明确了高精度空间三轴激光陀螺各通道的放电电流控制需求.同时,分析结果表明,减小通道间的放电耦合可降低该型陀螺的零偏耦合误差项,因此需对空间三轴谐振腔进行放电结构的去耦合优化设计.最后,针对提出的空间三轴谐振腔改进设计方案,开展了陀螺性能试验验证,试验结果表明,空间三轴机抖激光陀螺的精度提升了5.7％以上.