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。     

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。     

硅微谐振式加速度计结构设计与仿真优化

硅微谐振加速度计以高精度的频率信号输出成为硅微传感器的研制热点之 一。在分析硅微谐振式加速度计工作机理的基础上,采用一种新的基于双检测质量块和 谐振音叉低附加质量的硅微谐振式加速度计结构形式。运用ANSYS 对加速度计关键结 构尺寸进行仿真优化,明确了关键结构尺寸的变化对加速度计性能的影响规律。结果表 明：杠杆支撑梁长度、杠杆支撑梁宽度、杠杆支撑梁位置、音叉梁宽度、梳齿宽度和质 量块支撑梁宽度对整体结构性能影响最大。所设计的加速度计谐振基频约为21kHz,标 度因数为92Hz/g,在±30g 加速度输入下非线性达到0.322‰。     

石英振梁加速度计温度特性及补偿研究

首先推导了一种石英振梁加速度计偏值K0、标度因数K1的计算公式,并进行了K1温度特性计算仿真,结果和试验数据相吻合.其次通过计算及试验验证,在-40℃～80℃范围内,双端固定谐振梁的温度特性曲线为抛物线,存在温度拐点,频率变化小于8Hz,同时给出了约束条件下谐振梁的温度试验结果.最后进行了仪表温度模型标定及补偿研究,试验结果表明:经过补偿,在工作温度范围内,仪表偏值变化优于1mg,标度因数变化优于5×10-5.     

采用三叉型音叉谐振器的平面支承振动陀螺传感器

本文讨论是一个采用三叉型音叉谐振器的平面支承振动陀螺传感器,这种类型的陀螺传感器有一个出众之处,即三叉型音叉臂的两种挠怀振动方式只施加在其表面,因此可以做得非常薄,本文论述了为确认这种陀螺传感器的工作原理而进行的基本的试验性研究,试验结果证明提出的这种平面支承三叉型音叉谐振器作为压电压式振动陀螺传感器来使用是可行的。     

一种石英振梁加速度计驱动电路的仿真分析

双端固定石英音叉谐振梁是振梁加速度计中的重要力敏传感器,驱动电路与其相配合,实现谐振梁在谐振频率点处的信号输出,进而测量加速度变化.研究中根据谐振梁等效电阻较大的特点,驱动电路采用了能够提供更高增益的双门振荡器方案,并对电路中CMOS反相器用作模拟放大器的用法进行了仿真,同时也分析了电路的自激振荡过程,并指出合适的反馈...     

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。     

基于模态局部化效应的微机械加速度计研究进展

模态局部化效应是安德森局部化在结构动力学中的一种具体表现形式,其利用振动模态的能量局部集中效应实现了灵敏度的大幅度提高。因此,模态局部化效应近年来逐渐被用于研制高精度的谐振式传感器。介绍了模态局部化效应的基本原理及发展历程,及其在各类谐振式传感器中的应用及研究现状,包括质量传感器、电荷传感器、位移传感器以及刚度传感器。最后,着重介绍了模态局部化效应在惯性敏感器件加速度计中的应用及研究现状。     

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。     

高精度石英挠性加速度计力矩器磁路仿真分析

针对石英挠性加速度计标度因数非线性误差主要来源于力矩器磁路性能非线性及不同温度下加速度计参数随力矩器中永磁体磁性能变化产生漂移的问题,建立了力矩器的1/4二维有限元分析模型,对使用新型永磁体加速度计力矩器磁路进行计算,得到了不同结构下工作气隙磁密分布规律及不同温度下工作气隙磁密的温度系数.依据仿真结果,优化设计后的气隙磁密线性长度增加了72％,实测数据证明该方案加速度计的二阶非线性误差优于5×10-6,同时该方法为仿真计算加速度计标度因数的温度系数提供了新思路.     

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。     

极端瞬态力作用下金属壳谐振陀螺结构强度分析

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,其具有结构简单、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。针对极端瞬态力作用下金属壳谐振陀螺的结构强度进行了研究,在分析其工作原理和基本数学模型的基础上,利用有限元仿真方法,在通用炮射环境条件下进行了分析。通过仿真计算,给出了金属壳谐振陀螺的结构强度分析结果,验证了其抗过载能力。     

微玻璃半球壳体谐振子的设计、制备与表征

近年来美国国防高级研究计划局大力推进三维壳体谐振陀螺(尤其是高性能半球谐振陀螺)的微型化,以实现惯导级性能的微机械振动陀螺。提出发泡法制备直径小于1cm的微壳体谐振子,利用发泡剂在高温下释放气体,使软化后的玻璃在气压差和表面张力的作用下形成三维轴对称壳体。大气环境下多普勒测振仪的测试结果表明,利用发泡法制备的微壳体谐振子的酒杯二阶模态的谐振频率为11kHz,频率分裂值为72Hz,相对裂解值为0.65%,相应的品质因子Q值约为970和1127。发泡法有望提供一种低成本、高性能微壳体谐振子的制备方法。     

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).     

半球陀螺谐振子环向振型进动特性研究

基于半球谐振子的实际加工结构特征,为降低维持半球谐振陀螺振动所需的能量损耗,建立半球谐振陀螺能量型谐振子数学模型,并研究半球谐振子绕中心轴旋转时环向振型的变化规律;通过分析半球谐振子顶端角、底端角和壁厚的非理想性对进动因子的影响,确定半球壳体旋转时应选取的最佳振型与进动因子。采用ANSYS软件构建一系列模型,验证有关理论研究结果。通过计算仿真分析可知,半球谐振子进动因子对顶端角变化的敏感性远大于对底端角变化的敏感性,且顶端角变化引起的角速度误差远大于相同底端角变化引起的角速度误差,为半球谐振陀螺的谐振子加工研制提供了理论依据。     

惯性平台轴端结构仿真分析与改进设计

轴端结构是惯性平台系统的主要承载部件,并且实现平台环架结构的转动自由度。因此,轴端构件需要具备足够结构强度和刚度保证惯性平台系统在空间飞行、地面运输等振动冲击工况下可靠工作。本文以某型号惯性平台轴端结构件为研究对象, 探讨了轴端结构件的有限元分析方法。利用HyperWorks 11.0分析软件, 进行了结构静力和模态分析,并对原始的模型结构进行了改进设计。改进后的轴端机盖在相同工况下,结构的强度和刚度上均得到有效提高。     

一种球面网壳型平台框架设计及仿真分析

针对环形和球形惯性稳定平台框架的不足,提出一种球面网壳型惯性稳定平台框架设计.组合正12面体和正20面体并映射到球面上,接着一次细化得到一种由240个弧三角构成的球面网壳.然后通过PROE绘制网壳,确定框架及各部件的大小,并处理轴安装部位,得到一种对流和导热效果很好且等刚度的球面网壳型惯性稳定平台框架.最后通过ANSYS软件作静力学仿真与模态分析,验证结构具有足够的刚度与强度.     

基于工程师经验的结构优化设计研究

借鉴结构工程师的设计经验与直觉判断 ,在一定条件下 ,通过一次有限元分析给出结构的传力路线 ,并由此确定拓扑结构 ,利用MATLAB优化工具箱进行形状与尺寸的优化 ,以达到结构优化设计之目的。算例结果表明 :本文方法思路简单、力学概念明确、算法简洁有效 ,易于被结构工程设计人员所接受。     

基于重力梯度测量系统的组件结构模态分析

重力梯度测量系统设计过程中,对重力梯度旋转平台中仪表的位置特性有严格要求。按照传统的设计流程,等到结构件设计、安装完毕再进行振动试验能充分反映结构的真实位移,但是会消耗大量的时间及人力成本,效率较低。对此,本文采用数值模态分析方法在实际生产之前对整体结构进行了较为详尽的有限元分析,计算出了前十阶模态频率和振型,并且检验了结构设计中的刚度问题。对样机结构进行修改,从而保证了一阶主频率达到539.74 Hz,从而满足了航空搭载的环境要求。对整体结构的模态分析为重力梯度旋转平台工程样机的研制奠定了基础。     

微型石英音叉谐振陀螺抗冲击的建模与仿真

随着微机电系统技术的飞速发展,微型石英音叉谐振陀螺在各个领域中的应用越来越广泛,工作环境也越来越复杂,有些工作环境非常恶劣,需要经受冲击环境的考验。针对微型石英音叉谐振陀螺结构中“V”字梁在抗冲击方面的设计问题,基于国家标准中的归一化冲击响应谱,利用有限元分析仿真软件COMSOL Multiphsics,分析了不同“V”字梁厚度参数在受到6个方向的1500g、2ms的半正弦冲击时产生的应力和形变。仿真结果表明,当“V”字梁厚度为100μm时,其受到Z+方向的冲击产生的应力为83.045MPa;当“V”字梁厚度为60μm时,其受到Z-方向的冲击产生的应力为149.032MPa;当“V”字梁厚度为80μm时,其受到Z-方向的冲击为94.721MPa。由于石英材料的断裂强度为95MPa,所以“V”字梁的厚度最小值约为80μm。