抗衝擊石英撓性加速度計的製作方法
2023-12-11 15:38:47
專利名稱：抗衝擊石英撓性加速度計的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種石英加速度計，特別是一種抗衝擊石英撓性加速度計。
背景技術：
石英撓性加速度計是一種單軸擺式、力矩再平衡加速度計，主要用於慣性測量系統中。石英撓性加速度計由表頭和伺服迴路組成，其中表頭如圖1所示，它包括上力矩器1、下力矩器4和粘有線圈3的石英玻璃擺片2。石英玻璃擺片2的外形如圖2所示，石英玻璃擺片2的主要結構包括支承環21、撓性梁22、擺23和正反兩面六個支承凸臺24。
當沿加速度計的輸入軸方向有加速度時，由於慣性力的作用，在撓性梁的支承和約束下，石英玻璃擺片的擺將連同線圈一同發生移動。加速度計上的差動電容位置傳感器敏感此位移，並由伺服迴路向線圈輸出與之相對應的電流，該電流和力矩器的磁場相互作用，產生電磁力矩來抵消慣性力矩的作用，使擺片始終保持在零位。此時輸出電流的大小和輸入的加速度成正比，因此可以作為對加速度的電氣測量。石英撓性加速度計結構簡單，體積小，重量輕，易裝配，易調整，廣泛應用於導航、控制等系統中。
隨著石英撓性加速度計的廣泛應用，一些工作在惡劣環境中的慣性測量裝置在受到較大的衝擊後，石英撓性加速度計出現了損壞的現象。由於結構尺寸和重量的限制，一些慣性測量裝置無法安裝減振裝置，因此這些應用對石英撓性加速度提出的抗大衝擊的要求，比如一些測量裝置要求石英撓性加速度計能夠承受250g的瞬時衝擊而不損壞，這是目前的石英撓性加速度計很難達到的。
美國是研製生產石英撓性加速度計的主要國家之一，其產品種類最多。美國Honeywell公司研製的石英撓性加速度計，商業產品已達QA165/185等七個品種。美國石英撓性加速度計的抗衝擊設計公布的很少。
我國於上世紀70年代末開始研製石英撓性加速度計，現在主要應用於各種慣性測量裝置和控制系統中。經過二十多年的發展和完善，技術有了較大的進步，然而，目前我國石英撓性加速度計的品種還比較少，特別是抗衝擊石英撓性加速度計幾乎沒有。因此，影響了光纖陀螺慣性測量系統的抗振性能。
本
發明內容
本發明的技術解決問題是克服現有技術的不足，提供一種抗衝擊的石英撓性加速度計，該抗衝擊石英撓性加速度計，在不改變儀表外形結構的情況下可以承受250g的半正弦跌落式衝擊。
本發明的技術解決方案是抗衝擊石英撓性加速度計，由表頭和伺服迴路組成，加速度計表頭包括上力矩器、下力矩器和位於上述兩力矩器之間的粘有線圈的石英玻璃擺片，石英玻璃擺片包括支承環、撓性梁、擺和六個支承凸臺，支承環位於擺片外緣，為圓環狀結構，支承環上正反兩面共有六個支承凸臺，石英擺片的中部為半圓狀的擺，擺通過兩個方形的很薄的撓性梁與支承環相連，在擺與支承環之間具有一定的間隙，其特徵在於沿輸出軸方向上，在所述的石英玻璃擺片的支承環和擺之間加有限制石英玻璃擺片變形的限位結構。
本發明的原理是隨著石英撓性加速度計的廣泛應用，其抗衝擊能力的問題也逐漸顯露出來。一些工作在惡劣環境中的慣性測量裝置在受到較大的衝擊後，石英撓性加速度計出現了損壞的現象。由於結構尺寸和重量的限制，一些慣性測量裝置無法安裝減振裝置，因此這些應用對石英撓性加速度提出的抗大衝擊的要求，一些應用要求石英撓性加速度計能夠承受250g以上的衝擊而不損壞。研究結果表明，石英撓性加速度計在大衝擊下的損壞主要是由於撓性梁的斷裂造成，因此若提高石英撓性加速度計的抗衝擊能力，必須首先提高石英玻璃擺片的抗衝擊能力。
首先建立石英玻璃擺片模型，並分析計算在相應的力學載荷(加速度或變形)下擺片各處所受的應力和變形。在斷裂前，石英玻璃擺片可認為是彈性體。根據彈性力學理論，用u，v，w分別表示彈性體上任何一點(x，y，z)的三個方向的位移，則擺片上一點的變形為 其中，εx，εy，εz為x，y，z方向上的正應變，γxy，γyz，γzx為xy，yz，zx方向上的剪應變。在線彈性和小變形的情況下，應變和位移之間的關係為=xyzxyyzzx=uxvywzuy+vxvz+wywx+uz...(1)]]>擺片上一點的應力狀態由該點的應力分量σ＝[σx，σy，σz，τxy，τyz，τzx]T所確定。其中，σx，σy，σz為x，y，z方向上的正應力，τxy，τyz，τzx為xy，yz，zx方向上的剪應力。
總應變ε與初應變ε0之差ε-ε0是由應力引起的應變，根據廣義虎克定律有σ＝D(ε-ε0) (2)其中D稱為彈性矩陣。
D=E(1-)(1+)(1-2)1aaa1aaa1bbb...(3)]]>其中a=1-,b=1-22(1-),]]>E是彈性模量，μ是泊松比。
分析研究對失效的判定採用了最大拉應力準則無論材料處於什麼應力狀態，只要發生脆性斷裂，其共同原因都是由於微元內最大拉應力σ1達到了某個共同的極限值σ10，由脆性材料拉伸試驗結果得到的脆性斷裂的判據為σ1＝σb(4)其中σb為材料強度極限。
根據(1)、(2)式並利用有限元方法對石英撓性加速度計擺組件的結構進行分析研究，研究結果確定石英玻璃擺片在擺軸方向的大衝擊下，受到的應力較小，結構強度較大；石英玻璃擺片在輸入軸方向的大衝擊下，由於力矩器的限位，撓性梁受到的最大應力將受到限制，一般不會發生損壞；石英玻璃擺片在輸出軸方向的大衝擊下，受到的應力較大，結構強度最弱，最容易損壞。因此提高石英玻璃擺片的抗衝擊能力，最重要的是提高擺片抗輸出軸方向衝擊的能力。
因此本發明採用對現有的石英撓性加速度計進行結構改進，在擺片支承環和擺之間沿輸出軸方向上增加了限位結構。該限位結構為石英撓性擺片支承環上的限位凸臺25，或處在力矩器上，同支承環與擺之間氣隙相對的限位銷釘41。限位結構與擺之間的間隙為=bnb...(5)]]>其中，δb為撓性梁應力等於材料極限強度時，擺的變形；nb為安全係數。
加速度計裝配後，限位結構處在支承環和擺之間，起到限位和保護作用。當加速度計受到沿輸出軸方向的大衝擊時，擺與撓性梁將沿輸出軸方向發生變形，當擺的變形超過限位結構與擺之間的間隙時，擺與限位結構發生接觸。此時即使過載繼續增大，擺的變形也不再增加，於是限制了撓性梁的最大應力，使其始終在材料的極限強度之內，保護撓性梁不會發生斷裂失效。因此提高了石英撓性加速度計的抗衝擊能力。
本發明與現有技術相比的優點
(1)採用具有限位凸臺的石英玻璃擺片，或採用具有限位銷釘的力矩器，使加速度計在石英玻璃擺片支承環和擺之間具有限位結構，限位結構與擺之間具有很小的間隙；當石英撓性加速度計受到沿輸出軸方向的大衝擊時，擺與限位結構發生接觸，此時石英撓性擺片的最大變形受到限制，使撓性梁受到的應力小於材料的強度，保護撓性梁不會斷裂失效。而現有的石英玻璃擺片或力矩器上，沒有限位結構，無法對撓性梁在輸出軸方向上進行保護，當加速度計受到沿輸出軸方向的大衝擊時，石英撓性擺片將發生很大變形，一旦撓性梁受到的應力大於材料的強度極限，撓性梁就會發生斷裂失效。
(2)本發明在不改變目前儀表外形結構的情況下，提高了儀表的抗衝擊能力，衝擊試驗表明，儀表可以承受250g的半正弦跌落式衝擊，且成本低，簡單易行，效果特別明顯。
圖1為現有石英撓性加速度計的結構示意圖；圖2為現有的石英玻璃擺片外形示意圖；圖3為本發明加有限位凸臺的石英玻璃擺片外形示意圖；圖4為本發明加有限位銷釘的下力矩器頂視圖；圖5為本發明加有限位銷釘的力矩器結構示意圖；圖6為本發明的加速度計裝配後，限位銷釘與擺片之間的位置關係圖；圖7為現有的加速度計撓性梁在250g輸出軸方向加速度作用下，最大拉應力示意圖；圖8為採用本發明後，加速度計撓性梁在250g輸出軸方向加速度作用下，最大拉應力示意圖。
具體實施例方式
如圖3所示，本發明實施例由上力矩器1、下力矩器4、粘有線圈3的石英玻璃擺片2組成，石英玻璃擺片2包括支承環21、撓性梁22、擺23、正反兩面六個支承凸臺24和限位凸臺25，支承環21位於擺23外緣，為圓環狀結構，支承環21正反兩面共有六個支承凸臺24，並具有兩個限位凸臺25，石英擺片2的中部為半圓狀的擺，擺通過兩個方形的很薄的撓性梁22與支承環21相連，在擺23與支承環21之間具有一定的間隙，兩個限位凸臺25處在支承環21與擺23之間的間隙之中。
如圖4、5、6本發明的另一實施例，它由上力矩器1、下力矩器4、粘有線圈3的石英玻璃擺片2組成，石英玻璃擺片2包括支承環21、撓性梁22、擺23、六個支承凸臺24，支承環21位於擺23外緣，為圓環狀結構，上面正反兩面共有六個支承凸臺24，石英擺片2的中部為半圓狀的擺，擺通過兩個方形的很薄的撓性梁22與支承環21相連，在擺23與支承環21之間具有一定的間隙，下力矩器4具有限位銷釘41，限位銷釘位於同支承環21與擺23之間的間隙相對的位置。儀表裝配時，粘有線圈3的石英玻璃擺片2固定在上下力矩器之間，由於限位銷釘41同支承環21與擺23之間的氣隙相對，裝配後限位銷釘41處在支承環21與擺23之間的間隙中。
上述兩實施例限位凸臺25或限位銷釘41與擺23之間的間隙為=bnb]]>其中，δb為撓性梁應力等於材料極限強度時，擺的變形；nb為安全係數。在本實施例中，撓性梁應力等於材料極限強度時，擺的變形δb＝0.05mm，安全係數nb＝1.3，間隙δ≈0.04mm。
圖7所示為使用現有石英玻璃擺片，加速度計撓性梁在250g輸出軸方向加速度作用下，最大應力的計算結果。撓性梁的最大應力為7.159×107Pa，已超過石英玻璃材料的抗拉強度5×107Pa，因此撓性梁將發生斷裂。
圖8所示為本發明的加有限位結構的石英玻璃擺片，加速度計撓性梁在250g輸出軸方向加速度作用下，最大應力的計算結果。由於限位結構的保護，撓性梁的最大應力被限為3.898×107Pa，小於石英玻璃的抗拉強度5×107Pa，撓性梁不會損壞。
表1為試驗儀表在衝擊試驗前後的數據，試驗表明，抗衝擊石英撓性加速度計可以承受250g的半正弦跌落式衝擊。
表1
權利要求
1.抗衝擊石英撓性加速度計，由表頭和伺服迴路組成，加速度計表頭包括上力矩器、下力矩器和位於上述兩力矩器之間的粘有線圈的石英玻璃擺片，石英玻璃擺片包括支承環、撓性梁、擺和六個支承凸臺，支承環位於擺片外緣，為圓環狀結構，支承環上正反兩面共有六個支承凸臺，石英擺片的中部為半圓狀的擺，擺通過兩個方形的薄撓性梁與支承環相連，在擺與支承環之間具有一定的間隙，其特徵在於沿輸出軸方向上在所述的石英玻璃擺片的支承環和擺之間加有限制石英玻璃擺片變形的限位結構。
2.根據權利要求1所述的抗衝擊石英撓性加速度計，其特徵在於所述的限位結構與擺之間的間隙為=bnb]]>，其中，δb為撓性梁應力等於材料極限強度時，擺的變形；nb為安全係數。
3.根據權利要求1或2所述的抗衝擊石英撓性加速度計，其特徵在於所述的限位結構為沿輸出軸方向上設置在石英玻璃擺片支承環上的限位凸臺，或設置在加速度計力矩器上同支承環與擺之間間隙相對的限位銷釘。
全文摘要
抗衝擊石英撓性加速度計，由表頭和伺服迴路組成，加速度計表頭包括上力矩器、下力矩器和位於上述兩力矩器之間的粘有線圈的石英玻璃擺片，石英玻璃擺片包括支承環、撓性梁、擺和六個支承凸臺，其特徵在於沿輸出軸方向上在所述的石英玻璃擺片的支承環和擺之間加有限制石英玻璃擺片變形的限位結構，限制了石英玻璃擺片在輸出軸方向大衝擊下的變形，使撓性梁的應力小於石英玻璃材料的強度極限，保護石英玻璃擺片不發生斷裂失效。本發明在不改變儀表外形結構的情況下，使石英撓性加速度計的抗衝擊能力達到了250g，且成本低，簡單易行，效果特別明顯。
文檔編號G01P15/02GK1687791SQ20051007485
公開日2005年10月26日 申請日期2005年6月7日 優先權日2005年6月7日
發明者王巍, 朱紅生, 張志鑫, 張紅, 王頌邦, 王巖, 梁豐爽, 邢朝洋 申請人:中國航天時代電子公司