[科普中國]-石英諧振加速度計

石英諧振式加速度計是一種把力敏石英振動梁作為敏感元件，能直接輸出頻率的加速度計。由于其響應(yīng)帶寬大，可與數(shù)字信號處理系統(tǒng)兼容，在許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

石英諧振加速度計簡介石英諧振加速度計沒有模數(shù)轉(zhuǎn)換帶來的速度增量誤差，并能與高速數(shù)字導(dǎo)航系統(tǒng)兼容，精度高、成本低、體積小、發(fā)展?jié)摿Υ螅虼嗽谥懈呔阮I(lǐng)域諸如重力測量學(xué)、巡航導(dǎo)彈、自主水下導(dǎo)航、石油鉆井等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用前景。

石英振梁加速度計是一種典型的微機(jī)械慣性器件，其結(jié)構(gòu)包括石英諧振器、撓性支承、敏感質(zhì)量、測頻電路等。加速度計的敏感質(zhì)量塊由精密的撓性支承約束，使其只具有單自由度。用擠壓膜阻尼間隙作為超量程時對質(zhì)量塊的進(jìn)一步約束，還用作機(jī)械沖擊限位，以保護(hù)晶體免受過壓而損壞，該開環(huán)結(jié)構(gòu)是一種典型的二階機(jī)械系統(tǒng)。

石英諧振加速度計的工作原理石英振梁加速度計中的諧振器采用雙端固定音又結(jié)構(gòu).此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是：2個音又臂在其合并處所產(chǎn)生的應(yīng)力和力矩相互抵消，從而使整個諧振器在振動時具有自隔振的特性，對周圍的結(jié)構(gòu)無明顯的反作用力，諧振器的能耗可忽略不計。為了使有限的質(zhì)量塊產(chǎn)生較大的軸向慣性力，合理地選擇機(jī)械結(jié)構(gòu)可以對慣性力放大幾十倍。

如圖所示的石英振梁加速度計在內(nèi)部的振蕩器電子線路的驅(qū)動下，諧振梁發(fā)生諧振，當(dāng)有加速度輸入時，在敏感質(zhì)量塊上產(chǎn)生慣性力，這個慣性力按照機(jī)械力學(xué)中的杠桿原理，把質(zhì)量塊上的慣性力放大N倍。放大了的這一慣性力作用在諧振梁的軸向上，使諧振梁的頻率發(fā)生變化，一個石英諧振器受到軸向拉力，其諧振頻率升高；而另一個石英諧振器受到軸向壓力，其諧振頻率降低，在測頻電路中對這2個輸出信號進(jìn)行補償與計算，從而測出了輸入的加速度1。

石英諧振加速度計的性能及特點與模擬伺服力平衡加速度計相比，石英諧振加速度計具有特別不同的性能特征。石英諧振加速度計的標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性和軸向定位性特別好，這是使用諧振力換能器的直接結(jié)果。標(biāo)度因數(shù)由石英的質(zhì)量和彈性常數(shù)來確定，輸入軸的定位主要取決于擺的位置，均與石英固有的性能穩(wěn)定有關(guān)。相當(dāng)精密的表度因數(shù)好軸向定位性能在導(dǎo)航儀測傾中非常有用，因為它要測量地球重力的分量。

未來的慣性系統(tǒng)要求慣性儀表高可靠、低成本、小體積及適當(dāng)?shù)男阅?。石英諧振加速度計正好屬于這一類產(chǎn)品。隨著加工技術(shù)集成電路的進(jìn)一步發(fā)展，石英諧振加速度計的前景將十分美好2。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

黎明 - 副教授 - 西南大學(xué)