[科普中國(guó)]-石英諧振加速度計(jì)

石英諧振式加速度計(jì)是一種把力敏石英振動(dòng)梁作為敏感元件，能直接輸出頻率的加速度計(jì)。由于其響應(yīng)帶寬大，可與數(shù)字信號(hào)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(jì)簡(jiǎn)介石英諧振加速度計(jì)沒(méi)有模數(shù)轉(zhuǎn)換帶來(lái)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?，因此在中高精度領(lǐng)域諸如重力測(cè)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(jì)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(cè)頻電路等。加速度計(jì)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(shí)對(duì)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(guò)壓而損壞，該開(kāi)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(jì)的工作原理石英振梁加速度計(jì)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(diǎn)是：2個(gè)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(gè)諧振器在振動(dòng)時(shí)具有自隔振的特性，對(duì)周圍的結(jié)構(gòu)無(wú)明顯的反作用力，諧振器的能耗可忽略不計(jì)。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(duì)慣性力放大幾十倍。

如圖所示的石英振梁加速度計(jì)在內(nèi)部的振蕩器電子線路的驅(qū)動(dòng)下，諧振梁發(fā)生諧振，當(dāng)有加速度輸入時(shí)，在敏感質(zhì)量塊上產(chǎn)生慣性力，這個(gè)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(gè)石英諧振器受到軸向拉力，其諧振頻率升高；而另一個(gè)石英諧振器受到軸向壓力，其諧振頻率降低，在測(cè)頻電路中對(duì)這2個(gè)輸出信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償與計(jì)算，從而測(cè)出了輸入的加速度1。

石英諧振加速度計(jì)的性能及特點(diǎn)與模擬伺服力平衡加速度計(jì)相比，石英諧振加速度計(jì)具有特別不同的性能特征。石英諧振加速度計(jì)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(lái)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(cè)傾中非常有用，因?yàn)樗獪y(cè)量地球重力的分量。

未來(lái)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)男阅堋Ｊ⒅C振加速度計(jì)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(jì)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)