石英振梁式加速度计

加速度计

振梁式加速度计（VBA）正在迅速成为导航领域的主导产品，它经历了较长的发展阶段，已开始大批量生产。由于其响应带宽大，可与数字信号处理系统兼容，在许多应用领域可以取代常规的线加速度计。

历史背景

在惯性导航系统中，数字信号处理已成为通用要求。然而大多数加速度计仍然是模拟器件，其输出信号是正比于加速度的电流或电压，因而用于惯性导航系统时必须进行数字化处理。量化处理可以采用模—数转换器，电压—频率转换器，电流数字读出器及环路脉冲量化。数字化过程往往是一个主要的误差源，而且都要求一个模拟参考电压或电流源，其精度必须等于或高于加速度计的精度。可见，系统数字信号处理的要求成为开发频率输出线加速度计的主要动力之一。

频率输出线加速度计的发展经历了一个很长的过程。回顾历史，伽利略在1638年发表的论文中阐述了下落物体在重力场中运动的规律，他得出结论：“在完全无阻力的介质中，所有物体以相同的速度下落。”根据这一理论可知，下落物体的速度与时间成正比。进一步的推导表明，下落物体的垂直位移与时间的平方成正比。试验中最精确的时间测量仪是钟表。后来，伽利略发现，使用摆来测量时间的优越性，正是在他的建议下，物理学家们后来都采用可变长度的单摆作为计时器。1657年，Christian Huygen发明了用于摆钟的高可靠摆轮。事实上，它就是第一个连续频率输出的加速度计。

1817年，英国海军上校Heny Kate发明了一种回行摆，在当时它可用于最精确地测量地球重力的绝对值。这种测量地球绝对重力的方法一直沿用到大约20年以前，最终被先进的自由落体方法所取代。1896年，R.Von Eotvos发明了一种便携式平衡型摆，可测量重力加速度的极小偏差。直到20世纪，Eotvos平衡摆在石油和矿业开采中仍用于测量地质构造对重力的影响。

在图1-1的单摆中，设L为摆线长度，为摆的谐振频率，a为输入加速度，则输入加速度公

摆的频率和加速度的关系呈高度非线性和单向性。然而，早期摆钟的精度很高，相当于/的加速度。这主要因为摆有很高的Q值，摆轮的作用仅在于提供补偿摩擦损耗所需要的能量。纵使Christian已用摆钟作为加速度计，但仍然存在需寻找可比较的时间基准问题。

第一个频率输出加速度计是振弦式加速度计，是H.C,Hayes在1928年申请的专利中论述的。振弦加速度计利用两端固定的物理弦如铍弦的横振动自然频率。该弦需要预拉伸以确定零加速度计输入时无载谐振频率，这样就可以既测量正的加速度，又测量负的加速度。弦的振动用横向磁场的电磁力产生。

振弦式加速度计如图1-2所示。在持续张力作用下，弦的可塑性会产生张力偏差，从而出现频率漂移误差。加速度—频率函数的固有非线性也产生矫正和非线性误差，最好的解决方法是采用推挽工作状态的两根振弦，在给定加速度的作用下，检测质量对一弦施加张力载荷，而对另一弦施加压力载荷。这种双谐振器结构的巧妙之处在于把两根弦/质量系统连接到同一拉伸伺服机构中，从而保持两个频率之差为常数。这样，使频率漂移得到补偿，使加速度好频率成线性关系。按这种方法设计的加速度计已用作阿特拉斯导弹的速度控制加速度计。这类加速度计的精度很高，优于/。但振弦加速度计的体积很大，结构复杂，质量约束系统的不完善也会产生不希望的误差。因此，研究重点已转向振梁式加速度计。

主要类型

单梁加速度计

1961年，J.Kritz等发明了节点安装的石英振动棒加速度传感器，1969年，Leon Weisbord发明了附加安装隔离系统的单梁石英谐振加速度传感器。经过几年的努力，单梁设计做成了实用的精密加速度计。

振梁式加速度计的主要优点在于，在测量正、负加速度时不需要预载张力，厚度长度比相当高的梁有一个空载谐振频率，如图1-3所示。随张力而增加，随压力而减小，频率的变化与所加载荷的关系服从特定的函数关系。设梁的悬挂质量为m,输入加速度为a，欧拉弯曲载荷为C，加载后的谐振频率为，则

振梁式加速度计和振弦加速度计具有非常相似的加速度—频率函数关系，本身都还是非线性的。振梁式加速度计或非线性特定完全取决于对弹性特性的高稳定控制。使用近乎理想的弹性材料如石英或硅，可使振梁式加速度计的稳定性等于或优于闭环加速度计。

为产生高Q值的谐振并避免工作频率范围外的干扰，对单梁谐振器必须设计复杂的末端隔离系统，图1-4给出了W.C.Albert设计的有隔离系统的谐振器。其主要优点在于安装垫能维持微小角偏差而不降低谐振Q值。缺点是隔离系统体积大及轴向刚度的合成损耗，会降低梁的谐振频率。

双梁加速度计

对振梁式加速度计人们采用了两种完全不同的研究方向，其一为上述的末端隔离系统的研究，其二为使用两个谐振频率相同、运动方向相反的对偶梁来抵消回转加速度。对梁的基本要求是高Q，低能量损失。

H.F.Erdley于1961年发明了第一个双梁谐振力传感器，如图1-5所示。双谐振梁一般指双端音叉谐振器（DETF），使用两个振动相位差为180°的对偶梁。梁的动态运动引起的剪切力和力矩在梁的末端被抵消，从梁根部算起几个梁宽的距离内应力接近于零。因此，不需要末端隔离系统，使谐振器的尺寸小，结构简单，相当容易生产。

双端音叉谐振器的进展包括设计水平的提高和加工技术的改进。Errol.F.Eer Nisse于1979年和1980年对双梁谐振器进行了两项重大改进，即提高Q值和扩大可用的频率变化范围。振梁的末端条件采用有限元分析优化设计，尽可能减小安装结构的能量损耗。这样可完全排除末端隔离系统，使晶体的刚度最大，因而加速度计的带宽与闭环加速度计相当。同时其体积减小，成本大大降低。图1-6是一个典型的双梁加速度计。

组成部分

振梁式加速度计可使用金属、陶瓷、石英、硅等材料。石英晶体具有压电特性，便于激励和敏感；石英晶体具有很低的内部损耗和无限的疲劳寿命，有优良的机械晶体稳定性；石英晶体刚性好，硬度大，还存在零温度系数的切型，正因为如此，石英晶体成为振梁式加速度计的首选材料。

振梁式石英晶体谐振器

振梁式加速度计中最主要的元件是一对匹配的石英谐振力换能器，谐振器加上推—拉模式载荷如图1-6所示，其输出为两梁的频率差，对许多误差有共模抑制作用，包括非线性、温度灵敏度、参考时钟灵敏度、压力灵敏度和老化效应。晶体梁的谐振利用石英晶体的压电特性，根据不同电极图形来激励和敏感。

当前使用的双端音叉谐振器，通过有限元分析法优化几何结构，不使用附加机械隔离系统，也能基本上消除支撑结构的能量损耗。这种独特的设计在空载频率的10%以上的范围具有高的频率标度因数。不同隔离系统有利于在一定频率灵敏度内保持器件高的刚度，使其带宽与闭环加速度计的带宽相当，同时还可以使谐振器的体积减小，用单块石英晶片可生产出数十个谐振器，有利于谐振器的匹配和降低成本。

悬挂质量运动系统

根据成本和性能目标，振梁式加速度计采用各种不同方法进行加工。所有设计的共同特征如图1-7所示。

单检测质量块用一对精密的挠性元件约束，使其只具单自由度。其余的自由度由一对以推—拉结构加载的谐振器来约束。用挤压膜阻尼间隙作为超量程时对质量块的进一步约束，挤压膜阻尼间隙还用作机械冲击限位，以保护晶体免受过压而损坏。该开环机构是一种典型的二阶机械系统。晶体的轴向刚度很好，可使检测质量系统保持高的谐振频率，在高振动环境中应用时，矫正误差最小。另外，在加速度载荷下检测质量的偏离极小，使得交叉耦合系数最小。晶体的小尺寸使总体结构体积小，重量轻。

晶体振荡器电荷

振荡器电路有两个基本的目的，即保持恒幅谐振且对晶体谐振器的频率和相位影响最小。这项任务虽具挑战性，但与伺服加速度计电路相比就简单得多。该电路还提供可用的低噪声输出信号。为与数字信号处理电路兼容，选择0~5V的方波输出形式。

晶体振荡器的突出优点是功耗低，且为一常值，与加速度载荷的大小无关。一个储存了几年的这样的振荡器能够正常启动并在500ms内达到稳定，提供导航仪需要的输出。

振梁式加速度计一般有三个振荡器，两个用于力敏晶体，一个用于晶体谐振温度传感器。电路的可靠性预估表明，振梁式加速度计的可靠性远优于其他模拟伺服器件。

外壳

振梁式加速度计包括传感器和振荡电路，用外壳进行密封。密封对控制梁的质量是至关重要的，因为如果受潮，梁的质量会发生变化，充填气压也发生变化，而气体的边界层又相当于寄生质量。质量的变化引起共模无载频率的漂移，虽然通过信号处理可以基本印制频率漂移，但仍然造成小的输出偏置变化。密封外壳消除了这一误差，同时为电路、互连部分及传感器提供良好的惰性环境。电信号通过不锈钢外壳上的玻璃密封绝缘子引出，封装对加速度计的性能，机械隔离和瞬时热流特性的设计都是很重要的。封装设计的最佳必须考虑低劳动强度装配且不必使用熟练的操作工。

特点及性能

与模拟伺服力平衡加速度计相比，振梁式加速度计具有特别不同的性能特征。振梁式加速度计的标度因数稳定性和轴向定位性特别好，这是使用谐振力换能器的直接结果。标度因数由石英的质量和弹性常数来确定，输入轴的定位主要取决于摆的位置，均与石英固有的性能稳定有关。相当精密的表度因数好轴向定位性能在导航仪测倾中非常有用，因为它要测量地球重力的分量。

振梁式加速度计典型产品的性能如下：

测量范围：700m/ 轴向对准误差：<400urad 综合偏值误差：m/

外形尺寸：17.02*10.67mm 标度因数稳定性：

未来的惯性系统要求惯性仪表高可靠、低成本、小体积及适当的性能。振梁式加速度计正好属于这一类产品。随着加工技术集成电路的进一步发展，相信振梁式加速度计的前景将十分美好。

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