模态分析在高精度加速度计结构设计中的应用

石英振梁式加速度计是一种频率输出的高精度加速度计。石英谐振器是石英振梁式加速度计的关键部件。由于高动态性能要求，在结构设计阶段，必须对其进行模态分析。用模态分析理论和有限元软件工具，进行结构模态分析和谐响应分析，揭示其结构的静、动态性能。理论分析和计算机仿真结果表明所设计的结构能满足使用要求，同时为改善优化设计时的效率和质量提供依据和方法。     

硅微谐振式加速度计结构设计与仿真

硅微谐振式加速度计以易于检测的准数字信号作为输出,是微传感器的一个研究热点.提出一种基于一级微杠杆放大机构和DETF谐振器的硅微谐振式加速度计的结构设计,在分析工作机理以及误差来源的基础上阐述硅微谐振式加速度计的设计要点;结合现有加工工艺水平完成整体结构设计;运用MATLAB分析结构参数对性能的影响并对参数进行优化设计;运用ANSYS对加速度计整体结构进行仿真验证.所设计加速度计的谐振频率约29 kHz,标度因数为95 Hz/g,量程为±50g,其差分输出频率的线性度为0.099%.经研究表明,在加速度计的结构设计中,量程范围要与谐振嚣原理性误差协调考虑;谐振器振幅不宜过大;在现有加工工艺条件下,谐振器振梁的宽度产生的加工误差最大,对谐振器的性能影响最大.     

石英振梁加速度计静态输入输出特性

通过平衡方程建立了一种石英振梁加速度计敏感元件的静力学模型,分别利用梁弯曲振动微分方程和有限元分析方法获得了敏感元件的输入加速度与输出频率之间的精确关系,从而从理论上获得了敏感元件的静态输入输出特性。通过离心试验对所设计的加速度计进行了标定,并与理论计算结果进行比对,最终认为理论计算能够准确的反映出石英振梁加速度计的静态输入输出特性。同时,该计算方法可以为其他包含振梁的传感器的设计提供依据。最后,提出了实测结果与理论计算存在偏差的原因:标度因数的偏差来源于振梁厚度的加工误差,非线性度的偏差来源于装配角度偏差以及外界温度变化引起的频率漂移等因素。     

基于小波最小二乘支持向量机的加速度计温度建模和补偿

针对环境温度影响加速度计测量精度的问题,给出了温度对石英挠性加速度计零偏和标度因数的影响机理,提出采用小波最小二乘支持向量回归建立石英挠性加速度计零偏和标度因数的温度模型的方法。为了验证模型的有效性,进行了多个温度点下的参数标定试验,所获取的各温度点下的石英挠性加速度计零偏和标度因数作为小波最小二乘支持向量机模型的训练数据;将石英挠性加速度计固定在某一位置进行了升温试验,通过对比未进行温度补偿、最小二乘温度补偿和小波最小二乘支持向量回归温度补偿下石英挠性加速度计的输出,计算结果表明采用小波最小二乘支持向量机补偿后的石英挠性加速度计的测量精度最高。     

一种基于外腔式法布里-珀罗干涉仪的光纤加速度计

研制了一种基于外腔式法布里-珀罗(F-P)干涉仪的光纤加速度计,理论分析了影响标度因数的结构参数,并利用有限元分析软件ANSYS对该结构进行仿真分析。F-P干涉仪由光纤端面和固定在弹性膜片上的反射镜组成,膜片上加工两圈花瓣状分布的弧形阵列。这种F-P干涉仪结构标度因数高、横向串扰小。经实验测定,该光纤加速度计标度因数为155.48 rad/g,与仿真分析结果基本吻合,交叉灵敏度仅为4.87×10~(-2) rad/g,分辨率为100mg,零位稳定性为125mg,提出了进一步提高性能的方法。     

高精度石英振梁加速度计挠性支承设计研究

分析了石英振梁加速度计的工作原理和结构设计,确定出挠性支承的结构形式.根据力学原理给出了挠性支承的设计计算公式,并依据挠性支承的结构设计原则,确定了加速度计基本结构参数.利用有限元分析软件对该加速度计建模并进行整体的位移分布、应力特性等有限元力学分析,软件仿真结果与理论计算的摆片端部位移相差小于3%,支承在极限范围内不会断裂,证明了所建立的支承力学模型正确,这为优化结构设计提供了理论依据和方法.     

一种摆式谐振加速度计的微杠杆结构设计与分析

为提升摆式谐振式加速度计性能,设计了一种将质量块与微杠杆结构一体化的摆式微杠杆结构,实现惯性力的敏感与放大,提升结构的鲁棒性。首先建立了微杠杆结构力学模型,并进行了关键参数计算。其次,根据微杠杆结构放大倍数影响机理,分析了质量块、支撑梁及微杠杆结构尺寸参数对放大倍数的影响;理论分析与有限元仿真结果均表明,支点梁与输出梁的宽度应作为该类微杠杆的关键优化参数。最后,根据上述结论对现有结构尺寸进行优化,优化后的微杠杆放大倍数为15.68,系统放大倍数为12.88,标度因数为70.52 Hz/g,较优化前分别提升了36.94%、36.87%和36.88%,验证了优化方法的有效性。     

BK14-2型压电石英加速度计的研究

本文利用压电石英晶体谐振器进行加速度计的研究，采用石英晶体谐振器作为测量惯性力的敏感元件，利用石英晶体谐振器的压电效应，通过敏感惯性力进而实现对线加速度的测量。结果表明该加速度计具有良好的线性和稳定性，测量范围±４０ｇ，线性度优于１０－４，灵敏度大于４００Ｈｚ／ｇ。     

重力梯度仪旋转加速度计标度因数匹配方法

旋转加速度计重力梯度仪为实现微弱梯度信号的测量,要求四个加速度计之间标度因数实时匹配。针对这一要求,在电磁加速度计工作原理的基础上,提出了标度因数外部粗调和在线调整的方法,设计了调整线圈并计算了不同位置相应的结果。仿真分析和实验结果表明,利用调整线圈可以实现加速度计之间的标度因数匹配。通过加速度计内部力平衡回路和外部反馈回路可以实现加速度计之间的标度因数在线实时匹配。     

石英挠性加速度计温度稳定性改进设计

石英挠性加速度计是捷联式惯导、重力梯度计等惯性测量设备的核心元件,其偏值和标度因数的温度稳定性是影响惯性测量设备性能的重要因素。为提高加速度计温度稳定性,从结构设计、材料选择、工艺改进、磁路优化四个方面进行了改进设计。首先,分析了加速度计零偏和标度因数温度稳定性影响机理。其次,设计了摆片隔离槽结构,摆片与骨架之间采用二次过渡粘接工艺,力矩器线圈骨架选用温度性能更好的氮化铝陶瓷材料,优化了上下磁路连接方式。最后,对改进措施进行了实验验证,实验结果表明,改进后的石英挠性加速度计全温条件下（-40℃～+60℃）偏值和标度因数温度系数减小约30μg/℃和10 ppm/℃,降低到6.8μg/℃和13.7 ppm/℃,显著改善了加速度计的温度稳定性。