石英挠性加速度计磁路仿真分析与优化设计

    石英挠性加速度计作为力平衡摆式加速度计的一个重要分支,具有机械迟滞和弹性后效小,热稳定性好,精度较高,结构简单,功耗低和易于小型化等特点,广泛应用在航空、航天、航海及各种战略/战术武器的导航、制导与控制系统中。

    石英挠性加速度计是一个力平衡式闭环系统,通过处于恒定磁场的力矩线圈产生电磁反馈力来平衡输入加速度产生的惯性力,从而完成加速度的测量。力矩线圈所处的工作气隙的磁性能对加速度计的性能有直接影响。工作气隙既是利用永久磁钢磁能的地方,又是力矩线圈活动的场所,其磁场越均匀,加速度计的非线性误差就越小[1]。因此,在力矩器磁路结构设计中,在保证气隙有较大的磁场强度的同时,必须保证气隙磁场的均匀性,以减小加速度计的非线性误差。为了提高磁钢磁性能的稳定性及加速度计的测量范围,在某项目中将磁钢由铝镍钴改为更高内禀矫顽力和磁能积的钐钴稀土,这必然改变原有材料结构的磁通分布,可能会导致工作气隙的磁通分布不均匀。因此,有必要对采用钐钴稀土的磁路结构进行优化分析,设计一种有效的磁路结构,使工作气隙磁场更均匀。

    本文利用基于ANSYS的有限元分析法,对采用钐钴稀土磁钢的磁路磁通分布进行仿真计算,并根据仿真计算结果,对现有结构进行优化设计,从而达到减小加速度计非线性误差的目的。

    1　石英挠性加速度计基本原理

    石英挠性加速度计的结构原理如图1所示,由石英摆片和力矩线圈组成的质量摆、差变电容信号传感器、上下磁力矩器及检测与伺服放大电路等构成。质量摆的石英挠性梁连接质量摆和固定外环,起到挠性支承作用,外环通过上下力矩器固定在表壳上。当摆片的敏感轴方向受到加速度a的作用时,由于惯性力使质量摆绕挠性梁偏转,摆片两边的电容就会出现容差ΔC。利用电容检测电路,检测出电容的变化量,然后将变化信号送入伺服放大器,伺服放大器输出的电流i再反馈到恒定磁场中的力矩线圈从而产生电磁反馈力。由于电磁反馈力的作用,使质量摆恢复到原来的平衡位置,此时反馈电流就代表了输入加速度的大小。

    石英挠性加速度计的上下力矩器将石英摆组件固定在中间,磁路采用成对对顶的轴向磁路结构。其主要特点是不用反向磁片,而将两个磁钢沿轴向充磁后,在结构上同极性磁极强行对顶固定,互为对方的反向磁片。这样,轴向漏磁基本消除,磁力线大都被压到了工作气隙中,且两磁路在加工和装配中各自独立,装配并充磁完成后再进行对顶装配,通过胶粘或焊接成为一个整体。而力矩线圈串联成推挽式工作状态,既可以补偿磁钢由于材料不均匀、加工不对称等造成的误差,还可以消除线圈中的反馈电流形成的附加磁场,使加速度计非线性误差较小^[1]。石英挠性加速度计力矩器磁路的优化设计思想是通过合理的磁钢、导磁帽等尺寸和结构设计,在保证工作气隙磁场强度较大的同时尽可能的使磁通分布均匀,以进一步减小加速度计非线性误差。