BK14-2型压电石英加速度计的研究

　　1　引　言

　　BK14-2型压电石英加速度计是采用谐振机理制作的,可直接输出数字脉冲信号,其工作原理是建立在石英晶体谐振器谐振频率与加速度产生的惯性力的关系上的,谐振器的谐振频率受输入惯性力的调制。当输出惯性力发生变化时,石英晶体谐振器的谐振频率也随之发生变化,加速度计直接输出占空比为50%、幅值符合标准电平的方波信号。

　　由于压电石英加速度计具有结构简单、固有可靠性高、直接数字输出的特点,特别是易于实现集成化大批量生产,近年来,应用石英晶体谐振机理研制数字式加速度计受到很多国家的重视,有些国家已正式投入使用[1][2]。这些研究的主要特点为:采用双谐振器、挠性连接质量块结构,差频输出,量程10 g～100 g甚至更高,但存在的一个主要问题是灵敏度都偏低,一般<10 Hz/g,目前最高的也只有76 Hz/g[2]。

　　本文通过对石英晶体谐振器及压电石英加速度计的研究与试验,成功研制出BK14-2型压电压石英加速度计,其量程±40 g,灵敏度大于400 Hz/g,并可以继续提高。

　　2　石英晶体谐振器的选择

　　为了实现惯性力的测量,必须选择具有非常好的力敏特性的石英晶体谐振器。由文献[2]可知,在保证好的力敏特性且满足宽温范围温度特性小的条件下,AT切石英晶体谐振器是最佳选择,而且AT切石英晶体谐振器未被覆电极的边缘部分不产生谐振,因而声去耦问题易于解决,同时AT切石英晶体谐振器的加工非常简便。

　　对于AT切石英晶体谐振器,其力—频特性为[3]

　　式中,F为石英晶体谐振器的输入作用力,D为传递力F截面的宽度,K为石英晶体谐振器的应变灵敏度系数。

　　当石英晶体谐振器在承受集中力作用时,力的方位角对Kf有很大影响,当力沿石英晶体谐振器的X轴作用时,Kf达到最大值[3],即Kf=25×10-15m·s/N。根据本文所采用的石英晶体谐振器,由式(1)可得石英晶体谐振器中间活性区的力敏特性为

　　Δf= 0.312,5F　(Hz/g) (2)

　　为对以上结果进行验证,我们对石英晶体谐振器进行了直接承重实验,实验结果见表1和图1,由于条件所限,承重实验的承重范围为5 kg。采用最小二乘法对实验数据进行拟合处理后,得到石英晶体谐振器的实际力一频特性为

　　Δf= 0.335,973F　(Hz/g) (3)

　　由实验结果可见,石英晶体谐振器具有与理论计算相符合的线性力—频特性。在-40～+50℃温度范围内,所用AT切石英晶体谐振器的温度—频率系数≤10×10-6。优于其它各种切型的石英晶体谐振器。

　　3　敏感结构

　　由于石英晶体谐振器本身具有良好的力敏特性,因此可以直接用于敏感加速度产生的惯性力。同时石英晶体谐振器在敏感头结构中又可起到摆臂的作用,故在敏感头结构中不再需要力平衡回路来构成闭环结构,直接采用开环摆式结构即可实现敏感加速度,这样,敏感头结构非常简单,既易于加工,也易于敏感头的装配与调试。