高精度石英振梁加速度计挠性支承设计研究

　　O引言

　　石英振梁加速度计是一种把力敏石英振梁作为敏感元件，能直接输出频率正比于输入加速度大小的加速度计。它没有模一数转换带来的速度增量误差，并能与高速数字导航系统兼容，它精度高、成本低、体积小、发展潜力大，在中高精度领域诸如重力测量、巡航导弹、自主水下导航、石油钻井等领域中有着广泛的应用前景[l，21。挠性支承又是该加速度计零部件中加工难度较大、精度要求较高的部分，因此，采用何种支承形式和选择合适的参数使得设计最佳成为研究的重点。

　　1挠性支承的结构设计

　　1.1挠性支承的结构选择

　　振梁型石英加速度计的工作原理如图1所示，图中l为振梁中心到支承中心的距离，L为敏感质量中心到支承中心的距离。在激振电路的驱动下，石英振梁发生谐振。当有加速度输入时，在质量块上产生惯性力，该惯性力按照力学杠杆原理，把质量块上的惯性力放大N倍。这放大了的惯性力作用在谐振梁的轴向上，使谐振梁的频率发生变化。一个石英振梁受到轴向拉力，其谐振频率升高;而另一个石英振梁受到轴向压力，其谐振频率降低。在测频电路中通过对这两个标准输出信号进行补偿与计算，可测出输入加速度大小。

　　挠性支承是加速度计中的关键部件，其结构形状和性能好坏直接影响加速度计的性能。对挠性支承的要求是敏感轴方向的刚度要小，以便于降低阂值，提高加速度计的检测灵敏度。而其他方向要求刚度足够大，以提高抗交叉干扰的能力。挠性支承中最重要的结构部位是细颈。它的一般尺寸要求为0.04士0‘001~，形位公差一般要求垂直度、同轴度均在0.004mm以内[a]。要满足这些尺寸要求，不仅对结构而且对加工方法都提出了很高的要求。采用挠性支承技术，可以从根本上消除了传统摆式加速度计轴承的滚动和滑动摩擦，大大提高了仪表的灵敏度和精度，使得体积、重量减小，成本降低。考虑到结构简单、加工方便等特点，两个挠性支承分开布置，使其侧向抗弯刚度大为提高，减小交叉干扰误差。本文采用一对挠性支承，分布在石英摆片的两侧，其中一个挠性支承的示意图如图2所示

　　1.2挠性支承的参数确定

　　挠性支承的弯曲刚度在设计加速度计时必须进行定量计算。为此需要导出一个计算迅速，准确可靠的解析式。设图1中挠性支承受作用于敏感质量中心的外力p作用，定义挠性支承的弯曲刚度为[4]:

　　由式(5)可以看出，挠性支承的弯曲刚度与其长度10成反比、厚度t0的立方成正比、宽度w成正比。改变其结构参数可以获得满足性能要求的弯曲刚度。因此，挠性支承的结构设计应遵循下列原则: