基于平面线圈的石英挠性加速度计的初步设计

　　0　引言

　　由于现阶段石英挠性加速度计自身设计仍有一些不足,存在稳定性不好,且量程、灵敏度不可调,无法兼顾大量程和高灵敏度的要求等一些问题,因此逐渐难以满足精确制导对精度及稳定性等越来越高的要求。通过研究发现,用于提供支承磁场的永磁材料自身的磁稳定性是整个加速度计稳定性的一个主要影响因素,其磁感应强度受时间、环境温度等因素影响较大,且多为非线性非重复性影响,难以通过后期处理消除。通电线圈的磁感应强度不存在时间稳定性问题,受温度影响小,且通过调节驱动电流大小可以改变其强弱,达到调节灵敏度的目的。为此,提出了使用通电线圈代替永磁材料,使用平面密绕螺旋线圈代替力矩线圈来对敏感摆片提供支承力的构想。

　　1　结构及工作原理

　　1. 1　结构设计

　　石英挠性加速度计由敏感部分和伺服电路部分组成。敏感部分主体结构包括敏感质量摆片和两侧的支承装置组件,外层为电磁屏蔽外壳。敏感质量摆片是由整片熔融石英晶体通过磨料喷射和化学刻蚀等特殊手段加工出摆片、边框和挠性梁[1]。摆片两面抛光后通过光刻工艺印制平面密绕螺旋线圈代替原来的双侧音圈作为力矩线圈。支承磁极由采用无氧铜薄带致密绕成的螺旋线圈及粘结型超顺磁磁芯组成,线圈通电产生的径向发散磁场作用于摆片两侧的通电平面线圈,产生轴向支承力。粘结型超顺磁磁芯可以在大幅提高磁极磁感应强度的同时避免磁滞、涡流损失和非线性变化等不良影响.磁极端面涂敷绝缘材料,经抛光后通过离子溅射等手段镀上金属薄膜作为极板,与摆片两侧构成差动式电容位移传感器,电容极板之间存在的气隙相当于压膜阻尼器[1]

　　1. 2　磁场支承装置原理

　　经过研究发现,石英挠性加速度计的稳定性主要受支承装置里永磁材料自身的磁性能影响,充磁后的永磁体磁感应强度并不是一直保持恒定的,它受温度、时间、环境磁场影响而发生非线性非重复性变化,从而也会影响到测量的最终稳定性[2]。虽然通过温补、定时标定、电磁屏蔽等手段,可以在一定程度上减轻这些因素对测量结果的影响,但始终不能从根本上解决问题。为此,对加速度计的磁场支承装置重新进行了设计,原来的支承装置是通过将永磁材料加工成特制的形状,可以产生径向发散磁场对粘接在敏感摆片上的力矩线圈施加磁场力,以平衡作用于摆片的惯性力,从而实现支承的。结构原理图如图1所示。

　　通电线圈磁场支承装置是采用平面密绕螺旋通电线圈代替原来的永磁材料提供径向发散磁场的,如图2所示。为了增强通电线圈产生的磁感应强度,采用了粘结型超顺磁复合磁芯,同时也可以避免使用铁磁材料磁芯产生的磁滞、涡流损失和非线性变化等不良影响,非常适合目前这种非线性重复微运动,而且不会造成误差累计,也不会影响加速度计的测量精度。在中间敏感摆片上通过光刻等工艺印制平面密绕螺旋线圈代替粘接的力矩线圈,光刻工艺加工的线圈附着力好,加工后应力小,同时可以减轻线圈质量,提高加速度计的灵敏度。