一种金属摆式加速度计等强度悬臂梁设计方法技术

本发明专利技术提出了一种金属摆式加速度计等强度悬臂梁设计方法。该设计方法使得弹性元件沿梁长度方向的截面按照一定规律变化，使悬臂梁在长度方向上的截面抗弯模量的变化与弯矩的变化成正比，从而显著提高摆式加速度计的灵敏度、线性度、重复性、可靠性等指标。该方法工程实用性强，在摆式加速度计设计领域具有一定的指导意义。指导意义。指导意义。

【技术实现步骤摘要】
一种金属摆式加速度计等强度悬臂梁设计方法


[0001]本专利技术属于惯性加速度计设计领域，特别涉及一种金属摆式加速度计等强度悬臂梁设计方法。

技术介绍

[0002]惯性加速度计是测量运动载体线加速度的仪表，不同种类的惯性加速度计性能等级可区分为战略级、导航级(惯性级)、战术级、仪表(速率)等，惯性加速度计是惯性测量单元(IMU)的重要组成部分，与陀螺仪共同决定着惯性导航系统90％以上的精度，其成本、尺寸、重量和功耗等特性对惯性导航系统(INS)的应用领域亦有较大影响，目前高精度惯性加速度计的阈值分辨率已经达到10
‑8g～10
‑9g，零位稳定性可达10
‑6g。
[0003]摆式加速度计技术在国外已经成熟，美国Honeywell公司的技术处于领先地位，其它生产厂家有美国的Systron Donner，Bell，Litton，Rockwell和Northrop，英国的 Ferranti和InnaLabs公司，法国的Sagem公司。国内主流摆式加速度计为石英摆闭环式加速度计，主要应用于高精度导航领域，各单位生产的石英加速度计技术状态大体一致，主要指标分布水平较接近。
[0004]摆式加速度计属于单轴摆式加速度计，其重要特点是体积小、重量轻、成本低、易于大批量生产。其活动摆架部分无摩擦，不会因为磨损而影响产品适用寿命。金属摆式加速度计在国内可成熟应用的工程产品较少，金属摆式加速度计的核心部件是金属摆的设计，弹性材料的选择以及悬臂梁摆簧的设计直接影响到金属摆式加速度计灵敏度、线性度、稳定性、重复性、可靠性。

技术实现思路

[0005]本专利技术解决的技术问题是：为了解决有金属摆式加速度计在摆动过程中摆簧受力均匀产生多余应力，从而影响加速度计的长期稳定性、零位稳定性、零位重复性的问题，本专利技术提出一种金属摆式加速度等强度悬臂梁设计方法，等强度梁是一种特殊形式的悬臂梁。这种弹性元件的特点是：沿梁长度方向的截面按一定规律变化，当集中力F作用在自由端时，距离力作用点任意距离x处的截面上的应力相等。因此沿这种梁的长度方向的截面抗弯模量的变化与弯矩的变化成正比。
[0006]本专利技术的技术方案是：一种金属摆式加速度等强度悬臂梁设计方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1：根据加速度计量程设计指标确定摆架的金属材料，使得加速度计在量程内金属摆悬臂梁形变在材料的弹性形变以内；
[0008]步骤2：根据加速度计设计尺寸确定摆架固定端宽度b、摆架悬臂梁长度L以及摆架的厚度h；
[0009]步骤3：由摆架的宽度b、长度L、厚度h，通过等强度梁计算方法计算出b
x
；
[0010]步骤4：设计好摆架后，在摆架上粘贴应变计，使摆架悬臂梁的形变转换为可测量
的电信号。
[0011]本专利技术进一步的技术方案是：所述步骤1中，摆架的金属材料为Co40CrNiMo。
[0012]本专利技术进一步的技术方案是：所述步骤2中，摆架的厚度最大范围根据所悬臂梁允许的最大应变值ε确定。
[0013]本专利技术进一步的技术方案是：所述步骤3中，包括以下子步骤：
[0014]步骤3.1：已知摆架的尺寸b、长度L和厚度h，确定摆架悬臂梁截面最大应力σ
max
，使摆架悬臂梁最大应力在弹性材料的弹性形变内：
[0015][0016]进一步求得与梁长度对应x处的梁的宽度
[0017][0018]其中[σ]是材料的许用应力，F为作用在自由端的力。
[0019]步骤3.2：确定等强度悬臂梁的应变值和谐振频率：
[0020][0021][0022]其中E为材料的弹性模量，ρ为材料的密度。
[0023]专利技术效果
[0024]本专利技术的技术效果在于：本专利技术针对现阶段摆式加速度计精度提升问题，从工程实用角度出发，提出了一种金属摆式加速度计等强度悬臂梁设计方法，通过设计等强度悬臂梁摆簧，使得加速度计在敏感加速度而摆动过程中摆簧受力均匀，不会产生多余应力，从而提高加速度计的长期稳定性、零位稳定性、零位重复性等指标。
[0025]该设计方法使得弹性元件沿梁长度方向的截面按照一定规律变化，使悬臂梁在长度方向上的截面抗弯模量的变化与弯矩的变化成正比，从而显著提高摆式加速度计的灵敏度、线性度、重复性、可靠性等指标。该方法工程实用性强，在摆式加速度计设计领域具有一定的指导意义。
附图说明
[0026]图1为金属摆式加速度计悬臂梁安装布局示意图
[0027]图2为摆架悬臂梁组件
[0028]图3为金属摆式加速度计等强度悬臂梁设计示意图
[0029]图4为金属摆式加速度计实物图
[0030]附图标记说明：1
‑
应变计；2
‑
摆架；L
‑
摆架的长度；b
‑
摆架固定端的宽度；h
‑ꢀ
摆架的厚度；b
x
‑
摆架任意长度x处对应的宽度；F
‑
摆架自由端上施加的力。
具体实施方式
[0031]在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、
“
厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。
[0032]参见图1
‑
图4，本专利技术针对现阶段摆式加速度计精度提升问题，从工程实用角度出发，提出了一种金属摆式加速度计等强度悬臂梁设计方法。
[0033]本专利技术的目的是通过以下技术手段实现的，该设计方法使得弹性元件沿梁长度方向的截面按照一定规律变化，使悬臂梁在长度方向上的截面抗弯模量的变化与弯矩的变化成正比，从而显著提高摆式加速度计的灵敏度、线性度、重复性、可靠性等指标。该方法工程实用性强，在摆式加速度计设计领域具有一定的指导意义。
[0034]1、其特征在于该方法包含以下步骤：
[0035]步骤S1：根据加速度计量程设计指标确定摆架的金属材料，使得加速度计在量程内金属摆悬臂梁形变在材料的弹性形变以内，选择高硬度高弹性材料3J21 (Co40CrNiMo)，在摆架机械加工过程前应进行校平，然后进行时效处理补充强化，时效处理后进行机械加工，加工完毕后进行稳定化处理、温度循环处理，消除加工应力、稳定尺寸和精度。
[0036]步骤S2：根据加速度计设计尺寸确定摆架固定端尺寸b、摆架悬臂梁长度L以及摆架的厚度h，其中摆架的厚度最大范围应根据所悬臂梁允许的最大应变值ε确定。
[0037]步骤S3：由摆架的尺寸b、长度L、厚度h，通过等强度梁计算方法计算出b
x
，即与梁长本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金属摆式加速度计等强度悬臂梁设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：根据加速度计量程设计指标确定摆架的金属材料，使得加速度计在量程内金属摆悬臂梁形变在材料的弹性形变以内；步骤2：根据加速度计设计尺寸确定摆架固定端宽度b、摆架悬臂梁长度L以及摆架的厚度h；步骤3：由摆架的宽度b、长度L、厚度h，通过等强度梁计算方法计算出b
x
；步骤4：设计好摆架后，在摆架上粘贴应变计，使摆架悬臂梁的形变转换为可测量的电信号。2.如权利要求1所述的一种金属摆式加速度计等强度悬臂梁设计方法，其特征在于，所述步骤1中，摆架的金属材料为Co40CrNiMo。3.如权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：史凯，刘辉，宋思波，张超，张琪，曹砺原，郭睿，秦化宁，
申请(专利权)人：陕西华燕航空仪表有限公司，
类型：发明
国别省市：