新型压电石英水平姿态传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种敏感电子学领域里的主要应用于飞行器、机器人、车船、石油钻井、雷达卫星等姿态稳定与控制系统中的新型压电石英水平姿态传感器。其主要由敏感元件、信号处理电路、底座、外壳、插座组成。敏感元件采用了两只圆形压电石英晶片对称安装结构以及轴向和横向、纵向过载保护机构，并在敏感元件的上下增设双层减震器保护结构，敏感元件腔体的密封罩和基座采用了阳凸阴凹挤压密封和螺栓紧固结构。本发明专利技术是将物体姿态偏转转换为作用到压电石英晶片上的力，通过石英谐振器受力后频率变化测量物体水平姿态参数，具有分辨率强、稳定性高、非线性度低、启动速度快、测量范围和工作温度范围宽、抗高过载冲击强度以及输出为数字式等特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种敏感电子学领域里的主要应用于飞行器、机器人、车辆、船船、石油钻井平台、建筑、工业自动化设备，雷达以及卫星等的姿态稳定与控制系统中的新型压电石英水平姿态传感器，它包括敏感元件、信号处理电路、底座、外壳、插座。
技术介绍
利用压电石英显著的力敏特性构成水平姿态传感器已有实用化产品，日本Tokyo Denpa C.，LTD公司的压电石英倾斜仪测量范围为5.7°，精度为0.12°，寿命3000次，工作温度-10℃～50℃，主要用于建筑物、桥梁测斜。美国森德斯坦德数据控制公司的由QA-1300型石英挠性加速度计组合而成的两轴、三轴倾斜仪测量精度为0.23°，主要用于油井测斜。但是上述这些压电石英水平姿态测量仪存在的共同问题是稳定性和分辨率差，启动时间长，不能抗震动冲击，因此，它们满足不了要求高稳定、高分辨率、抗强震动冲击和快速启动的使用要求。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种高稳定、分辨率强、可抗强震动冲击和启动速度快的压电石英水平姿态传感器。为解决上述技术问题，本专利技术的基本构思是在敏感元件中采用两只对称安装的圆形压电石英晶片，将被测物体的姿态偏转角度(φ)转换为作用到这两只对称安装的圆形压电石英晶片上的力F，利用压电石英显著的力敏特性，通过两个压电石英晶片受力后的频率变化从而可检测到被测物体的水平姿态参数，如图1所示，当一定切型的压电石英晶片受径向压力(如ΔF1)作用时，谐振频率将由f变为f+Δf1，而受径向拉力(如ΔF2)作用时，谐振频率则由f变为f-Δf2，通过检测谐振器的频率变化Δf1或Δf2，从而可得到对应的力变化ΔF1或ΔF2。因此，当压电石英水平姿态传感器有倾斜角输入时，将倾斜角对应的“姿态”转换为径向力分别作用在敏感元件中的两个对称安装的圆形压电石英晶片上。受径向力作用的两只压电石英晶片的谐振频率一个增大，变为(f+Δf1)，而另一个减小，变为(f-Δf2)。通过检测两个压电石英晶片的差动输出频率Δf＝(f+Δf1)-(f-Δf2)＝Δf1+Δf2即可得到传感器的输入倾斜角。本专利技术新型压电石英水平姿态传感器的敏感结构原理如图2所示，当水平姿态传感器偏转一角度φ时，可求得两个压电石英谐振器压力变化时两个石英谐振器的差动输出频率Δf与φ的关系Δf=2Kf·f2D·nbc·mg(sinφ-sinφ0)]]>=Kφ·(sinφ-sinφ0)---(1)]]>式中，Kφ=2Kf·f2D·n·bc·mg]]>是与水平姿态传感器敏感元件结构有关的比例系数，Kf是石英谐振器的拉氏(Ratajski)系数，D是传递ΔF的截面宽度，n是谐波系数。由式(1)可知，通过检测石英谐振器的频率变化量Δf，即可检测出姿态倾斜角。量程和分辨率是传感器的两个基本技术参数。从表面上看，量程和分辨率之间互不相关，但实际上却相互牵制，在一定条件下，提高一个都将以损害另一个为代价。所以，可以将量程与分辨率的比值(用K表示)作为一个指标，用以反映传感器达到的水平。专利技术人通过研究得到了这一指标(K)与传感器相关参数的如下关系K=2βTmDN0ηnf02·Kfnf02D=2βKfN0Tmη---(2)]]> 式中，f0是石英谐振器的基频，n是谐波次数，Kf是石英谐振器拉氏(Ratajski)系数，Tm是石英谐振器的断裂极限应力，β是保险系数(＜1)，N0是石英谐振器的频率常数，η是石英谐振器的频率稳定度，D是石英谐振器的受力面宽度。式(2)将反映传感器性能的K与石英谐振器的相关结构参数联系了起来。知道传感器所用的石英谐振器的结构参数，即可算出传感器所能达到的K。或者根据传感器的技术指标要求，可计算出石英谐振器的参数指标，从而设计能满足要求的石英谐振器。作为本专利技术基本构思的具体技术方案，本专利技术新型压电石英水平姿态传感器主要由敏感元件、信号处理电路、底座、外壳、插座组成。起支撑作用的底座与外壳用螺钉装配成腔体，底座安装敏感元件和信号处理电路，处理后的信号及电源经引出插座输出。本专利技术中的敏感元件是由对称安装在上顶板和下座板圆柱体中心轴线两侧的两只圆形压电石英晶片组成，下座板放在托盘上，托盘固定在基座上，敏感质量块压在上顶板上，敏感质量块用于向两只圆形压电石英晶片传递被测物体的姿态偏转角度产生的径向作用力，两只圆形压电石英晶片有三种安装结构或为竖直平行式，或为水平平行式，或为“八”字形。密封腔罩扣在基座上，基座上焊接有压电石英晶片信号输出接线柱和密封腔罩腔内抽真空的排气管。本专利技术在敏感元件中设置了压电石英晶片过载保护机构，敏感质量块和下座板与托盘间的减震垫构成轴向过载保护机构，敏感质量块为弹性结构，由三段直径不同的圆柱体组成，上段大，是敏感质量块的主体，中段加工成弹簧状，下段是与上顶板装配的螺栓段；扣在托盘外侧的减震框构成横向及纵向过载保护机构，减震框上部四周及顶部设置限位螺钉，调整限位螺钉与敏感质量块前、后、左、右和顶部周边的间隙，限定敏感质量块的振动幅度，在本专利技术中，敏感质量块按照弹性体的不同有四种结构的优选方案，如图8所示或为单螺旋式结构，或为双螺旋式结构，或为“工”字形两孔式结构，或为“工”字形三孔式结构；本专利技术还在二维压电石英水平姿态传感器的敏感元件的上下增设双层减震器保护结构，第一层减震器为在敏感元件的下部增加的下定位减震器和在敏感元件的上部增加的上定位减震器，敏感元件、信号处理电路及固定板通过下定位减震器和上定位减震器整体悬置固定在由框架座、框架盖和四根框架柱组成的安装框架内，形成第一层减震器保护结构；第二层减震器为在底座的内侧与框架座之间设置的下减震器和在外壳的上顶内侧与框架盖之间设置的上减震器，整个安装框架通过下减震器和上减震器悬置固定在由底座和外壳构成的密闭腔体内，形成第二层减震器保护结构。本专利技术的敏感元件腔体的密封腔罩和基座采用阳凸阴凹挤压密封和螺栓紧固结构，有二种结构的优选方案或为凸凹形牙边牙口密封结构，或为劈形牙边密封结构。本专利技术新型压电石英水平姿态传感器是将物体姿态偏转转换为作用到压电石英晶片上的力，通过石英谐振器受力后频率变化测量物体水平姿态参数，具有分辨率强、稳定性高、非线性度低、启动速度快、测量范围和工作温度范围宽、抗高过载冲击强度以及输出为数字式等特点。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。图1是石英谐振器受径向力作用时的频率变化模式图。图中(a)是受压力作用时的频率变化模式图，(b)是受拉力作用时的频率变化模式图。图2是本专利技术新型压电石英水平姿态传感器敏感结构原理图。图3是本专利技术一维压电石英水平姿态传感器结构示意图。图中各部件序号和名称如下1-底座，2-外壳；3-敏感元件；4、5-信号处理电路；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型压电石英水平姿态传感器，它包括敏感元件、信号处理电路、底座、外壳和插座，其特征在于：敏感元件（３）的两只圆形压电石英晶片（２３）对称安装在上顶板（２２）和下座板（２４）的圆柱体中心轴线两侧；在敏感元件（３）中设置了压电石英晶片（２３）的轴向和横向、纵向过载保护机构，轴向过载保护机构由敏感质量块（２１）和下座板（２４）与托盘（１６）间的减震垫（３２）以及敏感质量块２１的圆柱形质量体（２１ａ）上部的可调节的轴向限位螺钉１９构成，横向、纵向过载保护机构由防过载限位框（１７）和防过载限位框（１７）在质量体（２１ａ）四周的可调节限位螺钉（１８ａ）、（１８ｂ）、（１８ｃ）、（１８ｄ）构成；构成敏感元件（３）腔体的密封腔罩（１５）和基座（１３）采用阳凸阴凹挤压密封和螺栓紧固结构。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张福学，张伟，
申请(专利权)人：北京信息工程学院，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]