高灵敏度QVBA限位结构设计研究

石英振梁加速度计(QVBA)具有检测精度高、准数字输出的特点,灵敏度是影响其性能的一个重要指标参数。针对现有石英振梁加速度计灵敏度低的问题,设计了一种高灵敏度石英振梁加速度计。它采用在石英摆片上下位置施加一对限位片,既可对石英摆片的最大位移量进行限制以提高器件的抗冲击性能,又可增加石英摆片振动过程中的阻尼力以提高器件的抗振动性能,降低了加速度计一阶模态谐振频率的限制条件,有效提高了加速度计的灵敏度。最后依据加速度计的结构特点设计出了相应的工艺制作方案,并加工出了差分结构的加速度计样机,经测试其灵敏度为65.74Hz/g,10min零位稳定性为15.8μg。

石英振梁加速度计温度自补偿方法

石英振梁加速度计在温变环境中存在输出漂移,文中采用一种新型软件补偿方法抑制温度漂移。该方法利用石英振梁自身谐振频率表征参考温度,并建立温度补偿模型。较于以温度传感器输出作为参考温度,该方法没有测温误差。在补偿算法上,提出一种基于麻雀搜索算法优化BP神经网络的温度补偿模型,能够克服BP神经网络易陷入局部最优的问题和提升补偿准确性。通过多次温度实验进行建模,对比补偿前后的输出值,零偏稳定性从392.8μg下降至65.5μg,证明该补偿方法的有效性。

基于IWOA-BP的石英振梁加速度计温度补偿研究

在温度变化的环境中,石英振梁加速度计(QVBA)的输出会发生漂移。为了改善QVBA的温度稳定性,提出了基于改进鲸鱼算法(IWOA)优化BP神经网络的温度补偿模型。IWOA通过优化BP神经网络的初始权值和阈值,克服了BP神经网络易陷入局部最优的缺点,增强了BP神经网络在训练中的准确性和鲁棒性。全温实验表明,该方法能够明显抑制QVBA因温度而产生的漂移。经过补偿,全温零偏稳定性从4.161 mg下降至0.196 mg,全温标度因数稳定性从59.676 ppm下降至35.751 ppm,验证了模型的有效性。

石英振梁加速度计谐振器的结构设计

石英谐振器的设计是实现高精度石英振梁加速度计的关键。首先对石英晶体的最优切型切角结构进行研究,确定石英晶体的最优切型切角为(xyt)5°。其次,理论分析并通过仿真验证了石英谐振器的结构参数对石英振梁加速度计标度因数的影响,并对石英谐振器的结构参数进行了优化。最后,对石英谐振器进行了模态仿真,并分析了石英谐振器的尺寸制作偏差对标度因数的影响。用有限元分析方法得到了石英谐振器的理想振型,且石英振梁加速度计的标度因数为40 Hz/g。理论及仿真结果表明该石英谐振器可应用于高标度因数石英振梁加速度计中。

高精度石英振梁加速度计频率采样系统设计

设计一个高精度频率采样系统对惯性导航系统中的3路石英振梁加速度的信号进行快速采集.首先分析振梁加速度计的测量原理和误差来源,然后采用基于FPGA的SOPC技术与Verilog语言编程实现数据采集,最后在实际导航系统中进行了大量的试验,结果表明,系统以100 Hz运行稳定,采样精度达到了1 mg.

线加速度计的现状和发展动向

线加速度计是惯性测量和导航系统的主要惯性元件之一。当前，传统的力再平衡摆式加速度计占据加速度计的主要市场。对加速度计输出数字化的迫切要求，推动了石英振梁式加速度计的发展。随着微电子加工技术向惯性技术的渗透，微硅加速度计已崭露头角并受到广泛的关注。

一体式石英振梁加速度计工程化研究进展

一体式石英振梁加速度计是一种高精度谐振式MEMS惯性传感器。针对现有石英振梁加速度计存在的体积大、全温及力学环境适应性不足等问题,提出一种基于三层石英结构的一体式石英振梁加速度计的设计方案。通过突破高精度薄梁腐蚀及晶圆级键合两项关键技术,成功研制出加速度计样机。经测试,产品全温稳定性优于0.5mg,振动整流误差优于200μg/g^2(@15.68g rms),可以满足中高精度惯性导航应用需求。后续期望通过原位温度补偿及直接键合等技术进一步提升一体式石英振梁加速度计的全温精度及长期稳定性。

石英振梁加速度计的小波神经网络温度补偿研究

捷联惯导系统中使用的石英振梁加速度计随温度输出漂移比较显著,通过理论分析和试验研究了其静态定点温度特性,提出了在处理受温度影响的加速度计数据时建立基于梯度下降学习算法的小波神经网络模型,并对其进行补偿。通过惯导系统初始对准实验结果表明,该方法与传统的最小二乘法相比,小波神经网络的非线性逼近能力更强,曲线拟合精度更高,能有效补偿加速度计的温度漂移,降低惯导系统初始对准后的姿态解算误差。

惯性导航系统中浮点计算加速单元设计

石英振梁加速度计采用频率输出的形式表示加速度,在惯性导航系统中,需要将频率值转换为加速度值,再进行姿态解算。采用软件方法进行浮点计算,需要耗费CPU大量的计算能力。为了优化频率转换的计算速度,设计一种面向频率转换应用的浮点计算加速单元,并基于FPGA进行了实现与验证。结果表明,系统从数据采样到频率转换,然后将频率值转换成加速度进行姿态解算,陀螺仪测得的角速度进行积分,最后完成数据融合,使用本文设计的浮点加速单元来实现频率转换,速度提高了2倍。

自检式石英振梁加速度计的极板间距研究

极板间距与自检式石英振梁加速度计的自检性能密切相关。过大的极板间距影响器件的工程化,过小的极板间距无法满足器件工作位移,因此极板间距是设计自检式石英振梁加速度计的关键。针对该问题,建立了理想静电驱动模型与吸合模型。通过理论分析和仿真优化,获取临界吸合电压函数。同时,研究了电压对两种模型加速度的影响,并对两者误差进行分析。最终得出极板间距与所能模拟加速度最大值呈现线性关系。提出了极板间距设定流程,并证明极板间距为19μm时,自检式石英振梁加速度计自检性能最佳。

金属摆片的慢走丝线切割加工研究

针对挠弹性材料加工而成的石英振梁加速度计的基本敏感元件金属摆片,其沟槽结构的去应力结构尺寸与几何公差精度要求高、制造难度大,开展了2种电极丝慢走丝电火花线切割金属摆片沟槽结构的试验研究,并对加工试件进行了检验和对比总结,认为采用0.1mm镀锌硬黄铜丝、以及合理的工艺参数加工金属摆片,试件沟槽结构轮廓规整清晰,加工尺寸及几何公差达到了设计指标要求。试验采用了慢走丝线切割加工金属摆片,以减小加工应力,控制加工变形。

一种应用于惯性导航的振梁加速度计石英谐振器驱动电路

石英谐振器驱动电路用于驱动力敏感石英梁,可以使石英谐振器直接数字频率输出。文章针对石英谐振器的特点提出了一种应用于振梁加速度计的石英谐振器驱动电路方案,并对该电路方案进行测试与验证,测试结果表明该电路具有低成本、低复杂度、功耗小的特点,可以满足振梁加速度计的指标要求。

石英振梁加速度计温度特性及补偿研究

首先推导了一种石英振梁加速度计偏值K_0、标度因数K_1的计算公式,并进行了K_1温度特性计算仿真,结果和试验数据相吻合。其次通过计算及试验验证,在-40℃~80℃范围内,双端固定谐振梁的温度特性曲线为抛物线,存在温度拐点,频率变化小于8Hz,同时给出了约束条件下谐振梁的温度试验结果。最后进行了仪表温度模型标定及补偿研究,试验结果表明:经过补偿,在工作温度范围内,仪表偏值变化优于1mg,标度因数变化优于5×10^(-5)。

石英振梁加速度计研究现状及发展趋势

石英振梁加速度计是一种基于振梁谐振和力频特性原理的新型全固态惯性传感器,具有高精度、大量程、低功耗、直接频率脉冲输出等突出特点,已被广泛应用于战术武器系统。简要介绍了石英振梁加速度计的工作原理、技术特点,梳理了分体式和一体式两种仪表结构的研究现状和关键技术。结合国外研究发展趋势,指出石英振梁加速度计将成为后续达到摆式积分陀螺加速度计精度和抗辐照指标、满足战略级需求最有可能的加速度计方案。

一种分体式石英振梁加速度计的研制

加速度计作为导航制导系统的重要元件,要在严酷的条件下及系统全生命周期内保证精度、稳定性、线性度等性能指标要求,这对加速度计的研制提出了极大的挑战。介绍了一种基于振梁谐振和力频特性原理的分体式石英振梁加速度计,给出了加速度计的总体结构和简化的力学模型,并进行了受力分析,指出不能简单通过增加摆质量的厚度来提高加速度计的标度因数。阐述了用双端固定音叉结构制作石英振梁的工艺加工过程,指出铬金掩膜的制作是振梁加工的关键工序。针对振梁等效参数,电路采用具有更大增益的双门振荡器方案。最后,对加速度计进行了标定测试,标度因数为55Hz/g,量程达到±70g,4h的零偏稳定性为8.1μg。测试结果表明,双振梁推挽差分输出的设计有效改善了加速度计的零偏稳定性。

高灵敏度石英振梁加速度计的设计与仿真

石英加速度计的关键结构尺寸直接影响着加速度计的灵敏度及量程等性能,因此在结构设计中至关重要。针对一种新型的石英振梁加速度计在关键结构尺寸的设计上所存在的盲目性及灵敏度普遍不高的问题,建立了石英振梁加速度计的结构力学模型,通过理论分析获取了影响加速度计灵敏度与量程的主要结构参数及其作用机理,有限元仿真结果验证了振梁及质量块的尺寸参数对加速度计性能的影响。在此基础上对整体结构参数进行优化,最终得到的石英振梁加速度计标度因数可达117Hz/g,测量范围为±50g。理论与仿真结果表明:通过结构优化所得到的尺寸参数合理,且加速度计的灵敏度明显提高,为石英振梁加速度计进一步的研究提供了有利的参考。

一种力学环境适应性强的石英振梁加速度计结构研究

石英振梁加速度计是未来高精度、战略惯导级加速度计的发展方向,惯性导航用加速度计对单表的环境适应性要求较高,导弹、火箭在发射瞬间产生的巨大过载冲击对加速度计的力学可靠性提出更高要求。振梁加速度计在复杂环境下的适应性与战略型号需求有差距,因此目前国内战略型号未使用。针对型号使用过程中的大过载、大冲击条件,基于石英挠性加速度计技术成熟度高的质量块设计思想,提出了双梁摆舌、四爪固定的新型振梁加速度计结构,完成了设计结构的高精密装配方案设计;以具体冲击试验谱型为依据,对设计结构进行仿真试验,得到质量块在冲击条件下的最大位移与最大应力。仿真试验表明,加速度计具备抗输入4500 g高过载、大冲击响应谱能力;基于力锤冲击法试验得到,设计的石英振梁加速度计在减震条件下可承受600 g的冲击,提高了相关报道中只能承受400 g的力学冲击能力,解决了石英振梁加速度计在应用中抗力学性能差的问题。

高灵敏度石英振梁加速度计的设计与研制

石英振梁加速度计因其高精度和高稳定性成为加速度计研究的热点之一。为解决石英振梁加速度计存在标度因数难以提高的问题,提出并研制了一种一体式石英振梁加速度计。介绍了该加速度计的结构模型并展开了理论分析,指出了提高标度因数的可行途径。通过有限元仿真分析确定了加速度计的具体结构,采用湿法刻蚀等工艺制作敏感结构并进行了真空封装。经测试,该加速度计标度因数达到了254.4 Hz/g,零偏稳定性为4.4μg,标度因数稳定性为2.8×10^(-6)。测试结果表明,所提出的一体式石英振梁加速度计具有大标度因数、高稳定性的特点,可应用于高精度的惯导系统。