石英振梁加速度計(jì)的未來與現(xiàn)狀

石英振梁加速度計(jì)是一種基于振梁諧振和力頻特性原理的新型全固態(tài)慣性傳感器，具有高精度、大量程、低功耗、直接頻率脈沖輸出等突出特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)武器系統(tǒng)。本文簡(jiǎn)要介紹了石英振梁加速度計(jì)的工作原理、技術(shù)特點(diǎn)，結(jié)合囯外研究發(fā)展趨勢(shì)，指出石英振梁加速度計(jì)將成為后續(xù)達(dá)到擺式積分陀螺加速度計(jì)精度和抗輻照指標(biāo)、滿足戰(zhàn)略級(jí)需求最有可能的加速度計(jì)方案。

工作原理及特點(diǎn)

石英振梁加速度計(jì)是一種基于石英振梁力頻特性的新型高精度固態(tài)傳感器，其工作原理如１所示。激振電路對(duì)石英振梁進(jìn)行壓電激勵(lì)，使其在諧振頻率點(diǎn)處形成彎曲振動(dòng)，質(zhì)量塊將外界的輸入加速度轉(zhuǎn)換成作用在振梁上的軸向力。結(jié)合振梁的力頻特性，通過改變振梁的剛度使其諧振頻率發(fā)生變化，檢測(cè)兩個(gè)振梁的頻率差獲得加速度的大小和方向信息。

石英振梁加速度計(jì)敏感結(jié)構(gòu)沿襲了傳統(tǒng)加速度計(jì)擺式檢測(cè)質(zhì)量的設(shè)計(jì)理念，撓性支撐結(jié)構(gòu)使得檢測(cè)質(zhì)量只能繞一個(gè)與輸入軸垂直的方向進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，降低了儀表的交叉耦合誤差。采用振梁推挽結(jié)構(gòu)和頻率差模輸出，降低了儀表的零偏和二階非線性，提高了儀表的標(biāo)度因數(shù)。該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)能大大降低溫度、非慣性應(yīng)力等共模誤差影響，從而提升了儀表的精度。

石英振梁加速度計(jì)相比于擺式積分陀螺加速度計(jì)、擺式加速度計(jì)而言，零件數(shù)更少，功耗更低。敏感結(jié)構(gòu)除了兩根諧振梁納米級(jí)的微弱振動(dòng)外，沒有其他的機(jī)械磨損部件，也使其具有更長的平均失效時(shí)間和更高的可靠性。

研究現(xiàn)狀

國外的石英振梁加速度計(jì)的研究始于20世紀(jì)80年代，發(fā)展到90年代后期基本成熟，并形成了不同應(yīng)用領(lǐng)域的系列化產(chǎn)品，從導(dǎo)航、飛行控制等中低精度領(lǐng)域擴(kuò)展到重力測(cè)量等高精度領(lǐng)域，國內(nèi)青島智騰微電子生產(chǎn)的HQA-T系列高溫石英撓性加速度傳感器耐高溫，最高溫度可達(dá)185℃。高抗震性可達(dá)1000 g/0.5ms的沖擊?？膳c國外系列產(chǎn)品相匹配。

結(jié)論

石英振梁加速度計(jì)是一種基于振梁力頻特性的新型數(shù)字化慣性傳感器，具有精度高、體積小、功耗低、分辨率高、響應(yīng)快、可靠性好、成本低、過載能力強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn)，在戰(zhàn)術(shù)級(jí)武器系統(tǒng)上得到了廣泛應(yīng)用。