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基于双梁结构的石英振梁加速度计系统

发布时间:2017-07-16 10:15

  本文关键词:基于双梁结构的石英振梁加速度计系统


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【摘要】:石英振梁加速度计自问世以来就是惯导仪表的一个重要发展方向,它将力敏石英谐振梁作为敏感元件,能直接输出数字信号(频率),在成本、体积、功耗、重量、精度等方面具有突出优点,有着非常广泛的应用前景。本文在对现有加速度计结构充分对比分析的基础上,设计了一种分体式振梁加速度计。利用双端固定梁的振动方程,对加速度计的谐振频率进行简化求解,借助基于控制变量法的仿真辅助,确定了该分体式加速度计各部分的结构尺寸。为提高灵敏度,根据有限元分析软件的仿真结果对底座-质量块结构的尺寸和振梁结构进行了优化。根据振梁的振动模态和压电效应的工作原理,为降低振梁谐振时的等效阻抗,结合微加工工艺,优化设计了分段式双面激励电极图案。使用基于光刻技术、湿法腐蚀的微加工技术完成了两个微结构的制备,同时创新性地提出了使用倒装焊技术实现简单精确的装配的方法,克服现有装配工艺中的错位问题,实现了高灵敏度的振梁并提高了加速度计的精度。在对称式石英晶体多谐振荡器的基础上,设计了高阻抗石英振梁加速度计的谐振电路——双反相器-双共射极串联谐振电路,并搭建了系统测试平台。在常压环境下测试,加速度计灵敏度最高为82.356 Hz/g,线性度0.99,偏置稳定性为1.19 mg。
【关键词】:石英振梁加速度计 高阻抗谐振电路 高灵敏度 倒装焊
【学位授予单位】:东南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TH824.4
【目录】:
  • 摘要5-6
  • Abstract6-9
  • 第一章 绪论9-15
  • 1.1 研究背景9-11
  • 1.2 国内外研究现状11-13
  • 1.3 主要研究内容13-15
  • 第二章 基于双梁结构的石英振梁加速度计的基础研究15-33
  • 2.1 压电石英晶体的特性15-17
  • 2.1.1 石英晶体的压电特性16
  • 2.1.2 石英谐振梁的振动模式16-17
  • 2.1.3 石英晶体切型的选择17
  • 2.2 石英振梁加速度计的结构设计17-22
  • 2.2.1 谐振梁结构的设计18-19
  • 2.2.2 底座-质量块结构的设计19-21
  • 2.2.3 谐振梁结构尺寸的优化21
  • 2.2.4 底座-质量块结构尺寸的优化21-22
  • 2.3 有限元仿真结果分析22-29
  • 2.3.1 有限元法及其软件实现22-23
  • 2.3.2 石英振梁加速度计振动模态分析23-24
  • 2.3.3 石英振梁加速度计的灵敏度仿真与结果分析24-26
  • 2.3.4 石英振梁加速度计模型优化后的谐振频率分析26-27
  • 2.3.5 石英振梁加速度计满量程仿真分析27-29
  • 2.4 石英振梁加速度计的微加工工艺29-32
  • 2.4.1 底座-质量块结构的制备29-30
  • 2.4.2 回流焊工艺30-31
  • 2.4.3 石英振梁加速度计的高精度组装31-32
  • 2.5 本章小结32-33
  • 第三章 石英谐振梁激励电极设计33-41
  • 3.1 宽度弯曲振动模态下的电极图案33-36
  • 3.1.1 表面电极图案的设计33-35
  • 3.1.2 四周电极图案的设计35-36
  • 3.2 双梁振梁的制备36-40
  • 3.2.1 铺设表面电极的振梁制备36-37
  • 3.2.2 铺设四周电极的振梁制备37-40
  • 3.3 本章小结40-41
  • 第四章 高阻抗石英振梁加速度计的谐振电路设计41-57
  • 4.1 石英晶体振荡器基本原理41-44
  • 4.1.1 石英谐振梁特性41-43
  • 4.1.2 石英谐振梁等效电阻分析43-44
  • 4.2 石英振梁加速度计谐振电路的基本原理44-47
  • 4.2.1 石英晶体谐振器振荡电路基本原理44-45
  • 4.2.2 常用石英晶体谐振器振荡电路模型45-47
  • 4.3 高阻抗石英振梁加速度计谐振电路的分析与设计47-55
  • 4.3.1 设计要点分析47-48
  • 4.3.2 PSpice仿真简介48
  • 4.3.3 普通双共射极串联谐振电路分析48-50
  • 4.3.4 对称式石英晶体多谐振荡器50-52
  • 4.3.5 双反相器-双共射极串联谐振电路52-55
  • 4.4 本章小结55-57
  • 第五章 石英振梁加速度计系统的测试与分析57-67
  • 5.1 石英振梁加速度计性能测试57-62
  • 5.1.1 振梁谐振特性测试57-58
  • 5.1.2 常压下加速度计的静态谐振特性测试58-62
  • 5.1.3 测试结果分析与讨论62
  • 5.2 石英振梁加速度计系统性能测试62-65
  • 5.2.1 石英振梁加速度计系统测试平台的搭建63-64
  • 5.2.2 测试结果分析与讨论64-65
  • 5.3 本章小结65-67
  • 第六章 总结与展望67-71
  • 6.1 总结67-69
  • 6.2 展望69-71
  • 致谢71-73
  • 参考文献73-77
  • 作者简介77

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前7条

1 林丙涛;周倩;曾小珊;唐光庆;满欣;周本清;李海;;高灵敏度QVBA限位结构设计研究[J];压电与声光;2014年04期

2 王巍;;惯性技术研究现状及发展趋势[J];自动化学报;2013年06期

3 冯丽爽;王文璞;周震;杨功流;;石英振梁加速度计谐振器的结构设计[J];中国惯性技术学报;2013年01期

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5 赵君辙;邢馨婷;杨中柳;;线加速度计的现状与发展趋势综述[J];计测技术;2007年05期

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7 岳书彬,孙秀英,秦自楷,刘迎春,丁福玲;双端石英音叉力敏传感器的原理与设计[J];山东大学学报(自然科学版);2000年03期



本文编号:548210

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