数字式高精度倾角传感器
该项目得到北京市教委、信息产业部、解放军总装备部等主管部门先后计9次立项资助,经历了8年多的基础研究和应用基础研究。
根据石英晶体谐振器结构原理,利用压电石英晶片的力-频特性,研制敏感倾斜角的传感器。(1)理论研究给出压电石英晶片受径向集中力作用时的应力分布、力-频特性及温-频特性,从而确定敏感倾斜角用石英谐振器的结构参数和电参数;(2)建立数字式高精度倾角传感器支承结构的力学模型及力-频转换关系表达式;(3)导出了晶振频率稳定度对传感器影响的定量关系式,从而建立并完善数字式高精度倾角传感器的理论依据。
应用基础研究证明,利用压电石英力-频特性可获得高性能倾斜角传感器。 (1)研究了晶片切角、互补抑制及温度补偿与谐振器温-频特性的关系,解决了谐振器的温度漂移问题;(2)研究了敏感结构的支撑形式、敏感质量块、限位措施,以及密封腔不同的密封方式、粘接剂强度等与传感器力转换系数、抗震强度、分辨率、响应时间、稳定性和重复性的关系,从而确定敏感结构的装配与制作工艺;(3)研究了电路结构、信号采集、补偿方法等对传感器性能的影响,设计出具有温度自补偿功能和抑制慢性漂移的高稳定电路,使传感器的分辨率和稳定度大幅度提高。研制的一维和二维倾斜仪系列产品,分辨率优于0.001°,非线性度<0.1%FS,响应时间<50ms,交叉耦合<0.02%,准备时间<30s,稳定性达到1×10-9/min。该系列产品能直接数字输出,便于与计算机接口,这是其它同类传感器难以做到的。
主要创新点:(1)建立了数字式高精度倾角传感器的理论基础;(2)建立了数字式高精度倾角传感器支承结构的力学模型及力-频转换关系;(3)传感器的单螺旋式、双螺旋式、“工”型弹性敏感质量块结构,以及以限位罩为主体的过载保护防震装置设计独具特色;(4)传感器的凹凸型、双劈型挤压密封结构有特效功能,结构新颖;(5)对偶抑制及单片机数字补偿电路使传感器工作温度从-10℃~+40℃扩展到-40℃~+55℃,漂移从0.1°/h下降到0.01°/h。
该研究成果已获国防发明专利2项(专利号:02101100.1,02101099.4),待审批的国防发明专利1项(申请号:03105507.9)。