石英谐振加速度计振梁内部热应力的抑制方法研究
作者:
作者单位:

1.西安交通大学机械工程学院 机械制造系统工程国家重点实验室 西安 710049;2.中国人民解放军某部队 北京 100085

作者简介:

周圣翔 2000年生,学士,硕士研究生。
王 铎 中国人民解放军某部队。
赵玉龙 1968年生,教授,博士生导师。
李 村 1986年生,副教授,硕士生导师。

通讯作者:

中图分类号:

TP212.1

基金项目:

国家重点研发计划(2021YFB3201500)、国家自然科学基金(52275572)


Research on thermal stress suppression method inside vibrating beam of quartz resonant accelerometer
Author:
Affiliation:

1.State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering, Xi´an Jiaotong University, Xi´an 710049, China;2.The Chinese People's Liberation Army X Unit, Beijing 100085, China

Fund Project:

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    摘要:

    石英谐振加速度计具有抗干扰能力强、准数字输出和易于集成等优点,但温漂成为了制约其稳定性指标的关键因素。本文通过全石英无异质材料设计和热应力隔离结构方案有效抑制加速度计振梁内部产生的热应力。传感器敏感结构由惯性质量块、铰链、固定基底和微谐振器组成,均采用石英晶体材料制备,且两个微谐振器呈差动布置可以通过差分对振梁内热应力进行部分抑制。通过微谐振器的四边形框架设计可以将工作环境中产生的热应力与振梁隔离,再对固定基底上的热应力敏感部分进行拓扑优化设计来抑制工作时从固定锚点处传递至振梁内部的热应力。本文对石英谐振加速度计进行了全温度下的有限元仿真计算分析,工作环境温度从室温到75 ℃,微谐振器振梁内部产生的热应力经优化后减少了99.41%以上。

    Abstract:

    Quartz resonant accelerometer has some advantages of strong anti-interference ability, quasi-digital output and simple integration, but temperature drift has become a pivotal factor restricting its stability. In this paper, the thermal stress generated inside the vibrating beam of the accelerometer is effectively suppressed by the all-quartz non-heterogeneous material design and the thermal stress isolation structure scheme. The sensitive component of sensor is composed of mass block, hinge, fixed base and microresonators, which are manufactured by quartz, while these two microresonators are arranged differentially to realize the compensation of the thermal stress inside the vibrating beam. The quadrilateral frame design of the microresonator can isolate the thermal stress generated in the surroundings from the vibrating beam. Topology design, applied on sensitive portion of fixed base, is carried out aiming to suppress the thermal stress transferring to the vibrating beam as well. This paper utilized the finite element simulation analysis of the quartz resonant accelerometer at full temperature. Within the range, when the ambient temperature reaches at 75 ℃, the thermal stress generated inside the vibrating beam is reduced by more than 99.41% after optimization.

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    引证文献
引用本文

周圣翔,王铎,赵玉龙,李村.石英谐振加速度计振梁内部热应力的抑制方法研究[J].遥测遥控,2023,44(6):119-125.

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历史
  • 收稿日期:2023-09-05
  • 最后修改日期:2023-10-12
  • 录用日期:
  • 在线发布日期: 2023-11-27
  • 出版日期:
  • 优先出版日期: 2023-11-27