高精度石英谐振加速度计的发展现状与工作基本原理

导航领域一直是军事竞争的战略要地, 由于 卫星信号受干扰、压制和屏蔽的现象时有发生,发展成熟的、不依赖卫星的导航定位技术显得日益重要。惯性导航以自然存在的惯性参考系为基准, 不需要任何外来信息, 也不会向外发射任何信息, 仅靠传感器本身就能在全天候条件下在 全球范围内和任何介质环境里自主地、隐蔽地进行连续的三维定位和三维定向, 是一种完全自主,不受时间、地域限制, 可连续、实时提供完整运动信息的导航方式, 被广泛应用于各种载体的运动测量、姿态稳定和导航制导。

加速度计作为惯性导航系统的核心测量元件之一, 主要用以根据加速度计积分输出解算出运载体在导航坐标系中的速度和位置, 加速度计的性能和精度直接影响着导航和制导系统的精度。

因此, 高精度和高可靠性加速度计的研制对于提升惯性系统的性能至关重要。

近年来, 随着 MEMS 技术的发展, 采用 MEMS工艺制作的具有尺寸小、响应速度快、成本低等优点的石英谐振加速度计是快速发展的热点技术不同于敏感信号为一般模拟信号的加速度计, 谐振式加速度计通过检测与输入加速度成线 性关系的频率信号来达到测量目的, 频率信号近似数字信号, 具有很好的灵敏度和分辨率, 抗干扰性极强, 在信号传输过程中有很高的稳定性,大大降低了信号检测难度和传递误差, 并且能够被数字处理芯片直接接受, 大大简化了检测电路。 此外, 它能够与微陀螺仪结合构成微惯性测量组合单元, 在军备制造、智能武器和弹道制导等方面有着重要的战略意义。随着技术的不断创新, 谐振式加速度计也越来越多地应用于航空航天、武器系统、汽车、消费电子等领域。

石英谐振加速度计基本工作原理

石英谐振加速度计是基于石英谐振器力频特 性原理研制的, 如图 1 所示, 其结构主要包括弹 簧-质量系统、 石英谐振器和谐振电路。质量块受到惯性力 F 的作用, 并将力传递到与质量块相连 的在激振电路作用下处于谐振状态的石英谐振器上, 石英谐振器在轴向拉力或压力的作用下, 其振动频率会增大或减小。通过频率计数与处理电路测得加速度计输出频率的变化量, 此频率变化量反映了加速度的大小, 从而实现加速度信号的测量。