低漂移数字式压电石英水平姿态传感器研究

摘要

20世纪20年代初，国外第一台石英晶体振荡器问世。随着科学技术的发展，国内外晶体振荡器性能越来越优异，应用领域也越来越广泛。其中在传感器技术领域的应用就是一个典型的例子。 在水平姿态传感器领域中，虽然有电阻应变式、半导体压阻式、电容式、电磁式、光纤式、振弦式、硅谐振式以及石英谐振式等各种形式。但是数字式压电石英水平传感器以其精度高、响应快、数字输出、线性度高、稳定性好、抗干扰能力强，以及无活动部件和反馈回路等特点而成为现代传感器发展中的重点。 本文研制的数字式石英姿态传感器属压电谐振式传感器的一种，是通过一定的结构装置，将被测载体的姿态转换为力作用在石英晶体谐振晶片上，检测谐振器谐振频率的变化以此得到载体的姿态角。在前人工作的基础上，研究了石英水平姿态传感器的相关基础理论和制作工艺；研究了作为敏感元件的石英晶体谐振器的力．频特性，利用ANSYS软件对AT切石英圆形薄片受对径力作用时的应力分布及力．频特性进行了分析，并与实验结果进行了比较，两者一致；通过对压电石英姿态传感器的工作原理、敏感结构、检测电路等的研究，对石英谐振器力-频特性及力传感器的应用设计提供了一定的理论指导作用。

目录

文摘

英文文摘

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第1章引言

1.1概述

1.2姿态传感器的研究状况

1.2.1固体摆式姿态传感器

1.2.2液体摆式姿态传感器

1.2.3气体摆式倾角传感器

1.3小结

第2章石英晶体谐振器

2.1引言

2.2石英晶体的结构

2.2.1石英晶体的外形和坐标轴

2.2.3石英晶体的切型

2.3石英晶体的压电性质

2.3.1石英晶体的压电效应与逆压电效应

2.3.2石英晶体的压电方程

2.3.3 AT切石英晶体的材料参数

2.4石英晶体谐振器的力-频效应

2.4.1石英晶体谐振器的等效电路

2.4.2 AT切圆形石英晶片的力-频特性

2.5石英晶体谐振器的温度-频率特性

2.5.1 AT切石英晶体的温频系数与切角特性

2.5.2 AT切石英晶体的温度-频率特性方程与温度过冲效应

2.5.3 AT切石英晶体的力灵敏度系数温度特性

2.5.4配对使用的AT切石英晶体的温度-频率特性

2.6石英晶体的厚度剪切振动方程

2.7小结

第3章石英谐振器仿真实验

3.1石英谐振器力频灵敏度系数的ANSYS分析及实验

3.1.1石英晶片内部应力的有限元分析

3.1.2力频灵敏度实验

3.1.3结果与讨论

3.2石英谐振器加力方位角与仿真

3.2.1对称石英晶振的中心应力分布和加力方位角的ANSYS分析计算

3.2.2非传统石英晶振加力方位角特性研究

3.2.3石英谐振电极中心应力加力方位角特性的ANSYS仿真

3.2.4石英谐振器加力方位角和频率变化的实验结果

3.2.5实验结果与分析

3.3石英谐振力传感器加载方式的仿真与实验

3.3.1单点加力和双点加力石英晶振中心应力的ANSYS分析

3.3.2两种加载情况下石英晶振的性能对比

3.3.3结果与分析

3.4石英晶体的零位不稳定性分析与实验

3.4.1石英晶体的电极质量敏感

3.4.2平面型和透镜型谐振器的电极质量引起的应力分析对比

3.4.3实验分析与讨论

3.5小结

第4章石英姿态传感器的结构原理

4.1引言

4.2石英姿态传感器的敏感机理

4.3姿态传感器敏感头支撑结构模型

4.3.1敏感头刚性支撑结构力学模型

4.3.2敏感头弹性支撑结构力学模型

4.4小结

第5章电路设计

5.1引言

5.2自激振荡电路

5.3差频电路

5.4倍频电路

5.5单片机补偿电路

5.5.2零位温度补偿

5.5.3灵敏度和线性度校正

5.4小结

第6章性能测试

6.1线形度测量

6.2比例系数(灵敏度)测量

6.3分辨率测量

6.4零位漂移

6.5响应时间

6.6冲击试验

6.7小结

第7章结论与展望

7.1结论

7.2进一步工作的方向

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果