第5章加速度的测量及加速度计.

2019/12/181第五章加速度的测量及加速度计2019/12/182§5.1加速度测量的基本原理一加速度测量的力学原理与加速度计基本方程2019/12/183§5.1加速度测量的基本原理一加速度测量的力学原理与加速度计基本方程mDCFxxxKxamKC稳态时：其中：2019/12/184§5.1加速度测量的基本原理一加速度测量的力学原理与加速度计基本方程对于近地空间的加速度计来说，考虑检测质量块的相对位移同时受到重力的影响。mmDCFgxxx()mCxag稳态时：mFa2019/12/185§5.1加速度测量的基本原理一加速度测量的力学原理与加速度计基本方程简单加速度计的精度很大程度上取决于弹簧刚度系数的精度。弹簧刚度的改变、弹簧的非线性以及迟滞因素等都会引起加速度计的输出误差，这种加速度计很难获得更高的灵敏度和测量精度。采用闭环控制技术，使弹簧的形变很小，提高加速度计的线性度、灵敏度和测量精度。2019/12/186§5.1加速度测量的基本原理二比力及比力计惯性参考系地心系比力计外壳IPREPRIORIERPPOROmKcFx比力计Ffm定义：2019/12/187§5.1加速度测量的基本原理IOIPOPRRR22()()iiPOMSPOPOddmmCKdtdtPPPIPERRGGGRR2222()()iiiOPMSdddCKmdtmdtdtPPPPIERRGGG2222()()()iiiPMSdddCKmdtmdtdtPPPIxExxRGGG二比力及比力计22()iiIOMSPOPOddmmCKdtdtPPPERGGGRR以检测质量m为研究对象，其运动微分方程为：2019/12/188§5.1加速度测量的基本原理22()iPMSdMMdtPPPIERGGGF二比力及比力计FfM22()iPMSddtPPPIERGGGf22iPddtIifRG以比力计整体作为研究对象，比力计的动力学方程比力是比力计即载体的非引力加速度，即惯性加速度与引力加速度之间的向量差。根据：2019/12/189§5.1加速度测量的基本原理二比力及比力计xiifxmKdtdmCdtd)(222222()()()iiiPMSdddCKmdtmdtdtPPPIxExxRGGG22iPddtIifRG理想的比力计沿敏感轴方向的输出是运载体的支持作用在比力计外壳上的非引力比力分量。即：比力计输出的只是非引力比力分量。将沿敏感轴方向去分量：2019/12/1810§5.1加速度测量的基本原理讨论：地心系近似为惯性参考系时所带来的误差IPIEEPRRR222222iiiIPIEEPddddtdtdtRRR对时间取导：EE22iEIEEMESdmmmdtRGG地球相对惯性参考系的动力学方程：2019/12/1811§5.1加速度测量的基本原理EE2222iiIPEPMSdddtdtRRGG沿输出轴取分量，并考虑EEEE222222()[()]()[()()]iiiEPMSxMSxiEPMMSSxdddCKxmdtmdtdtddtPPPPPPEERGGGGGRGGGGG2222()()()iiiPMSdddCKmdtmdtdtPPPIxExxRGGG2019/12/1812§5.1加速度测量的基本原理EEEE222222()[()]()[()()]iiiEPMSxMSxiEPMMSSxdddCKxmdtmdtdtddtPPPPPPEERGGGGGRGGGGG2222()[]iiiEPdddCKxdtmdtmdtPExRG近似：22()iEPdfdtPxERGEE()()MMSSPPGGGG误差：PEG710数量级：2019/12/1813§5.1加速度测量的基本原理二比力及比力计几种特殊情况：0f•当比力计沿地垂线自由下落时：•当比力计静止不动时：gf•当比力计敏感轴垂直于地垂线时：22iEPddtfR2019/12/1814§5.1加速度测量的基本原理三地球重力场当载体在近地表面运动时，比力计所敏感的比力为：22ippddtrfG22222()ipepepeeepddddtdtdtrrrωωωr222()epepeeeppdddtdtrrfωωωrG2019/12/1815§5.1加速度测量的基本原理epddtrv三地球重力场载体相对于地球的运动速度重力是地球的引力与因地球自转而产生的离心力的合力：()ppeepgGωωr22ebepebepddfdtdtvvωvgωvωvg222()epepeeeppdddtdtrrfωωωrG在测量坐标系b中：而2019/12/1816§5.1加速度测量的基本原理当载体相对地球运动时，加速度计的敏感量包括四项：三地球重力场2bebepdfdtvωvωvg•载体相对地球的运动速度在测量坐标系中的变化率dtdbv•测量坐标系相对地球的转动所引起的向心加速度vωeb•因载体运动及地球自转而产生的哥氏加速度vωe2•地球在当地的重力加速度)(rωωGgeepp2019/12/1817§5.2摆式加速度计单自由度无约束摆式加速度计是导航系统中最为常用的一种加速计，这种加速度计工作于闭环状态。•液浮摆式加速度计•挠性摆式加速度计•硅微加速度计•陀螺积分摆式加速度计2019/12/1818§5.2摆式加速度计一液浮摆式加速度计12GLFLPmLg摆性的概念：当有单位重力加速度沿输入轴作用在摆组件上时，绕输出轴所产生的摆力矩由重力矩与浮力矩组成。21FLGLMLLP：摆性：等效摆臂2019/12/1819§5.2摆式加速度计一液浮摆式加速度计2019/12/1820§5.2摆式加速度计一液浮摆式加速度计由信号器、伺服放大器和力矩器所组成的回路，通常称为力矩再平衡回路，所产生的力矩通常称为再平衡力矩。mamuamMkikkukkkamuaikkukkuaVRiRkk2019/12/1821§5.2摆式加速度计一液浮摆式加速度计液浮摆式加速度计的运动方程：xyzAAAA111cossin0sincos0001cossincossinxxyyzzxyyxzAAAAAAAAAAAA2019/12/1822§5.2摆式加速度计一液浮摆式加速度计液浮摆式加速度计的运动方程：沿输入轴作用的加速度为：1cossinyyxAAA若组件的偏角较大时，不仅会降低所要测量加速度的灵敏度，而且还会敏感正交加速度分量——交叉耦合效应。2019/12/1823§5.2摆式加速度计一液浮摆式加速度计再平衡力矩与摆力矩相平衡。(cossin)uamyxdJDkkkPAAM()uamyxdJDkkkPAAM摆组件的动态运动方程为：2019/12/1824§5.2摆式加速度计一液浮摆式加速度计2019/12/1825§5.2摆式加速度计二挠性加速度计挠性加速度计也是一种摆式加速度计。与液浮加速度计的主要区别在于：摆组件不是悬浮在液体中，而是弹性地连接在某种类型的挠性支承上。挠性支承消除了轴承的摩擦力矩，当摆组件的偏转角很小时，由此引入的微小的弹性力矩往往可以忽略不计。2019/12/1826§5.2摆式加速度计二挠性加速度计信号器定子输入轴信号器动圈力矩器磁钢力矩器线圈摆组件挠性支承壳体2019/12/1827§5.2摆式加速度计二挠性加速度计12GLFLPmLg摆组件的摆性：2019/12/1828§5.2摆式加速度计二挠性加速度计在挠性加速度计中，同样是由力矩再平衡回路所产生的力矩来平衡加速度所产生的摆力矩，为了抑制交叉耦合误差，力矩再平衡回路要求是高增益的。除了液浮摆式加速度计中所提到的各项力矩外，作用在挠性加速度计摆组件上的力矩，增加了摆组件出现偏转角时挠性支承所产生的弹性力矩。2019/12/1829§5.2摆式加速度计二挠性加速度计闭环工作条件下，采用与液浮摆式加速度计相同的坐标系定义，可以得到挠性加速度计摆组件的运动方程为()()uamyxdJDBkkkPAAM2019/12/1830§5.2摆式加速度计二挠性加速度计挠性加速度计的系统的方框图2019/12/1831§5.2摆式加速度计二挠性加速度计2019/12/1832§5.2摆式加速度计二挠性加速度计石英挠性加速度计2019/12/1833§5.2摆式加速度计二挠性加速度计石英挠性加速度计2019/12/1834§5.2摆式加速度计二挠性加速度计石英挠性加速度计2019/12/1835§5.2摆式加速度计三陀螺积分加速度计2019/12/1836§5.2摆式加速度计三陀螺积分加速度计0tmLadtHmLaH0()mLVVH2019/12/1837§5.2摆式加速度计三陀螺积分加速度计伺服回路/稳定回路•内环轴上的信号器•伺服放大器•外环轴上的力矩器2019/12/1838§5.2摆式加速度计三陀螺积分加速度计陀螺积分加速度计的运动方程ydyxdxJHMKJHMmLa2019/12/1839§5.2摆式加速度计三陀螺积分加速度计陀螺积分加速度计的系统方框图2019/12/1840§5.2摆式加速度计三陀螺积分加速度计陀螺仪绕内环轴和外环轴的稳定转角001dyttdxMKmLadtMdtHH（1）外环轴上的干扰力矩引起陀螺仪绕内环轴的稳态转角。当伺服回路的增益足够大时，该转角是足够小的，即自转轴仍然相当精确地与外环保持垂直，从而可以消除外环轴上干扰力矩对仪表工作的影响。（2）陀螺仪的输出转角中包含了内环轴上干扰力矩的影响，从而造成仪表的测量误差。2019/12/1841§5.2摆式加速度计四硅微摆式加速度计A-A信号电极故障检测电极玻璃硅蚀刻挠性顶尖检测质量典型结构2019/12/1842§5.2摆式加速度计四硅微摆式加速度计简单电路2019/12/1843§5.3振梁（弦）式加速度计一石英振梁加速度计（VBA）利用石英谐振器的力一频特性，将加速度通过检测质量转换为惯性力而引起石英晶体谐振器的形变，使谐振器的固有频率发生变化，再通过测量两个谐振器的差频得到加速度值。2019/12/1844§5.3振梁（弦）式加速度计一石英振梁加速度计2019/12/1845§5.3振梁（弦）式加速度计一石英振梁加速度计2019/12/1846§5.3振梁（弦）式加速度计一石英振梁加速度计阻尼隙石英晶体谐振器输入轴摆挠性接头2019/12/1847§5.3振梁（弦）式加速度计二振梁式硅微加速度计2019/12/1848§5.4光纤加速度计简介光纤加速度计是利用光的波导效应测量检测质量在加速度作用下相对弹性支承的位移进而得到加速度的一种传感器。它可以通过光纤连接至指示器，因而可能更适合那些对电信号更危险的应用场合，如燃料罐中的加速度测量等情况。两种类型：马赫·曾德干涉型光纤加速度计和迈克尔逊干涉型光纤加速度计。2019/12/1849§5.4光纤加速度计简介一马赫·曾德干涉型光纤加速度计2019/12/1850§5.4光纤加速度计简介二迈克尔逊干涉型光纤加速度计