加速度计原理

常用加速度计的基本工作原理及主要特点加速度计是测量运载体线加速度的仪表。在飞行控制系统中，加速度计是重要的动态特性校正元件。在惯性导航系统中，高精度的加速度计是最基本的敏感元件之一。在各类飞行器的飞行试验中，加速度计是研究飞行器颤振和疲劳寿命的重要工具。加速度计的一般结构加速度计由检测质量（也称敏感质量）、支承、电位器、弹簧、阻尼器和壳体组成。检测质量受支承的约束只能沿一条轴线移动，这个轴常称为输入轴或敏感轴。当仪表壳体随着运载体沿敏感轴方向作加速运动时，根据牛顿定律，具有一定惯性的检测质量力图保持其原来的运动状态不变。它与壳体之间将产生相对运动，使弹簧变形，于是检测质量在弹簧力的作用下随之加速运动。当弹簧力与检测质量加速运动时产生的惯性力相平衡时，检测质量与壳体之间便不再有相对运动，这时弹簧的变形反映被测加速度的大小。电位器作为位移传感元件把加速度信号转换为电信号，以供输出。加速度计本质上是一个一自由度的振荡系统，须采用阻尼器来改善系统的动态品质。常用加速度计•重锤式加速度计•液浮摆式加速度计•挠性加速度计•微机械加速度计重锤式加速度计原理当基座以加速度a运动时，由于惯性质量块m相对于基座后移，质量块的惯性力拉伸前弹簧，压缩后弹簧，直到弹簧的回复力Ft=KΔs等于惯性力时，质量块相对于基座的位移量才不再增大。忽略摩擦阻力不计，质量块和基座有相同的加速度，即a=a′。根据牛顿定律Ft=ma′因此a=a′=Ft/m=KΔs/m即a=k′Δs式中k′=K/m。所以，测出质量块的位移量Δs，便知道基座的加速度。重锤式加速度计由惯性体（重锤）、弹簧片、阻尼器、电位器和说定装置组成。惯性体悬挂在弹簧片上，弹簧片与壳体固连，锁定装置是一个电磁机构，在导弹发射前，用衔铁端部的凹槽将重锤固定在一定位置上。导弹发射后，锁定装置解锁，使重锤能够活动，阻尼器的作用是给重锤的运动引入阻力，消除重锤运动过程中的振荡。敏感轴与弹体的某一个轴平行，来测量导弹飞行时沿该轴产生的加速度。液浮式加速度计原理液浮式加速度计原理结构类似于液浮式陀螺仪。壳体内充有浮液，将浮筒悬浮。浮筒内相对旋转轴有一个失衡检验惯性（质量块m），偏离旋转轴的距离为L，敏感方向为图中的z方向。当沿加速度计的输入轴（敏感方向）有加速度时，由于惯性的作用，惯性体绕旋转轴产生惯性力矩Ma=Lma惯性体在惯性力矩作用下，将绕旋转轴（输出轴）转动，惯性体绕输出轴相对壳体转动的角度θ由传感器敏感传感器输出与转动角度θ成比例的电压信号即U=kuθku为传感器的传递系数传感器电压输入放大器，放大器输出与输出电压成比例的电流信号即I=kiUki为放大器的放大系数放大器输出的电流信号输入给力矩器，产生与电流成比例的力矩Mk=kmI=kmkiU=kmkikuθkm为力矩器的放大系数这一力矩绕输出轴作用在惯性体上，在稳态时，它与输入加速度后惯性体产生的力矩相平衡，即Mk=MakmI=Lma则I=Lma/km此时力矩器的输入电流与输入加速度成比例，通过采样电阻可获得与输入加速度成比例的信号。由传感器、放大器和力矩器所组成的闭合回路，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，其表达式为Mk=kmI=kmkiU=kmkikuθ式中三个系数的乘积kmkiku即为再平衡回路的增益。摆组件放在一个浮子内，浮液产生的浮力能卸除浮子摆组件对轴承的负载，减小支撑磨擦力矩，提高仪表的精度。浮液不能起定轴作用，因此在高精度摆式加速度计中，同时还采用磁悬浮方法把已经卸荷的浮子摆组件悬浮在中心位置，使它与支撑脱离接触，进一步消除磨擦力矩。浮液的粘性对摆组件有阻尼作用，能减小动态误差，提高抗振动和抗冲击的能力。挠性摆式加速度计挠性摆式加速度计与液浮加速度计的主要区别在于它的摆组件不是悬浮在液体中，而是弹性地连接在挠性支承上，挠性支承消除了轴承的摩擦力矩。如上图，摆组件的一端通过挠性支承固定在加速度计的壳体上，另一端可相对输出轴转动，传感器线圈和力矩器线圈固定在壳体上。挠性摆式加速度计的工作原理与液浮摆式加速度计相类似，同样是由力矩再平衡回路所产生的力矩来平衡加速度所引起的惯性力矩。但为了抑制交叉耦合误差，力矩再平衡回路必须是高增益的，所以，挠性加速度计装配有一个高增益伺服放大器，使摆组件始终工作在极小的偏角范围内（在零位附近），挠性杆变形小，引入的弹性力矩也微小，因此仪表能达到很高的精度。这类加速度计有充油式和干式两种。充油式的内部以高粘性液体作为阻尼液体，可以改善仪表动态特性和提高抗震动、抗冲击能力。干式加速度计采用电磁阻尼或空气膜阻尼，便于小型化、降低成本和缩短启动时间，但精度比充油式低。微机械加速度计又称硅加速度计，它感测加速度的原理与一般的加速度计相同。微机械加速度计分为压阻式、电容式、静电力平衡式和石英振梁式。硅制检测质量由单挠性臂或双挠性臂支撑，在挠性臂处采用离子注入法形成压敏电阻。当有加速度a输入时，检测质量受惯性力F作用产生偏转，并在挠性臂上产生应力，使压敏电阻的电阻值发生变化，从而提供一个正比于输入加速度的输出信号。电容式微加速度计就是在上图所示的检测质量下面设置一读取电极。当加速度输入使检测质量偏转时，由读取电极与检测质量所构成电容器的电容量发生变化，从而提供一个正比于输入加速度的输出信号。由于加速度测量的精度直接影响惯性导航系统的精度，惯性导航系统对加速度计的要求灵敏限小：灵敏限以下的值不能被测量到，因此其本身就是误差，而且形成的速度误差和位置误差会随时间积累。用于惯性导航的加速度计灵敏限必须要求达到10-5g，有的达到10-7g或10-8g磨擦干扰小：为敏感到极小的加速度并绕输出轴转动，必须保证转轴中的磨擦力矩很小量程大：不同使用场合的加速度计在性能上差异很大，高精度的惯性导航系统要求加速度计的分辨率高达10-9g，但量程不大；测量飞行器过载的加速度计则可能要求有102g的量程，而精度要求不高。通常飞机上要求加速度的测量范围为10-5g到6g，最大12g甚至20g，导弹上要求的加速度测量范围还要更大。