几种角加速度传感器的工作原理及其应用

几种角加速度传感器的工作原理及其应用费维,刘正士,郑传荣(合肥工业大学机械与汽车工程学院动态测试中心,合肥230009)摘要:对国内的角加速度传感器进行了简析,介绍了测量角加速度的线加速度计法、流动电势法、压电晶体法、应变片法,并且简要介绍了它们的设计思想、工作原理和特性及其应用,最后指出国内角加速度传感器研究中存在的问题。关键词:传感器;角加速度;工作原理;应用中图分类号:TP212文献标识码:B文章编号:1001-3881(2005)1-145-2BasicPrinciplesandApplicationsofSeveralAngularAccelerationSensorsFEIWe,iLIUZheng-sh,iZHENGChuan-rong(SchoolofMechanicalandAutomobileEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China)Abstract:Severalmeasuremethodsofangularacceleration,includinglinearaccelerometersmethod,flowingvoltagemethod,piezoelectricitycrystalmethod,straingaugemethodwerepresented.Designscheme,basicprinciples,characteristicsandapplica-tionsofseveralangularaccelerationsensorswerebrieflyintroduced.Someproblemspresentedintheresearchofdomesticangularac-celerationsensorwereputforward.Keywords:Sensor;Angularacceleration;Basicprinciples;Applications0引言刚体有6个自由度,即可以沿3个直角坐标在3个方向上的直线运动和沿3个互相垂直的旋转轴在3个平面上做旋转运动。直线运动可以用线位移、线速度、线加速度来描述,旋转运动可以用角位移、角速度、角加速度来描述。信息采集系统的首要部件是传感器,传感器技术与通信技术和计算机技术已成为现代信息技术的三大支柱。在运动物体的控制和检测系统中,人们不仅需要准确的线参量,更需要准确的角参量(尤其是角加速度)信息。而且随着科学技术的发展,角加速度传感器的应用也越来越广泛,比如在航空航天领域的运载火箭的飞行,制造业中的机器人工作,汽车工业中运动状态的控制,军事领域中巡航导弹的控制等诸多领域,角加速度传感器有着前景广阔的市场。1988年全世界传感器的产值为80亿美元[1],2003年全世界传感器市场将增长到208亿美元,其中21%的市场需求为加速度传感器[2]。文献[3]对北美汽车市场上的角加速度传感器进行了综述,介绍了十余种典型角加速度传感器。本文介绍了国内研制的几种不同类型角加速度传感器的工作原理、特性及其应用。1角加速度传感器的简单分析1·1用线加速度计测量角加速度早期对于角参数的测量大多采用普通的线加速度计和线位移传感器,经过计算推出角参数值,这必然会给测试结果带来相应的误差。基于动力学原理,Padgaonkar在1975年[4]和chenJengHeng在1994年[5]分别提出了六加速度计和九加速度计的组合,对刚体的角加速度进行测量。但当加速度计定位于刚体的质心附近时,上述组合无法进行测量。为解决以往六加速度计和九加速度计应用时碰到的问题。北京理工大学的熊永虎提出了十加速度计的组合方案。该组合可以达到解决问题的目的。虽然十加速度计组合需要较多的传感器,但是方法稳定可靠,适用于测量刚体角加速度。十加速度计组合适用于所有的刚体运动,包括那些持续时间长,但不会引起失稳的刚体运动。1·2流动电势法这种角加速度传感器的工作机理是建立在测量流动电势的基础上。北京自动控制设备研究所设计了液环式角加速度传感器[6]。液环式角加速度传感器的基本工作原理为:液环内的特殊工作液体作为惯性质量相对于转换器件运动时,因液体的流动导致了“转换器件-液体”界面处电荷的转换,通过测量液体的流动电势便可直接得到与角加速度信号相对应的电信号。传感器工作原理示意图如图1所示,其中液体的成分、转换器件与液体的匹配等问题都将影响传感图1器的精度和性能。该角加速度传感器的结构主要由基准板、放大电路及液环构成,其中液环是核心部分,它由液体腔、液体、电极和转换器件组成。角加速度信号能否转换成电信号,取决于液环能否有相应的电势输出,而转换器件则是产生电势的关键部件。液环内的转换器件是一种网状芯片,当外加一角加速度信号时,在网状芯片上会产生一系列的变化,最后在转换器件的两端的电极上产生了一个电势差,通过放大线路进行放大。液环式角加速度传感器的主要优点是无精密机械部件,结构简单、重量轻,而拥有这些优点的主要原因在于其测量角加速度信号时采用独特、新颖的工作原理。液环式角加速度传感器是用来测量载体相对于其·145·《机床与液压》2005·No·1对应的轴线的角加速度,并给出与角加速度成正比的电信号,电信号的极性与角加速度的符号相对应。另外,临床医学上已经在进行利用流动电势进行骨组织分析[7]。1·3压电晶体角加速度传感器四川压电和声光技术研究所利用压电晶体构成角加速度传感器,具有角加速度陀螺的功能,故又称压电陀螺[8]。压电陀螺的基本元件是一根矩形梁,梁是恒弹性合金,由两个基频模节点支承。梁表面贴上两对换能器,一对接驱动电路,使梁振动;另一对接读出电路,输出与角加速度成正比例的模拟量。该角加速度传感器的机械部分由一根长25~125mm,横截面为9mm2的矩形弹性合金梁及一个简单的矩形安装壳体组成。两对压电晶体换能器贴在梁的中间,一对驱动梁运动,另一对输入角速度引起梁的运动。如图2所示,梁在一个主平面内以其基波弯曲频率(4·5~10·5kHz)驱动。在驱动平面x-z内,梁的质点作线性位移,而此线性位移随时间成正弦变化。当沿梁的x轴输入一个角速度时,梁的质点即受到哥氏力的作用。该力引起的质点在读出平面x-y内运动,读出平面x-y内的正弦位移正比于输入角速度。驱动平面内的两个压电换能器,一个作驱动输入,使梁在自身的基频弯曲模频率振动;另一个提供调节驱动电压的反馈信号,从而保持传感器的增益不变。该角速度传感器的直流角速度信号经过微分和滤波后,即可得到直流角加速度信号。图2不加恒温电路的传感器,零位随温度的变化高达每秒几度,因此传感器本身需采取恒温措施。若传感器本身没有恒温装置,最好在系统中连接零位补偿电路,最常用的补偿方法是在传感器输出端连接高通滤波器,一般把高通滤波器也作为传感器电路的一部分装在传感器壳体内。该传感器最主要的优点是实现了固体化,故不需要定期维修,具有高可靠性。这种传感器已在导弹、舰船、飞机以及在陆地上、水下和空中需要敏感角速度和角加速度的运行体上广泛应用。1·4应变式角加速度传感器图3应变式传感器是利用电阻应变效应制成的传感器。电阻应变计,也称应变计或应变片,是一种能将机械构件上的应变转化为电阻变化的传感元件。使用时,用粘合剂将应变计贴在被测试件弹性梁表面上。应变式角加速度传感器示意图如图3所示,在一悬臂梁的自由端固定一质量块,应变片粘贴在弹性梁的敏感位置。传感器结构原理如图4(图中只画出一根弹性梁上的应变片)所示,当弹性质量环比弹性梁大得多时,被测加速度作用在基座上产生转动惯量,通过质量环加到弹性梁上并产生变形,使粘贴于其上的应变计阻值发生变化,由测量电路将电阻变化转换为电压的变化,再由显示器记录仪将其显示记录,应变计的电阻变化是与形变成比例的。因此,由显示记录的电压的变化,可得知被测试件的应变大小[9]。图4应变式角加速度传感器主要由3部分组成。第一部分是弹性敏感元件,弹性敏感元件直接感受力矩,其输出为本身的应变。这种变形通常作为电阻式转换的输入量,以作进一步的信号转换。第二部分是电阻应变计,其功能是把机械变形构件上的应变的变化转换为电阻变化。第三部分是外壳及附件,其作用是支撑惯性敏感元件和将桥路输出的信号引出[10,11]。作为测量应变的电阻应变片,实际上应变片的电阻变化受温度影响最大。在应变测量中,如果不消除这种影响,势必带来很大的误差,通常采用电路补偿来进行温度补偿[12]。2结束语近年来国内角加速度传感器的发展虽然取得了可喜的进步,但是离实用化、商品化、产业化仍有一定的距离,角加速度传感器的工艺的稳定性和设计的合理性仍需进一步的改进。比如作为工业支柱的汽车产业,欧美已有十余种角加速度传感器投放生产,而国内的汽车角加速度传感器绝大部分依赖进口。这是国内研究者和制造者面临的艰巨挑战,也是一个良好的机遇。参考文献【1】张福学·传感器应用及其电路精选[M]·北京:电子工业出版社,1995:4~7·【2】朱言彬·传感器技术的最新进展和机遇[J]·传感器技术,2000,19(3):1~4·【3】WilliamJ·Fleming·OverviewofAutomotiveSensors[J].IEEESensorsJounra,l2001,1(4):296~308·【4】XiongYong-hu.MeasurementofAngularandLinearAc-celerationsUsingLinearAccelerometers[J]·JournalofBeijingInstituteofTechnology,2000,9(3):307~311·(下转第142页)·146·《机床与液压》2005·No·1的外倾和前束)可测得外倾和前束的各一组距离值,后悬架每侧需要两个标准盘来确定该侧面外倾和前束的两个线性方程的系数。上升装置和前行装置都由气缸和导向机构组成,它们是使探测装置对准并压紧被测平面的执行机构。2·2测控系统的构成图3为了达到更高的精确性和可靠性,激光传感器的测头和控制器选用KEY-ENCE公司的LK-2000系列,并且选用欧姆龙公司的AD0003型号模数转换模块和C200HE型号可编程逻辑控制器(PLC),而触摸屏则选用EasyView公司的EB500系列。如图3所示,激光头把光信号转变为电信号,输出给控制器,经处理和放大后再输出给模数转换模块,转换成数字信号后再传递给可编程序控制器,最后由固化于PLC内的程序求得外倾和前束。图4测控系统显示面板图求得的外倾和前束,一方面由触摸屏显示出来,如图4所示;另一方面再经过特定程序处理后,控制指示灯的输出。后悬架两侧共有四个偏斜角,故设四个灯箱指示其状态,每个灯箱有五个指示灯,中间一个绿灯,表示合格;两侧两个黄灯,表示接近合格;再往两侧是两个红灯,表示完全不合格(触摸屏上也有模拟的指示灯)。这些指示灯是为后悬架分装最后阶段,方便工人对外倾和前束进行实时调整设置的。图5工作流程图3检测程序流程图图5是该检测系统测量后悬架外倾和前束时的工作流程图。4功能特点(1)该激光检测系统的重复测量精度为1′。(2)由于标定基准不一样,该激光检测系统的测量值与四轮定位系统的测量值不相等,但存在一一对应关系。(3)由于受所应用的测量原理限制,该激光检测系统只能测量小角度(小于5°)。5结束语改进后的M6后悬架分装激光检测系统已于2003年1月在长春一汽轿车总装车间正式投入使用。从使用情况看,其各项性能指标均已达到设计要求,满足自动化需要。参考文献【1】齐志鹏·汽车悬架和转向系统的结构原理与检修·北京:人民邮电出版社,2002·【2】王植槐·汽车制造检验技术·北京:北京理工大学出版社,2000·【3】张洪欣·汽车设计[M]·北京:机械工业出版社,1998:163~171·【4】兰信矩,黄国标·激光技术[M]·长沙:湖南科学出版社,1981·【5】叶声华·激光在精密计量中的应用[M]·北京:机械工业出版社,1980·作者简介:吴志忠,沈阳工业大学机械工程学院研究生。