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加速度计

加速度计,是测量运载体线加速度的仪表。
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基本介绍
加速度计 (accelerometer) 测量加速度的仪表。加速度测量是工程技术提出的重要课题。当物体具有很大的加速度时,物体及其所载的仪器设备和其他无相对加速度的物体均受到能产生同样大的加速度的力,即受到动载荷。欲知动载荷就要测出加速度。其次,要知道各瞬时飞机、火箭和舰艇所在的空间位置,可通过惯性导航(见陀螺平台惯性导航系统)连续地测出其加速度,然后经过积分运算得到速度分量,再次积分得到一个方向的位置坐标信号,而三个坐标方向的仪器测量结果就综合出运动曲线并给出每瞬时航行器所在的空间位置。再如某些控制系统中,常需要加速度信号作为产生控制作用所需的信息的一部分,这里也出现连续地测量加速度的问题。能连续地给出加速度信号的装置称为加速度传感器。 常见加速度计的构件如下:外壳(与被测物体固连)、参考质量,敏感元件、信号输出器等。加速度计要求有一定量程和精确度、敏感性等,这些要求在某种程度上往往是矛盾的。以不同原理为依据的加速度计,其量程不同(从几个g到几十万个g),它们对突变加速度频率的敏感性也各不相同。常见的加速度计所依据的原理有:①参考质量由弹簧与壳体相连(见图),它和壳体的相对位移反映出加速度分量的大小,这个信号通过电位器以电压量输出;②参考质量由弹性细杆与壳体固连,加速度引起的动载荷使杆变形,用应变电阻丝感应变形的大小,其输出量是正比于加速度分盘大小的电信号;③参考质量通过压电元件与壳体固连,质量的动载荷对压电元件产生压力,压电元件输出与压力即加速度分量成比例的电信号:④参考质量由弹簧与壳体连接,放在线圈内部,反映加速度分量大小的位移改变线圈的电感,从而输出与加速度成正比的电信号。此外,尚有伺服类型的加速度计,其中引入一个反馈回路,以提高测量的精度。为了测出在平面或空间的加速度矢量,需要两个或三个加速度计,各测量一个加速度分量。 角加速度计的原理类似加速度计,它的外盒装在转动物体上,由于角加速度,在参考质量上产生切向动载荷,可输出与切向加速度或角加速度大小成比例的信号。随被测运动物体和测量要求的不同,加速度计有各种原理和实现方式。如在飞行器上,有按陀螺原理设计的陀螺加速度仪等。 测量运载体线加速度的仪表。测量飞机过载的加速度计是最早获得应用的飞机仪表之一。飞机上还常用加速度计来监控发动机故障和飞机结构的疲劳损伤情况。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。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。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0.001g,但量程不大;测量飞行器过载的加速度计则可能要求有10g的量程,而精度要求不高。
基本模型
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。
工作原理
它的工作原理是:当仪表壳体沿输入轴作加速运动时,检测质量因惯性而绕输出轴转动,传感元件将这一转角变换为电信号,经放大后馈送到力矩器构成闭环。力矩器产生的反馈力矩与检测质量所受到的惯性力矩相平衡。输送到力矩器中的电信号(电流的大小或单位时间内脉冲数)就被用来度量加速度的大小和方向。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宝石轴承的负载,减小支承摩擦力矩,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上,使它与支承脱离接触,进一步消除摩擦力矩。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。波纹管用来补偿浮液因温度而引起的体积变化。为了使浮液的比重、粘度基本保持不变,以保证仪表的性能稳定,一般要求有严格的温控装置。

加速度计挠性摆式

采用挠性支承的摆式加速度计。摆组件用两根挠性杆与仪表壳体连接。挠性杆绕输出轴的弯曲刚度很低,而其他方向的刚度很高。它的基本工作原理与液浮摆式加速度计类似。这种系统有一高增益的伺服放大器,使摆组件始终工作在零位附近。这样挠性杆的弯曲很小,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。充油式的内部充以高粘性液体作为阻尼液体,可改善仪表动态特性和提高抗振动、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。

加速度计振弦式

由两根相同的弦丝作为支承的线性加速度计。两根弦丝在永久磁铁的气隙磁场中作等幅正弦振动。弦丝的振动频率与弦丝张力的平方根成比例。不存在加速度作用时,两根弦丝的张力相等,振动频率也相等,频率差等于零。当沿输入轴有加速度作用时,作用在检测质量上的惯性力使一根弦丝的张力增大,振动频率升高;而另一根弦丝的张力则减小,振动频率降低。仪表中设有和频控制装置,保持两根弦丝的振动频率之和不变。这样两根弦丝的振动频率之差就与输入加速度成正比。这一差频经检测电路转换为脉冲信号,脉冲频率与加速度成正比,而脉冲总数与速度成正比,因此这种仪表也是一种积分加速度计。弦丝张力受材料特性和温度影响较大,因此需要有精密温控装置和弦丝张力调节机构。

加速度计摆式积分陀螺

利用自转轴上具有一定摆性的双自由度陀螺仪来测量加速度的仪表。陀螺转子的质心偏离内环轴,形成摆性。如果转子不转动,陀螺组件部分基本上是一个摆式加速度计。当沿输入轴(即陀螺外环轴)有加速度作用时,摆绕输出轴(即内环轴)转动,使轴上的角度传感器输出信号,经放大后馈送到外环轴力矩电机,迫使陀螺组件绕外环轴移动,在内环轴上产生一个陀螺力矩。它与惯性力矩平衡,使角度传感器保持在零位附近。陀螺组件绕外环轴转动的角速度正比于输入加速度,转动角度的大小就是输入加速度的积分,即速度值。通常在外环轴上安装一个脉冲输出装置,用以得到加速度计测量的加速度和速度信息:脉冲频率表示加速度;脉冲总数表示速度。这种加速度计靠陀螺力矩来平衡惯性力矩,它能在很大的量程内保持较高的测量精度,但结构复杂、体积较大、价格较贵。
分类介绍
加速度计的类型较多: 按检测质量的位移方式分类有线性加速度计(检测质量作线位移)和摆式加速度计(检测质量绕支承轴转动); 按支承方式分类有宝石支承、挠性支承、气浮、液浮、磁悬浮和静电悬浮等; 按测量系统的组成形式分类有开环式和闭环式; 按工作原理分类有振弦式、振梁式和摆式积分陀螺加速度计等; 按输入轴数目分类,有单轴、双轴和三轴加速度计; 按传感元件分类,有压电式、压阻式和电位器式等。 通常综合几种不同分类法的特点来命名一种加速度计。
优点特点
优异的偏差稳定性
  环境性能好(冲击,振动和温度)
  低成本
  低电压模拟输出
  过电保护
  LCC48
  集成温度传感器
性能指标

  [1]:按照IEEE 1293-1998 12.3.8的规定在20℃时测量48小时;测量前稳定1小时。
  [2]:1年稳定性根据IEEE 528-2001定义为:上电/上电,存储于-55℃和85℃,在-40℃~125℃之间T循环,-55℃~85℃掉电干扰、振动和冲击。
  [3]: 温度系数指在-40~20℃范围内,在此范围内输出表现典型值呈线性。
  [4]:带宽定义为灵敏度降低小于3dB的频率范围。