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加速度計 (accelerometer) 測量加速度的儀表。加速度測量是工程技術(shù)提出的重要課題。當(dāng)物體具有很大的加速度時,物體及其所載的儀器設(shè)備和其他無相對加速度的物體均受到能產(chǎn)生同樣大的加速度的力,即受到動載荷。欲知動載荷就要測出加速度。其次,要知道各瞬時飛機、火箭和艦艇所在的空間位置,可通過慣性導(dǎo)航(見陀螺平臺慣性導(dǎo)航系統(tǒng))連續(xù)地測出其加速度,然后經(jīng)過積分運算得到速度分量,再次積分得到一個方向的位置坐標(biāo)信號,而三個坐標(biāo)方向的儀器測量結(jié)果就綜合出運動曲線并給出每瞬時航行器所在的空間位置。再如某些控制系統(tǒng)中,常需要加速度信號作為產(chǎn)生控制作用所需的信息的一部分,這里也出現(xiàn)連續(xù)地測量加速度的問題。能連續(xù)地給出加速度信號的裝置稱為加速度傳感器。

常見加速度計的構(gòu)件如下:外殼(與被測物體固連)、參考質(zhì)量,敏感元件、信號輸出器等。加速度計要求有一定量程和精確度、敏感性等,這些要求在某種程度上往往是矛盾的。以不同原理為依據(jù)的加速度計,其量程不同(從幾個g到幾十萬個g),它們對突變加速度頻率的敏感性也各不相同。常見的加速度計所依據(jù)的原理有:①參考質(zhì)量由彈簧與殼體相連(見圖),它和殼體的相對位移反映出加速度分量的大小,這個信號通過電位器以電壓量輸出;②參考質(zhì)量由彈性細(xì)桿與殼體固連,加速度引起的動載荷使桿變形,用應(yīng)變電阻絲感應(yīng)變形的大小,其輸出量是正比于加速度分盤大小的電信號;③參考質(zhì)量通過壓電元件與殼體固連,質(zhì)量的動載荷對壓電元件產(chǎn)生壓力,壓電元件輸出與壓力即加速度分量成比例的電信號:④參考質(zhì)量由彈簧與殼體連接,放在線圈內(nèi)部,反映加速度分量大小的位移改變線圈的電感,從而輸出與加速度成正比的電信號。此外,尚有伺服類型的加速度計,其中引入一個反饋回路,以提高測量的精度。為了測出在平面或空間的加速度矢量,需要兩個或三個加速度計,各測量一個加速度分量。

角加速度計的原理類似加速度計,它的外盒裝在轉(zhuǎn)動物體上,由于角加速度,在參考質(zhì)量上產(chǎn)生切向動載荷,可輸出與切向加速度或角加速度大小成比例的信號。隨被測運動物體和測量要求的不同,加速度計有各種原理和實現(xiàn)方式。如在飛行器上,有按陀螺原理設(shè)計的陀螺加速度儀等。

測量運載體線加速度的儀表。測量飛機過載的加速度計是最早獲得應(yīng)用的飛機儀表之一。飛機上還常用加速度計來監(jiān)控發(fā)動機故障和飛機結(jié)構(gòu)的疲勞損傷情況。在各類飛行器的飛行試驗中,加速度計是研究飛行器顫振和疲勞壽命的重要工具。在飛行控制系統(tǒng)中,加速度計是重要的動態(tài)特性校正元件。在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中,高精度的加速度計是最基本的敏感元件之一。不同使用場合的加速度計在性能上差異很大,高精度的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)要求加速度計的分辨率高達(dá)0.001g,但量程不大;測量飛行器過載的加速度計則可能要求有10g的量程,而精度要求不高。

加速度計由檢測質(zhì)量(也稱敏感質(zhì)量)、支承、電位器、彈簧、阻尼器和殼體組成。檢測質(zhì)量受支承的約束只能沿一條軸線移動,這個軸常稱為輸入軸或敏感軸。當(dāng)儀表殼體隨著運載體沿敏感軸方向作加速運動時,根據(jù)牛頓定律,具有一定慣性的檢測質(zhì)量力圖保持其原來的運動狀態(tài)不變。它與殼體之間將產(chǎn)生相對運動,使彈簧變形,于是檢測質(zhì)量在彈簧力的作用下隨之加速運動。當(dāng)彈簧力與檢測質(zhì)量加速運動時產(chǎn)生的慣性力相平衡時,檢測質(zhì)量與殼體之間便不再有相對運動,這時彈簧的變形反映被測加速度的大小。電位器作為位移傳感元件把加速度信號轉(zhuǎn)換為電信號,以供輸出。加速度計本質(zhì)上是一個一自由度的振蕩系統(tǒng),須采用阻尼器來改善系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)。

閉環(huán)液浮擺式

它的工作原理是:當(dāng)儀表殼體沿輸入軸作加速運動時,檢測質(zhì)量因慣性而繞輸出軸轉(zhuǎn)動,傳感元件將這一轉(zhuǎn)角變換為電信號,經(jīng)放大后饋送到力矩器構(gòu)成閉環(huán)。力矩器產(chǎn)生的反饋力矩與檢測質(zhì)量所受到的慣性力矩相平衡。輸送到力矩器中的電信號(電流的大小或單位時間內(nèi)脈沖數(shù))就被用來度量加速度的大小和方向。擺組件放在一個浮子內(nèi),浮液產(chǎn)生的浮力能卸除浮子擺組件對寶石軸承的負(fù)載,減小支承摩擦力矩,提高儀表的精度。浮液不能起定軸作用,因此在高精度擺式加速度計中,同時還采用磁懸浮方法把已經(jīng)卸荷的浮子擺組件懸浮在中心位置上,使它與支承脫離接觸,進(jìn)一步消除摩擦力矩。浮液的粘性對擺組件有阻尼作用,能減小動態(tài)誤差,提高抗振動和抗沖擊的能力。波紋管用來補償浮液因溫度而引起的體積變化。為了使浮液的比重、粘度基本保持不變,以保證儀表的性能穩(wěn)定,一般要求有嚴(yán)格的溫控裝置。

撓性擺式

采用撓性支承的擺式加速度計。擺組件用兩根撓性桿與儀表殼體連接。撓性桿繞輸出軸的彎曲剛度很低,而其他方向的剛度很高。它的基本工作原理與液浮擺式加速度計類似。這種系統(tǒng)有一高增益的伺服放大器,使擺組件始終工作在零位附近。這樣撓性桿的彎曲很小,引入的彈性力矩也微小,因此儀表能達(dá)到很高的精度。這類加速度計有充油式和干式兩種。充油式的內(nèi)部充以高粘性液體作為阻尼液體,可改善儀表動態(tài)特性和提高抗振動、抗沖擊能力。干式加速度計采用電磁阻尼或空氣膜阻尼,便于小型化、降低成本和縮短啟動時間,但精度比充油式低。

振弦式

由兩根相同的弦絲作為支承的線性加速度計。兩根弦絲在永久磁鐵的氣隙磁場中作等幅正弦振動。弦絲的振動頻率與弦絲張力的平方根成比例。不存在加速度作用時,兩根弦絲的張力相等,振動頻率也相等,頻率差等于零。當(dāng)沿輸入軸有加速度作用時,作用在檢測質(zhì)量上的慣性力使一根弦絲的張力增大,振動頻率升高;而另一根弦絲的張力則減小,振動頻率降低。儀表中設(shè)有和頻控制裝置,保持兩根弦絲的振動頻率之和不變。這樣兩根弦絲的振動頻率之差就與輸入加速度成正比。這一差頻經(jīng)檢測電路轉(zhuǎn)換為脈沖信號,脈沖頻率與加速度成正比,而脈沖總數(shù)與速度成正比,因此這種儀表也是一種積分加速度計。弦絲張力受材料特性和溫度影響較大,因此需要有精密溫控裝置和弦絲張力調(diào)節(jié)機構(gòu)。

擺式積分陀螺

利用自轉(zhuǎn)軸上具有一定擺性的雙自由度陀螺儀來測量加速度的儀表。陀螺轉(zhuǎn)子的質(zhì)心偏離內(nèi)環(huán)軸,形成擺性。如果轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)動,陀螺組件部分基本上是一個擺式加速度計。當(dāng)沿輸入軸(即陀螺外環(huán)軸)有加速度作用時,擺繞輸出軸(即內(nèi)環(huán)軸)轉(zhuǎn)動,使軸上的角度傳感器輸出信號,經(jīng)放大后饋送到外環(huán)軸力矩電機,迫使陀螺組件繞外環(huán)軸移動,在內(nèi)環(huán)軸上產(chǎn)生一個陀螺力矩。它與慣性力矩平衡,使角度傳感器保持在零位附近。陀螺組件繞外環(huán)軸轉(zhuǎn)動的角速度正比于輸入加速度,轉(zhuǎn)動角度的大小就是輸入加速度的積分,即速度值。通常在外環(huán)軸上安裝一個脈沖輸出裝置,用以得到加速度計測量的加速度和速度信息:脈沖頻率表示加速度;脈沖總數(shù)表示速度。這種加速度計靠陀螺力矩來平衡慣性力矩,它能在很大的量程內(nèi)保持較高的測量精度,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大、價格較貴。

加速度計的類型較多:

按檢測質(zhì)量的位移方式分類有線性加速度計(檢測質(zhì)量作線位移)和擺式加速度計(檢測質(zhì)量繞支承軸轉(zhuǎn)動);

按支承方式分類有寶石支承、撓性支承、氣浮、液浮、磁懸浮和靜電懸浮等;

按測量系統(tǒng)的組成形式分類有開環(huán)式和閉環(huán)式;

按工作原理分類有振弦式、振梁式和擺式積分陀螺加速度計等;

按輸入軸數(shù)目分類,有單軸、雙軸和三軸加速度計;

按傳感元件分類,有壓電式、壓阻式和電位器式等。

通常綜合幾種不同分類法的特點來命名一種加速度計。

優(yōu)異的偏差穩(wěn)定性

環(huán)境性能好(沖擊,振動和溫度)

低成本

低電壓模擬輸出

過電保護(hù)

LCC48

集成溫度傳感器

1、按照IEEE 1293-1998 12.3.8的規(guī)定在20℃時測量48小時;測量前穩(wěn)定1小時。

2、1年穩(wěn)定性根據(jù)IEEE 528-2001定義為:上電/上電,存儲于-55℃和85℃,在-40℃~125℃之間T循環(huán),-55℃~85℃掉電干擾、振動和沖擊。

3、溫度系數(shù)指在-40~20℃范圍內(nèi),在此范圍內(nèi)輸出表現(xiàn)典型值呈線性。

4、帶寬定義為靈敏度降低小于3dB的頻率范圍。