角加速度计

测量方法

测量角加速度的方法，从原理上讲可以是多种多样的，如纯机械式的、电磁机械式的、物理的、化学的、光学的甚至放射线式的等等，而每种方法都可以制成不同结构及性能的角加速度传感器。

测量对象

按照测量对象分，角加速计可分为x及Y两人类。x类是指测量某一个旋转物体的相对角加速度信息的，这类角加速度传感器的特点是：从结构上看，它可以严格地分成两个组成部分，其中之一是安装在参考物体(选为参考点)上，而另一部分则是安装在作旋转运动的被测物体上。而Y类角加速度传感器则是测量旋转物体相对于绝对窄间(惯性空间为参考点)角加速度信息，此类传感器直接安装在被测物体上。因此x及Y类角加速度传感器的根本区别体现在参考点的选取上。

测量方法

按照测量方法分类，角加速度计可分成直接测量法和间接测量法。

直接测量法就是直接测量角加速度数值，间接测量法采用微分电路或微分计算算法对角速度信号进行微分处理来得到角加速度。在间接测量法中，角加速度可以对角位移或角速度信号进行模拟或数字微分电路后处理来得到。对微分器有两个重要的要求，即它们必须有足够的噪声衰减和足够短的延迟特性。在实时控制或保护性监控应用中．延迟特性是极为重要的，在这些应用中系统要求对参考信号或反馈信号有足够短的响应时闻。然而，微分过程固有的噪声放大特性要求在信导处理之前，需要对噪声信号进行高频噪声滤波处理。当噪声信号和原始信号的带宽完全分开时．仅仅噪声衰减是容易做到的。如果对这种噪声衰减过程所带来的时间延迟有严格的时间限制(如面：实时控制或监控应用中)，这个过程会变得更为困难。间接加速度测量方法中令人头痛的噪声放大问题驱使人们寻找直接的角加速度测量方法。

发展现状

1992年，Godler等报导了一种角加速度传感器，这种角加速度传感器能单独检测角加速度信息，而不依赖角速度信号，并且该加速度计对载体的旋转角度没有限制。这种角加速度传感器采用机械光电传感装置感应角加速度，并用于机器人装置的电机控制和振动控制。

1995年Funlkawa等人报导了一种压阻角加速度传感器。这是报导最早的采用微细加工方法截造的角加速度计，即MEMs角加速度计。这种微传感器采用硅的微细加工方法制造，并且传感器的机械部分和检测控制电路集成在一起。

1995年，Raid Lassow等人报道了一种采用铁磁性无定形线制作的角加速度计。在这种角加速度计中，高磁阻无定形线具有磁应力效应。当惯性质量体引起无定形线产生扭转应力时，在无定形线的端部会产生由外界输入角加速度调制的Macteucci电压，通过对Macteucci电压进行处理就能得到外界输入的角加速度数值。

1996年，NASA/戈达德窄问飞行中心联合马里兰大学在研究超导重力梯度仪的基础上川，提出一种超导角加速度计，其单轴检测精度达到10rad/(s．)。在该装置中有一个金属铌标准质量块，标准质量通过扭转弹簧与封装壳体相联接。工作温度为9.2K，在此温度下Niobium呈现超导性能。外界输入角加速度会使标准质量产生成比例的角位移，并且由于超导的Meissner效应，与标准质量块很近的超导线圈电感量发生改变。

1998年，德国研究人员采用栅干涉原理来测量角加速度、角速度和角位移。它们开发了两种栅干涉仪：一种基于homodyne技术，另外一种基于hetemdyne技术。

1999年，葡萄牙人Rosa Mara-Mendes等针对PvDF和聚合物陶瓷复合材料研究了两种压电角加速度传感器，并比较这两种材料制成的角加速度计的性能特点。。试验结果表明，PvDF比聚合物陶瓷复合材料制成的角加速度计具有更小的误差比例，试验还表明陶瓷复台材料角加速度计的测量值要比理论值小。

2000年，日本人JunMizuno报导了体硅微加工角加速度计，这种角加速度计采用mems工艺制造，能够同时检测线加速度和角加速度  。

上海交通大学的陆爱珍等人报道了一种液浮飞轮式精密角加速度计。这种角加速度计的传感部分由飞轮子、角度传感器、力矩器、支承部件、浮液、温控装置、导电游丝和密封壳体等部件构成。

北京自动控制设各研究所的周蜜等人研究了一种新型的液环式角加速度计。这种角加速度计主要由基准板、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。

哈尔滨工程大学自动化学院的迟晓珠等人提出了一种力平衡压阻式角加速度传感器，在开环压阻式角加速度计的基础上，他们对敏感质量环进行力反馈，提出闭环力平衡系统的设计方案。经试验验证，力平衡压阻式角加速度计具有灵敏度高、阂值小、成本低、抗 固8用于硬盘驱动的角加速度计冲击能力好等优点 。

角加速度计的应用

汽车工业

汽车工业的发展要求在汽车上安装越来越多的翻车抑制装置，以保护车上的乘员的安全。例如，一旦检测至翻车情况发生的时候．弹射棒可以在垂直方向弹起，它的惯性力可以减小车身的翻转加速度。一些汽车上还安装了多个安全气囊、侧面窗帘以及安全带预紧装置。当检测到危险情况将要发生时，这些安全装置需要及时启动，以削弱这些不安全因素对车上乘员的人身伤害。

为了及时布置抑制装置，需要时刻检测车身的动态运动，来判断是否需要采取安全措施。目前，由线加速度传感器和角速率传感器组成的翻车预警检测装置可以很好地工作，然而仍然存在一些危险情况它们不能及时预知。例如车身的侧向打滑以及在公路上的凸起等情况需要提前进行判断，如果等到车身已经达到预警角度或角速度再启动抑制装置，可能会为时已晚。通过对角加速度的测量可以能够弥补现有预警装置的不足，提前判断危险状况是否发生。对角速度传感器检测到的角速度信号进行时问微分可以得到角加速度，然而微分装置不仅会增加系统的复杂性，而嗣还会放太高频噪声所带来的误差，显然不是很好的选择。角加速度传感器能够直截测量车身的角加速度数值，会增加整个系统的可靠性 。

军事方面

随着高新技术在军事领域的广泛应用，在今后的战争中，双方面临的将是全方位、高强度、多批次的各种武器的联合作战。为了在复杂的作战环境中获得宝贵的时间，争取主动权，就必须缩短武器发射的反应时间，提高作战武器的机动性能。对战术导弹而言，为提高导弹的机动性能，缩短发射时间，就必须采用大扇面或全方位发射技术。一般战术导弹控制系统采用的是姿态控制的自动驾驶仪或简易惯导系统，即通过控制姿态角(俯仰角、航向角、滚动角)的变化来控制导弹的飞行状态。无论是采用自动驾驶仪还是简易惯导控制系统，都需使用陀螺仪作为角度传感器，而一般框架式陀螺的测量范围有限，角度过大将引起框架系统的锁定，导致导弹失稳。另外，仅根据装定扇面角来控制导弹转弯，无法控制导弹的法向过载，如转弯太急会导致法向过载超过设计指标要求。因此这类控制系统只能用于机动姿态有限的载体上，即用于飞行中不会同时绕两个轴出现大姿态角的载体中，因为此时无法满足战术导弹在全姿态、大机动状态下工作的要求。采用过载控制的捷联惯导控制系统可以解决这方面的不足。在过载控制的捷联惯导控制系统中，过载速率的测量则是通过安装在弹体轴上的角加速度计来实现的。利用角加速度计和线加速度计组成的捷联惯导系统对导弹进行稳定和控制，较好地实现了导弹从90°直至180°的几种大扇面角发射。

航空肮天

在新型小卫星姿态控制技术中，采用角加速度计来测量小卫星高姿态抖动。星跟踪器和角加速度计(高带宽0 .1～1000Hz)两个传感器的输出在混合电路中进行数据融合，提供宽带范围内的姿态抖动测量的估值，用于抑制小卫星姿态的残余抖动，保证卫星的视轴精确定向稳定精度;同时，加速度计的输出通过坐标变换后作为反馈信号加到反射镜回路，以改善定向稳定精度。安装在小卫星上的角加速度计成为它有效载荷的一部分。

其他方面

角加速度计还可以用于人体运动及关节动力学的分析、虚拟现实、石油勘探、地震监测等领域。国外已经出现用一个角加速度计和两个线加速度计组成惯导方案，以替代陀螺，降低成本和提高精度。角加速度传感器，除应用于控制系统中，还大量地应用在测试方面，如飞机的机动性能测试，交通工具的启动及刹车性能的测试。在研究汽车碰撞时对驾驶员及乘客的冲击情况，则常将传感器装在头部或人身上的所要关心的部位。在精密机械设各中，通过测量齿轮的角加速度来研究齿轮传动装置的传动系统的平稳性，研究汽轮机组及钻机的扭震，检测工作母机上刀具的颤振及断裂。

未来发展趋势

对角加速度传感器的研究目前朝两个方向发展。一个发展方向是采用MEMS技术对传感器进行微型化，MEMS角加速度计能够将传感部件与检测控制电路集成在一起，从而它的体积小、重量轻、性能可靠。这种角加速度计已经成功应用于硬盘防冲击、防振动前向反馈控制系统中，并且在汽车驾驶安全控制、卫星姿态控制、飞弹运动控制等领域有着很大的潜在市场。目前。国内外对MEMS角加速度计的研究远远没有MEMS线加速度计那么广泛，还不能得到高分辨率的角加速度传感器。另一个发展方向是采用传统加工方法应用新型的测量原理，如超导效应，米提高角加速度计的分辨率，从而将其应用于空间实验中的重力梯度分析等领域。这种传感器虽然能得到极高的分辨率，但它的体积大，制造费用昂贵，角加速度测量范围以及频率带宽较窄。目前．牲卫星的姿态及防抖控制、天线的稳定控制、机器人手臂运动控制以及一些测试系统动力学控制等领域，要求重量轻、体积小、分辨率高、测量范围广、频带宽的角加速度计。