加速度計:測量運載體線加速度的儀表-中文百科頻道

基本介紹

加速度計 (accelerometer) 測量加速度的儀表。加速度測量是工程技術提出的重要課題。當物體具有很大的加速度時，物體及其所載的儀器設備和其他無相對加速度的物體均受到能産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，可通過慣性導航(見陀螺平台慣性導航系統)連續地測出其加速度，然後經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标信号，而三個坐标方向的儀器測量結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。再如某些控制系統中，常需要加速度信号作為産生控制作用所需的信息的一部分，這裡也出現連續地測量加速度的問題。能連續地給出加速度信号的裝置稱為加速度傳感器。

常見加速度計的構件如下：外殼(與被測物體固連)、參考質量，敏感元件、信号輸出器等。加速度計要求有一定量程和精确度、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的原理有：①參考質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，這個信号通過電位器以電壓量輸出；②參考質量由彈性細杆與殼體固連，加速度引起的動載荷使杆變形，用應變電阻絲感應變形的大小，其輸出量是正比于加速度分盤大小的電信号；③參考質量通過壓電元件與殼體固連，質量的動載荷對壓電元件産生壓力，壓電元件輸出與壓力即加速度分量成比例的電信号：④參考質量由彈簧與殼體連接，放在線圈内部，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号。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，它的外盒裝在轉動物體上，由于角加速度，在參考質量上産生切向動載荷，可輸出與切向加速度或角加速度大小成比例的信号。随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方式。如在飛行器上，有按陀螺原理設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用的飛機儀表之一。飛機上還常用加速度計來監控發動機故障和飛機結構的疲勞損傷情況。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。在飛行控制系統中，加速度計是重要的動态特性校正元件。在慣性導航系統中，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，高精度的慣性導航系統要求加速度計的分辨率高達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。

基本模型

加速度計由檢測質量（也稱敏感質量）、支承、電位器、彈簧、阻尼器和殼體組成。檢測質量受支承的約束隻能沿一條軸線移動，這個軸常稱為輸入軸或敏感軸。當儀表殼體随着運載體沿敏感軸方向作加速運動時，根據牛頓定律，具有一定慣性的檢測質量力圖保持其原來的運動狀态不變。它與殼體之間将産生相對運動，使彈簧變形，于是檢測質量在彈簧力的作用下随之加速運動。當彈簧力與檢測質量加速運動時産生的慣性力相平衡時，檢測質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号轉換為電信号，以供輸出。加速度計本質上是一個一自由度的振蕩系統，須采用阻尼器來改善系統的動态品質。

工作原理

閉環液浮擺式

它的工作原理是：當儀表殼體沿輸入軸作加速運動時，檢測質量因慣性而繞輸出軸轉動，傳感元件将這一轉角變換為電信号，經放大後饋送到力矩器構成閉環。力矩器産生的反饋力矩與檢測質量所受到的慣性力矩相平衡。輸送到力矩器中的電信号（電流的大小或單位時間内脈沖數）就被用來度量加速度的大小和方向。擺組件放在一個浮子内，浮液産生的浮力能卸除浮子擺組件對寶石軸承的負載，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,能減小動态誤差,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定，一般要求有嚴格的溫控裝置。

撓性擺式

采用撓性支承的擺式加速度計。擺組件用兩根撓性杆與儀表殼體連接。撓性杆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。這樣撓性杆的彎曲很小,引入的彈性力矩也微小,因此儀表能達到很高的精度。這類加速度計有充油式和幹式兩種。充油式的内部充以高粘性液體作為阻尼液體，可改善儀表動态特性和提高抗振動、抗沖擊能力。幹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。當沿輸入軸有加速度作用時,作用在檢測質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。這一差頻經檢測電路轉換為脈沖信号，脈沖頻率與加速度成正比，而脈沖總數與速度成正比，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節機構。

擺式積分陀螺

利用自轉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。陀螺轉子的質心偏離内環軸，形成擺性。如果轉子不轉動，陀螺組件部分基本上是一個擺式加速度計。當沿輸入軸（即陀螺外環軸）有加速度作用時，擺繞輸出軸（即内環軸）轉動，使軸上的角度傳感器輸出信号，經放大後饋送到外環軸力矩電機，迫使陀螺組件繞外環軸移動，在内環軸上産生一個陀螺力矩。它與慣性力矩平衡，使角度傳感器保持在零位附近。陀螺組件繞外環軸轉動的角速度正比于輸入加速度，轉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，它能在很大的量程内保持較高的測量精度，但結構複雜、體積較大、價格較貴。