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加速度计
概述

    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。

基本原理

    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

    1、闭环液浮摆式
    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。
    2、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。
    3、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。
    4、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。

仪器分类

    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。

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