基本介紹

加速度計(jì)(accelerometer)測(cè)量加速度的儀表。加速度測(cè)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(shí)，物體及其所載的儀器設(shè)備和其他無(wú)相對(duì)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(dòng)載荷。欲知?jiǎng)虞d荷就要測(cè)出加速度。其次，要知道各瞬時(shí)飛機(jī)、火箭和艦艇所在的空間位置，可通過(guò)慣性導(dǎo)航(見(jiàn)陀螺平臺(tái)慣性導(dǎo)航系統(tǒng))連續(xù)地測(cè)出其加速度，然后經(jīng)過(guò)積分運(yùn)算得到速度分量，再次積分得到一個(gè)方向的位置坐標(biāo)信號(hào)，而三個(gè)坐標(biāo)方向的儀器測(cè)量結(jié)果就綜合出運(yùn)動(dòng)曲線并給出每瞬時(shí)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(hào)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(cè)量加速度的問(wèn)題。能連續(xù)地給出加速度信號(hào)的裝置稱為加速度傳感器。

常見(jiàn)加速度計(jì)的構(gòu)件如下：外殼(與被測(cè)物體固連)、參考質(zhì)量，敏感元件、信號(hào)輸出器等。加速度計(jì)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(jì)，其量程不同(從幾個(gè)g到幾十萬(wàn)個(gè)g)，它們對(duì)突變加速度頻率的敏感性也各不相同。常見(jiàn)的加速度計(jì)所依據(jù)的原理有：①參考質(zhì)量由彈簧與殼體相連(見(jiàn)圖)，它和殼體的相對(duì)位移反映出加速度分量的大小，這個(gè)信號(hào)通過(guò)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(dòng)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(hào)；③參考質(zhì)量通過(guò)壓電元件與殼體固連，質(zhì)量的動(dòng)載荷對(duì)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(hào)：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(hào)。此外，尚有伺服類型的加速度計(jì)，其中引入一個(gè)反饋回路，以提高測(cè)量的精度。為了測(cè)出在平面或空間的加速度矢量，需要兩個(gè)或三個(gè)加速度計(jì)，各測(cè)量一個(gè)加速度分量。

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

測(cè)量運(yùn)載體線加速度的儀表。測(cè)量飛機(jī)過(guò)載的加速度計(jì)是最早獲得應(yīng)用的飛機(jī)儀表之一。飛機(jī)上還常用加速度計(jì)來(lái)監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)故障和飛機(jī)結(jié)構(gòu)的疲勞損傷情況。在各類飛行器的飛行試驗(yàn)中，加速度計(jì)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(jì)是重要的動(dòng)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(jì)是最基本的敏感元件之一。不同使用場(chǎng)合的加速度計(jì)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(jì)的分辨率高達(dá)0.001g，但量程不大；測(cè)量飛行器過(guò)載的加速度計(jì)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(jì)由檢測(cè)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(cè)質(zhì)量受支承的約束只能沿一條軸線移動(dòng)，這個(gè)軸常稱為輸入軸或敏感軸。當(dāng)儀表殼體隨著運(yùn)載體沿敏感軸方向作加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)牛頓定律，具有一定慣性的檢測(cè)質(zhì)量力圖保持其原來(lái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變。它與殼體之間將產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使彈簧變形，于是檢測(cè)質(zhì)量在彈簧力的作用下隨之加速運(yùn)動(dòng)。當(dāng)彈簧力與檢測(cè)質(zhì)量加速運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力相平衡時(shí)，檢測(cè)質(zhì)量與殼體之間便不再有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這時(shí)彈簧的變形反映被測(cè)加速度的大小。電位器作為位移傳感元件把加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，以供輸出。加速度計(jì)本質(zhì)上是一個(gè)一自由度的振蕩系統(tǒng)，須采用阻尼器來(lái)改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。

工作原理

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(yùn)動(dòng)時(shí)，檢測(cè)質(zhì)量因慣性而繞輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)，傳感元件將這一轉(zhuǎn)角變換為電信號(hào)，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(cè)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(hào)（電流的大小或單位時(shí)間內(nèi)脈沖數(shù)）就被用來(lái)度量加速度的大小和方向。擺組件放在一個(gè)浮子內(nèi)，浮液產(chǎn)生的浮力能卸除浮子擺組件對(duì)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(jì)中，同時(shí)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(duì)擺組件有阻尼作用,能減小動(dòng)態(tài)誤差,提高抗振動(dòng)和抗沖擊的能力。波紋管用來(lái)補(bǔ)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(jì)。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(jì)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(jì)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(dòng)態(tài)特性和提高抗振動(dòng)、抗沖擊能力。干式加速度計(jì)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(dòng)時(shí)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(jì)。兩根弦絲在永久磁鐵的氣隙磁場(chǎng)中作等幅正弦振動(dòng)。弦絲的振動(dòng)頻率與弦絲張力的平方根成比例。不存在加速度作用時(shí)，兩根弦絲的張力相等，振動(dòng)頻率也相等,頻率差等于零。當(dāng)沿輸入軸有加速度作用時(shí),作用在檢測(cè)質(zhì)量上的慣性力使一根弦絲的張力增大，振動(dòng)頻率升高；而另一根弦絲的張力則減小，振動(dòng)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(dòng)頻率之和不變。這樣兩根弦絲的振動(dòng)頻率之差就與輸入加速度成正比。這一差頻經(jīng)檢測(cè)電路轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，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(jì)。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(jī)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(lái)測(cè)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(dòng)，陀螺組件部分基本上是一個(gè)擺式加速度計(jì)。當(dāng)沿輸入軸（即陀螺外環(huán)軸）有加速度作用時(shí)，擺繞輸出軸（即內(nèi)環(huán)軸）轉(zhuǎn)動(dòng)，使軸上的角度傳感器輸出信號(hào)，經(jīng)放大后饋送到外環(huán)軸力矩電機(jī)，迫使陀螺組件繞外環(huán)軸移動(dòng)，在內(nèi)環(huán)軸上產(chǎn)生一個(gè)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(dòng)的角速度正比于輸入加速度，轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)脈沖輸出裝置，用以得到加速度計(jì)測(cè)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(jì)靠陀螺力矩來(lái)平衡慣性力矩，它能在很大的量程內(nèi)保持較高的測(cè)量精度，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大、價(jià)格較貴。

分類介紹

加速度計(jì)的類型較多：

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

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(cè)量系統(tǒng)的組成形式分類有開(kāi)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(jì)等；

按輸入軸數(shù)目分類，有單軸、雙軸和三軸加速度計(jì)；

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(diǎn)來(lái)命名一種加速度計(jì)。

優(yōu)點(diǎn)特點(diǎn)

優(yōu)異的偏差穩(wěn)定性

1.環(huán)境性能好（沖擊，振動(dòng)和溫度）

2.低成本

3.低電壓模擬輸出

4.過(guò)電保護(hù)

5.LCC48

6.集成溫度傳感器

性能指標(biāo)

1：按照IEEE1293-199812.3.8的規(guī)定在20℃時(shí)測(cè)量48小時(shí)；測(cè)量前穩(wěn)定1小時(shí)。

2：1年穩(wěn)定性根據(jù)IEEE528-2001定義為：上電/上電，存儲(chǔ)于-55℃和85℃，在-40℃~125℃之間T循環(huán)，-55℃~85℃掉電干擾、振動(dòng)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。