大学控制器件-杨益强-大学教学资料课件PPT
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第3章 力与惯性传感器 3.1 力传感器 3.2 加速度表 3.3 陀螺仪 3.1 力传感器 3.1.1 力-位移转换装置 第3章 力与惯性传感器弹簧或弹片带动位置传感器，使得位置传感器输出的电信号能够反映压力的大小和方向。 采用的转换装置一般是弹簧或弹片。弹簧或弹片的变形量与所受的压力存在一定的函数关系，压力越大，变形量也越大。 1. 固体压力-位移转换装置 3.1.1 力-位移转换装置 2. 液体压力-位移转换 测量液体压力时，在结构上必须考虑敏感压力的弹片与安装基座之间的密封性。 测量液体压力一般采用弹片，再用位置传感器测量弹片的变形量。 第3章 力与惯性传感器 2. 液体压力-位移转换 滑油压力表 第3章 力与惯性传感器3.1.1 力-位移转换装置 2. 液体压力-位移转换 弹性金属弯管的截面为椭圆形，当弹性金属弯管内部压力大于外部压力时，弹性弯管发生形变，使椭圆形截面变圆并使弯管变直。 第3章 力与惯性传感器3.1.1 力-位移转换装置 3. 气体压力-位移转换 膜盒由表面呈波纹状的金属弹片制成。当膜盒内外存在压力差时，弹片就会发生形变，其形变量表现为中心点的位移。 密封的膜盒内部抽成真空，称为真空膜盒。气压高度表第3章 力与惯性传感器3.1.1 力-位移转换装置 3. 气体压力-位移转换 膜盒内部通入一定压力的气体、膜盒外部为另一空间范围的气体，这种膜盒称为开口膜盒，用来将膜盒内外的压力差转换成位移量 。空速表第3章 力与惯性传感器3.1.1 力-位移转换装置3.1.2 压电传感器 1. 电阻应变片 金属电阻应变片是在片状弹性材料中嵌入电阻丝。当受到外力作用发生形变时，使嵌入的电阻丝被拉伸，其电阻值发生相应变化。 第3章 力与惯性传感器 1. 电阻应变片 半导体电阻应变片的工作原理是利用半导体材料的压阻效应，即半导体材料的导电率随外部压力而变化的特性，通过电阻值的大小来反映应变片的受力情况。 半导体电阻应变片与电阻丝应变片相比，具有体积小、灵敏度高和频率响应范围宽等优点，灵敏度一般为金属应变片的50100倍。 第3章 力与惯性传感器3.1.2 压电传感器 1. 电阻应变片 测量电阻应变片的电阻值，一般采用两种形式：一种是电位器的形式，即将电源电压通过分压电阻后加到应变电阻上；另一种方法是电桥测量法，即将应变电阻和固定电阻组成电桥。 补偿温度误差的方法一般是根据温度变化，调整加在应变片或测量电桥上的电源电压。 第3章 力与惯性传感器3.1.2 压电传感器 1. 电阻应变片 第3章 力与惯性传感器3.1.2 压电传感器 2. 压电晶体和压电陶瓷 （1）压电效应 正压电效应：材料受到外力的作用下发生形变，在其两个表面产生极性不同的电荷，外力消失后，又回到不带电荷的状态。 逆压电效应：材料在外部电场作用下极化，会产生机械变形，外部电场消失后，机械变形也随之消失。 第3章 力与惯性传感器3.1.2 压电传感器 3.1.2 压电传感器 2. 压电晶体和压电陶瓷 （2）压电晶体 过晶体两端六棱锥中心的连线为z轴，称为晶体的光轴。过一条棱线且垂直于光轴的x轴称为电轴，同时垂直于光轴z和电轴x的y轴称为机械轴。第3章 力与惯性传感器3.1.2 压电传感器 2. 压电晶体和压电陶瓷 （2）压电晶体 未受外力作用时，带有4个正电荷的硅离子和2个带有2个负电荷的氧离子正好分布在正六边形的顶角上，电偶极矩P1、P2、P3的矢量和等于零，所以晶体表面不产生电荷。 第3章 力与惯性传感器3.1.2 压电传感器 2. 压电晶体和压电陶瓷 （2）压电晶体 受到沿x轴方向的压力作用时，会产生压缩变形，正、负离子的相对位置随之变动，正、负电荷中心不再重合，表面A上带负电荷，表面B上带正电荷。 第3章 力与惯性传感器3.1.2 压电传感器 2. 压电晶体和压电陶瓷 （2）压电晶体 受到沿x轴方向的拉力作用时，会产生拉伸变形，情况与在x轴方向施加压力相反，表面A带正电荷，表面B带负电荷。第3章 力与惯性传感器3.1.2 压电传感器 2. 压电晶体和压电陶瓷 （2）压电晶体 在x轴施加外力而在垂直于x轴的晶面上产生电荷的现象，就是“纵向压电效应”。 第3章 力与惯性传感器3.1.2 压电传感器 2. 压电晶体和压电陶瓷 （2）压电晶体 在y轴方向施加外力而在垂直于x轴的晶面上产生电荷的现象，就是“横向压电效应”。横向压电效应与纵向压电效应产生电荷的晶面相同；横向压力作用下的压电效应，等于纵向拉力作用下的压电效应。 第3章 力与惯性传感器 2. 压电晶体和压电陶瓷 （3）压电陶瓷 压电陶瓷相当于人造多晶体，一组多晶体构成一个电畴，用外部电场对其极化后，存在剩余极化强度，在外力作用下产生放电现象。压电晶体和压电陶瓷可以等效为一个电压源和一个电容串联，或者是一个电流源与一个电容并联。 第3章 力与惯性传感器3.1.2 压电传感器 2. 压电晶体和压电陶瓷 （4）压电传感器的使用 在使用压电晶体和压电陶瓷时，一般采用一个输入阻抗很高的放大器，对其反映压力的电压信号进行放大。 如果在压电晶体和压电陶瓷的两个电极板上加交流电，压电片会产生机械振荡，并且有很稳定的谐振频率。第3章 力与惯性传感器3.1.2 压电传感器 2. 压电晶体和压电陶瓷 （4）压电传感器的使用 第3章 力与惯性传感器3.1.2 压电传感器 3.1.3 压频传感器 压频传感器是一种把压力信号转换成频率信号的传感器，用来精确地测量气体压力。 第3章 力与惯性传感器 脉冲频率的测量：选择一个频率已知的稳定高频脉冲作为基准，用被测脉冲作为计数器的控制脉冲，用一个被测脉冲周期内记录的高频脉冲数，计算出被测脉冲的频率。 第3章 力与惯性传感器3.1.3 压频传感器 为了减小测量误差，一般记录多个被测脉冲周期的基准脉冲数，来计算其平均值。 第3章 力与惯性传感器3.1.3 压频传感器 为了减小测量误差，一般记录多个被测脉冲周期的基准脉冲数，来计算其平均值。 由于振动筒的谐振频率还与温度有关，因此，在厂家生产传感器时，针对每个传感器都测量出了温度补偿数据，保存在EPROM中。使用时，读出温度补偿数据进行温度补偿。 第3章 力与惯性传感器3.1.3 压频传感器 3.2 加速度表 加速度表根据牛顿第二定律来测量加速度。 质量块在惯性力的作用下运动，使弹簧变形，当弹力与惯性力相平衡时，质量块停止运动，其位移就反映了被测加速度。 3.2.1 加速度表基本原理第3章 力与惯性传感器3.2 加速度表 加速度表根据牛顿第二定律来测量加速度。 质量块在惯性力的作用下运动，使弹簧变形，当弹力与惯性力相平衡时，质量块停止运动，其位移就反映了被测加速度。 3.2.1 加速度表基本原理第3章 力与惯性传感器3.2 加速度表 输入轴加速度产生的惯性力矩使摆组件偏离平衡位置，信号器输出信号经控制电路处理后，使力矩器产生平衡力矩与惯性力矩相等，力矩器的控制电流与加速度成正比。 控制电路信号器力矩器输出aF=ma 3.2.2 液浮摆式加速度表a第3章 力与惯性传感器3.2 加速度表 为了消除正交轴方向加速度的影响，通过调整控制电路的开环增益，使加速度表工作在“零位”状态，摆组件的偏角很小。控制电路信号器力矩器输出a 3.2.2 液浮摆式加速度表第3章 力与惯性传感器3.2 加速度表 3.2.2 液浮摆式加速度表 液浮的作用是减小转轴上的摩擦力矩，缩小死区。 为了改善加速度表的动态性能，在转轴上一般还加有阻尼器。 控制电路信号器力矩器输出a第3章 力与惯性传感器3.2 加速度表 3.2.3 挠性加速度表第3章 力与惯性传感器3.2 加速度表 m为摆组件质量 L为等效摆长ke为挠性支承弹性系数 ks为信号器传递系数ka为放大电路放大倍数 kt为力矩器传递系数Rs为信号输出电阻 Rs为固定输出电阻 3.2.3 挠性加速度表第3章 力与惯性传感器3.2 加速度表 与带轴承的加速度表比较，挠性加速度表有如下明显的特点：第一，无支承摩擦力矩。第二，浮液及温控要求较低。第三，结构简单，工艺性好，成本低。 3.2.3 挠性加速度表第3章 力与惯性传感器3.2 加速度表 加速度产生的惯性力使得悬臂粱产生应力变形。硅梁根部的扩散电阻条的阻值发生变化，使电桥失衡，输出相应的电信号。 3.2.4 硅微加速度表第3章 力与惯性传感器3.2 加速度表 3.2.4 硅微加速度表第3章 力与惯性传感器3.2 加速度表 加速度表测量水平姿态 在静止状态，加速度表测量的是重力加速度在其输入轴上的分量，这样，就可以得到输入轴线与地垂线之间的夹角。 G输入轴第3章 力与惯性传感器3.2 加速度表 第3章 力与惯性传感器3.3 陀螺仪 3.3.1 陀螺仪基本特性 三自由度陀螺：陀螺转子支承在内框上，内框支承在外框上。陀螺的自转轴可以在空间任意改变方向，即具有三个自由度。 第3章 力与惯性传感器3.3 陀螺仪 3.3.1 陀螺仪基本特性 三自由度陀螺的定轴性（稳定性）：当陀螺转子高速旋转时，在没有外力矩作用的情况下，其自转轴的方向相对惯性空间保持不变的特性。 第3章 力与惯性传感器13.2 陀螺仪 3.3.1 陀螺仪基本特性 三自由度陀螺的定轴性（稳定性）：当陀螺转子高速旋转时，在没有外力矩作用的情况下，其自转轴的方向相对惯性空间保持不变的特性。 第3章 力与惯性传感器3.3 陀螺仪 3.3.1 陀螺仪基本特性 表观运动第3章 力与惯性传感器3.3 陀螺仪 3.3.1 陀螺仪基本特性 三自由度陀螺的进动性：当在三自由度陀螺的一个框架轴上施加外力矩时，陀螺自转轴会绕另一个框架轴改变方向的特性。 MG=MMG第3章 力与惯性传感器3.3 陀螺仪 3.3.1 陀螺仪基本特性 MG=MMG第3章 力与惯性传感器3.3 陀螺仪 3.3.1 陀螺仪基本特性 第3章 力与惯性传感器3.3 陀螺仪 3.3.1 陀螺仪基本特性 陀螺转子自转动量矩： 陀螺力矩： 第3章 力与惯性传感器3.3 陀螺仪 3.3.1 陀螺仪基本特性 当陀螺仪的框架轴上受到瞬时干扰力矩作用时，陀螺自转轴在稳定位置附近作圆锥运动，这种运动称为陀螺仪的章动。 在三自由度陀螺的一个框架轴上施加外力矩，陀螺自转轴会绕另一个框架轴稳定进动。 陀螺仪的章动也是稳定性的一种表现形式。陀螺转子的转动惯量越大、自转角速度越高，陀螺仪的稳定性越好。 第3章 力与惯性传感器3.3 陀螺仪 3.3.2 机械框架式陀螺仪 在万向支架的两个框架轴上，都加装一个力矩器（或电动机）和一个信号器（角度传感器），就构成一个三自由度机械框架陀螺仪。 1、三自由度陀螺 第3章 力与惯性传感器3.3 陀螺仪 3.3.2 机械框架式陀螺仪 利用陀螺定轴性，测量载体角运动的角度。 1、三自由度陀螺 利用陀螺的进动性，通过在框架轴上施加控制力矩，来控制陀螺自转轴的方向。 第3章 力与惯性传感器3.3 陀螺仪 3.3.2 机械框架式陀螺仪 利用陀螺定轴性，测量载体角运动的角度。 1、三自由度陀螺 第3章 力与惯性传感器3.3 陀螺仪 3.3.2 机械框架式陀螺仪 1、三自由度陀螺 航空地平仪第3章 力与惯性传感器3.3 陀螺仪 3.3.2 机械框架式陀螺仪 液体开关控制陀螺自转轴水平；1、三自由度陀螺 陀螺自转轴方向不变，外框轴稳定飞机航向信号。磁航向稳定系统第3章 力与惯性传感器3.3 陀螺仪 3.3.2 机械框架式陀螺仪 1、三自由度陀螺 陀螺罗盘第3章 力与惯性传感器3.3 陀螺仪 3.3.2 机械框架式陀螺仪 1、三自由度陀螺 陀螺磁罗盘第3章 力与惯性传感器3.3 陀螺仪 3.3.2 机械框架式陀螺仪 1、三自由度陀螺 陀螺磁罗盘第3章 力与惯性传感器3.3 陀螺仪 3.3.2 机械框架式陀螺仪 陀螺框架轴上存在干扰力矩时，会使陀螺的自转轴产生进动，而使陀螺自转轴的方向偏离初始稳定位置，这种现象称为陀螺的漂移。 1、三自由度陀螺 陀螺仪的漂移率（简称漂移），是指在没有输入信号的情况下，单位时间内陀螺仪输出信号的变化量（角度），单位是度/小时。 第3章 力与惯性传感器3.3 陀螺仪 3.3.2 机械框架式陀螺仪 在同时垂直于陀螺自转轴和内框轴的方向（输入轴）上存在角速度时，陀螺力矩会使得内框带动陀螺的自转轴一起绕内框轴转动。 2、二自由度陀螺 第3章 力与惯性传感器3.3 陀螺仪 3.3.2 机械框架式陀螺仪 当力矩器产生的力矩与陀螺力矩相平衡时，其电流就能够反映被测角速度。 2、二自由度陀螺 第3章 力与惯性传感器3.3 陀螺仪 3.3.2 机械框架式陀螺仪 如果把速率陀螺仪中的力矩器换成阻尼器，就构成了速率积分陀螺仪。 2、二自由度陀螺 第3章 力与惯性传感器3.3 陀螺仪 3.3.2 机械框架式陀螺仪 转弯仪 2、二自由度陀螺 第3章 力与惯性传感器3.3 陀螺仪 3.3.2 机械框架式陀螺仪 第3章 力与惯性传感器3.3 陀螺仪 3.3.3 挠性陀螺仪 第3章 力与惯性传感器3.3 陀螺仪 转子 3.3.3 挠性陀螺仪 外缘向下延伸成环形凹槽圆盘。外缘凹槽由永磁材料制成，是信号器和力矩器磁路的一部分。转子中心与挠性接头相连接。第3章 力与惯性传感器3.3 陀螺仪 转子 3.3.3 挠性陀螺仪 挠性接头为整体式的动力调谐式挠性接头，由内、外扭杆和平衡环构成。 挠性接头第3章 力与惯性传感器3.3 陀螺仪 转子 3.3.3 挠性陀螺仪 采用较高频率（4001500赫）的电源，电机设计成多对极。 挠性接头 驱动电机第3章 力与惯性传感器3.3 陀螺仪 转子 3.3.3 挠性陀螺仪 挠性接头 驱动电机 信号器 第3章 力与惯性传感器3.3 陀螺仪 转子 3.3.3 挠性陀螺仪 挠性接头 驱动电机 信号器 第3章 力与惯性传感器3.3 陀螺仪 转子 3.3.3 挠性陀螺仪 挠性接头 驱动电机 信号器 力矩器 第3章 力与惯性传感器3.3 陀螺仪 3.3.3 挠性陀螺仪 消除了影响陀螺仪性能的摩擦等干扰因素 体积小、重量轻、结构简单 可靠性好 工作准备时间短 成本较低第3章 力与惯性传感器3.3 陀螺仪 3.3.3 挠性陀螺仪 第3章 力与惯性传感器3.3 陀螺仪 3.3.4 光学陀螺仪 Sagnac效应：在任意几何形状的闭合光路中，一对光波沿相反方向运行一周后又回到该观察点时，这对光波的相位差（或光程差）与闭合光路相对于惯性空间的转动速率成正比。第3章 力与惯性传感器3.3 陀螺仪 3.3.4 光学陀螺仪 第3章 力与惯性传感器3.3 陀螺仪 3.3.4 光学陀螺仪 激光陀螺的闭锁：当输入角速度小于一个临界值L时，激光陀螺会没有信号输出。这是由于光路中存在散射和不均匀损耗等干扰因素引起的。 第3章 力与惯性传感器3.3 陀螺仪 3.3.4 光学陀螺仪 消除激光陀螺闭锁：给激光陀螺人为施加一个速率已知的转动角速度，再从测量结果中扣除人为施加的偏频量，就可以得到被测角速度。 第3章 力与惯性传感器3.3 陀螺仪 3.3.4 光学陀螺仪 四频差动激光陀螺二频机抖激光陀螺第3章 力与惯性传感器3.3 陀螺仪 3.3.4 光学陀螺仪 光纤陀螺：一般采用相位测量法，通过测量正反两束光的相位差，来测量陀螺基座（载体）的转动角速度。由于光纤可以多匝环绕来增大闭合光路的面积，因此具有体积小、重量轻的特点。 第3章 力与惯性传感器 采取质心偏置或力矩控制方式，使陀螺自转轴相对水平真北方向的圆锥运动(表观运动)快速收敛，陀螺自转轴最终停在真北方向，从而指示出真北方向。1、陀螺罗经 第3章 力与惯性传感器3.3 陀螺仪 3.3.5 陀螺仪的应用 陀螺仪作为平台稳定系统的敏感元件，测量平台相对其稳定位置的偏角，与平台的电子线路、稳定电机等组成平台稳定控
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