（机械工程专业论文）高精度加速度计优化设计.pdf

高精度加速度计优化设计 专业：机械工程 学生签字；砍 小阻，_ 指导教师签字：淞凡 加速度计是惯性制导武器系统关键器件之一。由于武器系统工作环境恶劣， 并且要求具备快速反应能力、远程精确打击能力、全天候工作能力以及满足武器 小型化的发展要求。因此，要求加速度计具有抗高过载性好，温度误差小，长期 稳定性好，体积小和质量轻等特点。 本论文针对上述要求进行了研究。首先，对加速度计总体结构进行了研究， 深入分析了影响加速度计测量精度的主要因素。其次，通过对加速度计摆组件结 构的研究，对加速度计进行了紧凑性设计，减小了加速度计体积，解决了加速度 计大量程、高分辨率及抗高过载等技术难题。最后，对力矩器进行了设计，提高 了加速度计的稳定性和非线性，并利用磁路的热补偿减少了温度误差。 通过大量的加速度计性能测试试验和对试验结果的分析，证明本文中设计的 样机满足指标要求。 关键词：加速度计；摆组件；悬丝；力矩器 o p t i m u md e s i g no fh i g ha c c u r a c ya c c e l e r o m e t e r d i s c i p l i n e ：m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g s t u d e n ts i g n a t u r e ：纵嘞惦 s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ： a b s n a c t t h ea c c e l e r o m e t e ri so n eo fk e yd e v i c e si n i n e r t i a lg u i d a n c ew e a p o ns y s t e m t h e w o r ke n v i r o n m e n to ft h es y s t e mi sv e r yb a d a n dt h es y s t e mm u s th a v et h ec a p a b i l i t i e s o fq u i c kr e s p o n s e s ，l o n g r a n g ep r e c i s i o nh i t ，a l l - w e a t h e ro p e r a t i o n m o r e o v e r , i tm u s t m e e tt h en e e do fm i n i a t u r i z a t i o n s oi tm u s th a v ec h a r a c t e r i s t i co fg o o da n t i - h i g h o v e r l o a d ，s m a l lt e m p e r a t u r ee r r o r , g o o dl o n g t e r ms t a b i l i t y , s m a l lc a p a c i t ya n dl i g h t m a s s ，a n ds oo n f o rt h e s ed e m a n d s ，s o m er e s e a r c hw a ss t u d i e d f i r s t l y , t h ew h o l es t r u c t u r eo f a c c e l e r o m e t e rw a s r e s e a r c h e d ，a n di m p o r t a n tf a c t o r sa f f e c t i n gp r e c i s i o no f a c c e l e r o m e t e rw e r e a n a l y z e dt h o r o u g h l y s e c o n d l y , t h e s t r u c t u r eo fa c c e l e r a t o r p e n d u l u mw a s s t u d i e d o nb a s i so fi t s ，t h ec o m p a c t d e s i g nw a sd o n e ，a n dc a p a c i t yw a s r e d u c e d a n ds o m eq u e s t i o n sw e r es o l v e d ，s u c ha sl a r g e - s c a l e ，h i g hd i s t i n g u i s h a b i l i t y , a n t i - h i g h o v e r l o a d a tl a s t ，t o r q u e rw a sd e s i g n e d s t a b i l i t ya n dn o n l i n e a ro f a c c e l e r o m e t e rw a si n c r e a s e d t e m p e r a t u r ee r r o rw a sr e d u c e db yt h e r m a lc o m p e n s a t i o n o f m a g n e t i cc i r c u i t b ym a n ya p t i t u d et e s t so fa c c e l e r o m e t e ra n da n a l y s i so ft e s tr e s u l t s ，i tp r o v e st h a t t h em o d e lm a c h i n es a t i s f i e sd e m a n d s k e yw o r d s ：a c c e l e r o m e t e r ；p e n d u l u m ；s u s p e n s i o nw i r e ；t o r q u e r 西安工业大学工程硕士学位论文 学位论文知识产权声明 本人完全了解两安工业大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在攻读工程硕士学 位期间学位论文工作的知识产权属于中国兵器工业第二0 三研究所和西安工业大学。本人 保证毕业后，使用学位论文工作成果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为中 国兵器工业第二0 三研究所和西安工业大学。大学有权保留送交的学位论文复印件，允许 学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保留学位论文。 学位论文作者签名：致伽恒一 指导教师签名：娜 日期：训- 0 7t z t 4 7 西安工业大学工程硕士学位论文 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师 指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的成果，不包含本人已申请学位或他人 已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：磊欠沪1 红 、 指导教师签名： 1 绪论 1 1 引言 l绪论 世界战争格局的变化促使武器系统正向远程精确打击方向发展，武器系统现在肩负着 对地、对空或对海上固定或活动目标的攻击任务。武器系统对目标的精确打击需要对其进 行精确导航制导。 导航方式有无线电导航、卫星导航、惯性导航、组合导航等。其中，惯性导航在自主 性、抗干扰性和输出参数的全面性等方面有着其它导航技术无法比拟的优点，使其成为武 器系统导航制导的主要方式。惯性导航系统又分为平台式和捷联式，但它们的核心器件都 是由基于牛顿力学的加速度计和陀螺仪等惯性器件组成。在捷联式惯导系统中，惯性器件 直接安装在载体上，输出信息是载体相对于惯性空间的测量信息；平台式惯导系统需要一 套复杂的平衡环机构、导电滑环以及与此相连的伺服机构。与平台式惯导系统相比较，捷 联式惯导系统省掉了复杂的机电平台，减小了体积、质量、功耗，提高了可靠性。因此， 捷联式惯导系统被广泛应用于武器系统的导航制导中【1 】【2 】【3 】【4 】【5 】。 武器系统作战过程中，装在载体内部的惯导系统为运动中的载体提供加速度、速度、 姿态、角速度和位置信息。控制系统根据这些参数对载体的姿态等进行控制，确使武器能 命中目标。因此，惯性器件是导航制导和控制系统中的关键部件，其性能的优劣直接影响 武器系统的命中精度。 1 1 1 加速度计在惯导系统中的重要性 利用载体上安装的加速度计和陀螺输出的信息计算出载体的姿态、速度、位置，从而 求得载体运动轨道( 载体的运动速度和距离) 来进行导航，称为惯性导航。在运动载体上 安装加速度计，用它来测量载体运动的加速度，经过计算求得运动轨道，并且产生对载体 运动所需要的控制信号，控制载体按要求弹道运动，称为惯性制导。惯性导航和惯性制导 能够输出各种导航信息为运动载体提供精确的姿态，是一种自主性强、精度高、安全可靠 的导航系统，在航空、航天、航海等技术领域中有着极其广泛的应用【o j 。 在各种运动载体的导航定位中，通过测量载体位置、速度和加速度都可以得到运动载 体的运动轨迹，但是在运动载体内部测量的量值就只有加速度。惯性系统就是依据牛顿原 理，利用加速度计来测量运动载体的加速度，通过计算求得载体的速度和位置信号，它不 受外部无线电波的干扰，不需要与地面基地保持联系，不受气候的影响，不受磁差的影响， 也不需要外界的参考基准，是一种完全自主的导航系统。例如，美国在“阿波罗1 3 ”宇宙 飞船上成功地应用了捷联惯导系统。1 9 6 9 年在“阿波罗1 3 ”宇宙飞船飞往月球的途中，服 务舱的氧气系统爆炸使指令舱的电源遭到破坏。在危急情况下，正是依靠德雷珀实验室设 西安工业大学工程硕士学位论文 计的低功耗备份捷联惯导系统l m a s a ，才将飞船从离地3 6 万千米的空间引导到返回地 球的轨道上，安全地降落在太平洋上i 7 1 。 惯性导航、惯性制导技术在武器系统中的应用日益广泛。目前，惯性导航、惯性制导 技术不仅仅应用于传统的航空、航天( 导弹、卫星) 、舰船等武器系统中，其应用领域已 经扩大到战车、制导炸弹、智能炮弹、灵巧弹药、火箭弹等常规武器，形成精确打击武器。 现代战争是海空天立体作战，要求各军、兵种协同作战。对陆军而言，为在复杂的地 理环境和各种外界干扰条件下迅速地调动地面部队，有效地发挥地面火力，也需要精确的 定位和定向系统。于是惯导系统被应用到陆军炮兵联测和地面战车导航。坦克、装甲战车 等地面作战平台不仅应具有高机动能力和运动中射击能力，而且应随时掌握自身、友军、 敌军的位置，以便协同作战。自行火炮之类的作战车辆则必须能够频繁和随机地运动、停 止、快速瞄准和射击，然后迅速转移到新的射击阵地。这种作战方式要求地面作战平台具 有地面导航能力，能不断测量位置的变化，准确确定当前的位置，精确保持动态姿态基准。 美国2 0 世纪7 0 年代初期就开始考察地面导航的方法和技术。当时有人提出，考虑到无线 电导航系统可能受到干扰，g p s 卫星导航的空间飞行器易受攻击，因此地面导航应以自 主、独立的惯性导航系统为基础。8 0 年代中期以后，美国、英国、德国、法国和加拿大 等国研制生产了多种型号的地面导航系统，配用在自行榴弹炮、炮兵观察车、测地车、侦 察车、机动导弹发射架上。地面导航系统止逐渐成为各国地面作战平台配用的标准装置。 无论是惯性导航还是惯性制导都是利用加速度计来测量运动载体加速度，因此，加速 度计是惯性导航与惯性制导系统中的核心关键器件。h 海耳曼在美国“导航”杂志上曾指 出：“惯性导航系统的心脏是加速度计”，“在惯性导航系统中，陀螺仪的重要性仅次于加 速度计”f8 1 。 1 1 2 加速度计在惯导系统中的作用 1 ) 惯性平台的初始对准初始对准指的是惯导系统尚未进入导航状态以前，使平台 坐标系与力学编排方案所选定的理想坐标系重合，从而为导航系统提供所必需的初始信 息，惯性平台的初始对准是利用加速度计的信号进行的。当平台偏离水平位置时，平台上 安装的纵向和横向加速度计分别敏感重力加速度，利用加速度计的输出作为水平修正误差 信号加给平台伺服回路就可以完成平台的初始对准。 2 ) 横偏校正运动载体在飞行中，由于发动机推力不完全对称以及自然风向变化等 因素的影响，会使载体产生横向偏移，离开预定的运行轨道。在运动载体上安装一个横向 加速度计，就能够连续测最出运动载体的横偏加速度，然后进行一次积分和二次积分，把 横偏速度信号和横偏位置信号送到舵系统，通过负反馈组成横偏校正系统。当运动载体遇 到外界干扰后，横偏校正系统能使横偏速度接近于零，使横偏位置不大于要求值，以保证 惯导系统导航或制导的精度。 3 ) 测量距离( 或射程控制) 运动载体的距离测量、弹道式导弹发动机熄火时间的 o zo 西安工业大学工程硕士学位论文 控制以及某些战术导弹的射程控制都可以利用加速度计来进行测量和控制。在运动载体上 安装加速度计，运动载体飞行( 发射) 后，加速度计连续测量载体的加速度，通过模数转 换后送入数字计算机进行计算后得到实际飞行距离。当计算距离等于预先在计算机装订的 要求飞行距离时，计算机送出脉冲信号给指令放大器，控制发动机熄火( 或控制弹上末制 导设备开机) ，这样构成的距离测量系统、发动机熄火系统或者射程控制系统，可以提高 制导精度。 4 ) 调节发动机推力( 进行速度控制) 运动载体的飞行加速度主要取决于发动机的 推力。在运动载体上安装加速度计，用于敏感载体的飞行加速度，进行积分后得到载体的 飞行速度。将此飞行速度与预先要求的飞行速度相比较，就可用这个误差信号( 实际飞行 速度与要求飞行速度之差) 去调节发动机的推力，以此来改变载体的飞行速度，这样就构 成了运动载体的速度调节系统。 5 ) 在某些战术导弹的惯导系统中，还可实现扇面机动发射。 6 ) 其他应用加速度计除了作为惯导系统的关键器件外，还广泛地应用于大地测 量、地图绘制、海洋调查、地球物理勘探、管道铺设选线、石油钻井定位和机器人等要大 范围测量及精确定位系统中。随着近代工业机械化、自动化程度的提高，对工程测量的效 率和精度提出了新的要求。加速度计作为一种灵敏度高、稳定性好、抗干扰能力强、可靠 性高、使用方便的测量仪表，已逐渐被广泛应用一j 。 总之，加速度计作为惯导系统的关键元件，作为测量过程中的核心元件，集中体现了 现代科学技术的精华。随着科学技术中新原理、新材料、新技术的发展，也必然会促使加 速度计提高精度和可靠性，降低成本，扩大其应用领域。 1 2 国内外研究状况 二战时期德国科学家裴纳蒙德在v - 2 型火箭中沿火箭的纵轴方向安装了一个积分线 加速度计，它的输出端与火箭发动机的熄火装置相连，这样就可以根据火箭的加速度信号 来控制火箭发动机的熄火最终达到轨道控制的目的。这是世界上第一次实际使用惯性导航 和惯性制导系统。 1 2 1 伺服加速度计的典型类型 随着科学技术的不断发展，加速度计也在不断的发展和改进。按敏感质量的运动方式 可分为线加速度计和摆式加速度计，按输出是否带有积分装置可分为输出不带积分装置的 加速度计和积分加速度计，按测量系统的形式可分为开环加速度计和闭环加速度计( 伺服 加速度计) 。伺服加速度计按活动系统的支承方式又可分为宝石轴承摆式加速度计、液浮 支承加速度计、气浮支承加速度计、挠性支承加速度计，悬浮( 静电、永磁体) 加速度计， 按支撑材料的不同可分为轴承浮子、金属杆、石英摆、金属悬丝、半导体微硅摆加速度计， 3 西安工业大学工程硕士学位论文 按加矩方式可分为模拟加矩和脉冲加矩，按信号传感器的种类可分为电容式、电感式、振 弦式、压电式、压阻式，按活动系统的阻尼方式可分为空气阻尼、液体阻尼、电磁阻尼以 及混合阻尼加速度计【1 0 l 。 1 2 2 惯导系统中常用加速度计及其特点 在惯性导航和惯性制导系统中，常用的加速度计有宝石轴承摆式加速度计、液浮摆式 加速度计、金属杆( 石英摆) 伺服加速度计、悬丝单轴摆式加速度计、谐振式加速度计、 压电式加速度计、积分陀螺加速度计和硅微机械加速度计。 1 ) 宝石轴承摆式加速度计宝石轴承摆式加速度计是一种闭环摆式加速度计，其结 构示意图见图1 1 。仪表由摆组件、旋转变压器式信号传感器、永磁式力矩器、宝石支承 和上、下支架等组成。上、下支架用于安置力矩器磁路构件和宝石轴承座。摆组件由摆锤、 力矩器动线圈、小轴组成，其通过小轴支承在宝石轴承中，给加速度计提供一定的摆性。 在加速度的作用下，摆组件绕支承点产生角位移，经过差动变压器变换成电信号，再经过 放大器放大，通过力矩器控制活动系统使摆组件基本上工作在零位状态。力矩器的电流通 过采样电阻变换成与被测加速度成比例的电压输出信号【1 1 1 。 图1 1宝石轴承摆式加速度计结构示意图 为了减小轴承摩擦力矩对加速度计的影响，要在宝石轴承中注入仪表油。由于仪表油 的黏度随温度变化较大，所以这种加速度计温度误差较大；长时间工作稳定性不好。另外， 由于摆组件质量较大，所以量程小，抗过载能力差。这种加速度计的精度较低约为0 1 。 2 ) 液浮摆式加速度计液浮摆式加速度计是利用浮力平衡重力，反馈力矩平衡惯性 力矩的闭环力平衡式加速度传感器，其结构示意图见图1 2 。液浮摆式加速度计由摆组件、 信号传感器、力矩器、波纹管、壳体和温控装置组成。摆组件浸没在浮液中，浮液的密度 与摆组件的平均密度相等，使摆组件所受的浮力与其本身的重力相等，可以减小仪表宝石 轴承上的负载，使摩擦力矩减至最小。这样改善了仪表的阂值；同时，浮液对摆组件运动 提供了液体阻尼，这样既可以减小仪表的动态误差，又能提高其的抗振、抗冲击能力。当 4 西安工业大学工程硕士学位论文 机座有加速度时，浮予偏离原平衡位置，信号转子与浮子摆装在同一根轴上，信号器便输 出一个信号，经放大器放大后，给力矩器输入一个信号，当力矩器产生的力矩和加速度作 用在摆上产生的力矩相等时，浮子摆回到平衡位置。当系统平衡时，输出采样电阻上的压 降便输出与加速度成比例的信号。 这种加速度计的阈值和分辨率可以小于1 x 1 0 4 9 ，精度可达0 0 1 - - 0 0 2 ，满足高导 航精度的要求。这类仪表被充分利用在战略导弹、运载火箭、宇宙飞船等航天器的惯性导 o al p a 图1 2 液浮摆式加速度计结构示惹图 航系统中。但是由于此类仪表内腔注满液体，对使用环境温度要求严格；加装温控装置后， 其开始通电到达稳定需要很长的启动时间，这样不利于战术导弹的机动灵活要求。另外， 由于摆组件质量较大，所以量程小、抗高过载能力差；其还具有结构复杂，装配工艺要求 严格，体积大等缺点，不适合战术导弹惯性导航系统的技术要求。 3 ) 挠性摆式加速度计挠性摆式加速度计与液浮摆式加速度计的原理相同，都是力 平衡式加速度计，不同之处在于它利用由恒弹性材料做成的挠性元件支承，把轴承支承中 产生的库仑摩擦力矩变成了材料内部分子间的弹性力矩，从根本上消除了轴承支承所固有 的库仑摩擦力矩对仪表的影响。此类加速度计分为金属挠性杆式和石英摆式两种；而金属 挠性杆式加速度计又分为充油式和干式两种，其结构及工作原理见图1 3 和图1 4 。他们 的原理都是利用电容( 感) 的变化来敏感摆组件受加速度作用所造成的位移变化，通过伺 服电路将电容( 感) 的变化转化成施加在力矩器上的电流的变化，产生一个平衡力矩来平 衡被测加速度作用在摆组件上引起的惯性力矩，从而保证摆组件无位移，通过测量力矩器 上电流，实现加速度的测量【1 3 】【1 4 】。石英摆式加速度计结构及石英摆式加速度计工作原理 见图1 5 和图1 6 。 5 西安工业大学工程硕士学位论文 挠性摆式加速度计具有体积小、质量轻、结构简单、工艺性好、摆的体积小、转动惯 量低、时间常数小、动态性能好、可靠性高和高精度等特点，可以满足中等导航精度的要 求，已在惯性导航系统中广泛应用。但是，由于金属挠性杆式加速度计的摆组件质量相对 较大，其量程较小一般只有4 - 1 5 - - , a ：2 0 9 。对于石英摆式加速度计来说，由于石英和磁钢材 料的温度性能相差较大，使得其标度因数的温度系数较大，通常为1 6 1 0 4 ；另外，由于 石英较脆，使得其抗高过载能力较差，量程也较小( 一般为1 5 2 5g ) 。 图1 3 充油式金属挠性杆摆式加速度计结构图 图1 4 金属挠性摆式加速度计工作原理图 图1 5 石英摆式加速度计结构原理图图1 6 石英撰式加速度计工作原理图 4 ) 振弦式加速度计振弦式加速度计是利用弦丝谐振频率随其张紧程度变化而变 化的特性。其加速度测量原理是通过加速度计检测质量所受到的惯性力改变了弦丝张力， 从而改变了弦丝振动频率，谐振频率与输入的惯性力形成一定函数关系，谐振系统的谐振 频率受输入的惯性力调制；当输入的惯性力发生变化时，谐振系统的谐振频率也随之发生 变化。因采用谐振原理制成的，所以其输出为数字脉冲信号，不需要进行模数转换【1 4 】。 振弦式加速度计工作原理见图1 7 。振弦式加速度计结构简单，是一种比较理想的数字输 出加速度计。同时振弦式加速度计通常采用两根弦丝进行差动输出，起到了温度误差补偿 和非线性误差补偿的作用，提高了仪表的精度。其具有结构简单、抗过载性能高、量程大、 数字输出等特点，量程为5 0 7 0 9 ，标度因数为5 0 7 0 h z ，非线性误差为0 1 0 1 5 t 1 5 】。 6 - 西安工业大学工程硕士学位论文 输出 图1 7 振弦式加速度计原理图 但是其工作在非线性区域内并且是开环控制，在大量程范围内使用时，其非线性精 度不高。 5 ) 振梁式加速度计振梁式加速度计是在振弦式加速度计的基础上发展起来的另 一种谐振型式的加速度计。图1 8 示出了这种仪表的结构示意图。它有两个检测质量，分 别支撑在两个挠性支承上。每个检测质量又与各自的振梁传感器相连接，而振梁传感器的 另一端与仪表壳体相固联。振梁传感器的振动频率随石英梁所受应力的变化而变化，石英 梁受拉力时频率增大；石英梁受压力时频率减小。当加速度同时作用到两个检测质量上时， 加速度计的输出为两个石英梁的差频。这类加速度计具有结构简单、启动快、稳定性好、 可靠性高、标度因数低温度系数等优点。但其抗高过载能力较差，量程较小( 一般为1 5 2 5 g ) 。 巍空外，鼍 图1 8 振梁式加速度计结构示意图 6 ) 压电式加速度计压电式加速度计的检测质量与压电晶体相连，当敏感加速度 时，检测质量的惯性力矩加在压电晶体上，压电晶体输出与加速度计成比例的电压。在弹 簧质量系统中，高压缩的可以降低不稳定性。这种加速度计在很宽的量程范围内具有良好 的线性特性和高的频率响应，量程通常可以做到从几十个g 到几十万个g 甚至上百万个g ， 常用来测量高过载和振动加速度。 乃积分陀螺加速度计积分陀螺加速度计结构原理如图1 9 所示。图中二自由度陀 螺组合件置于外环的轴承内，而且在转子轴方向有不平衡质量m ，其臂长为1 。当不平衡 质量在加速度a y 和a z 的作用下，将产生一个力矩迫使陀螺组合件绕x x 轴转过一个角度 q x ，与陀螺组合件x x 轴相连接的信号传感器将输出一个与( p x 角成比例的电压信号，经 7 西安工业大学工程硕士学位论文 放大器放大后送至执行电机。电机转轴经减速器和陀螺组合件的外环相连接，电机转动时 带动外环y y 轴转动。由于外环转动而引起x x 轴向陀螺力矩，此力矩力图平衡检测质 量在加速度作用下所产生的惯性力矩。由于陀螺力矩与外环绕y - y 轴旋转的角速度成比 x 7 陵 i 轴 图1 9 积分陀螺加速度计结构原理 例，因此当陀螺力矩与惯性力矩相平衡时，外环的转速n 将与检测质黾所受的加速度成比 例，而外环在一定时间内的角位移则与加速度对时间积分的值，也即与速度成比例。 积分陀螺加速度计具有测量精度高、动态量程大、可以自动积分等优点，被广泛用于 弹道导弹和运载火箭的惯性导航系统中纵向加速度的测量。其缺点是结构复杂、体积大、 成本高、产量低。 8 ) 微机电传感器在微米纳米技术这一前沿技术背景下，惯性技术领域也经历着 深刻的变化，以集成电路工艺和微机械加工工艺为基础制作的各种微传感器和微机电系统 不断出现，微型惯性测量组合( m i m u ) 成为其中典型性、代表性的成果。1 9 7 7 年美国 斯坦福大学在世界上首先采用微加工技术制造出了一种开环硅加速度计，但这种产品的高 态范围、偏置及标度因数稳定性都比较差。在8 0 年代后半期，人们开始研究各种闭环力 平衡式硅微机械加速度计并取得了巨大进展。硅微机械加速度计有表面加工梳齿式电容加 速度计、体硅加工梳齿式电容加速度计、“跷跷板”摆式电容加速度计、“三明治”摆式电 容加速度计、l i g a 加工高精度电容加速度计、隧道电流型加速度计等多种形式，但硅微 机械加速度计都有敏感质量并基本上是挠性支承的1 1 6 i f l 7 】【1 8 j 【1 9 】【2 0 j 。硅微机械加速度计具有 成本低、体积小等优点；其缺点是温度系数大、频响高、精度低等，这样使其只能应用于 低精度惯性导航系统中。 8 西安工业大学工程硕士学位论文 1 3 课题的背景和意义 惯性导航、惯性制导技术在武器系统中的应用日益广泛。目前，惯性导航、惯性制导 技术不仅仅应用于传统的航空、航天( 导弹、卫星) 、舰船等武器系统中，其应用领域已 经扩大n 4 , 型制导弹药、制导炸弹、智能炮弹、智能引信、单兵作战系统、无人驾驶飞机 等武器装备中i 驯。 现代战争的作战方式、作战任务和作战环境对现代武器型号在高机动性、环境适应性 等方面提出了更高的要求，而这些性能则要求武器制导系统的量程、精度、可靠性等指标 有进一步的提高。由于制导系统的要求不断提高，作为惯性制导系统的关键器件，加速度 计的要求也不断提高，这着重表现在以下几个方面： 1 ) 大量程、高过载现代战争中各类战术导弹的射程不断增加，使其发动机的推力 不断提高，要求对导弹进行高g 值侵彻控制，所以要求加速度计具有大量程；同时，由于 导弹发射时的能量巨大，要求加速度计在高过载条件下能够正常工作。 2 ) 低功耗现代武器装备使用了越来越多的各种电子设备，而导弹本身的空间和有 效载荷是有限的，所以弹上的能源是极其有限的，因此，需要各个电子设备的功耗尽可能 的低，以保证弹上各部件工作正常，命中目标。 3 ) 宽温度使用范围随着新的惯性技术的发展和应用，为了提高武器系统的机动性 能和有效载荷，我国部分新型号武器的惯导系统不带温控装置，但是由于我国武器使用时 的环境温度范围极宽( 如5 0 - - - + 7 5 ) ，如果加速度计的标度因数不进行温度补偿， 那么由于温度变化而引起的加速度计的标度因数和偏值漂移，会直接影响惯导系统 的精度。目前，解决无温控惯导系统的温度漂移问题的方法有硬件补偿和软件补偿 二种方法。硬件补偿的方法主要是：在设计时除了选择温度性能稳定的材料、元器件及 工艺外，还根据加速度计的温度特性，用磁路补偿和电路补偿的方法进行温度补偿。软 件补偿的方法是：通过对加速度计在不同温度下校准，建立加速度计的数学模型及温度 模型，由武器惯导系统计算机根据使用时的实际温度，对加速度计进行实时补偿。 4 ) 高可靠性相对于平台式惯导系统来说，捷联式惯导系统在武器制导方面得到了 更广泛的应用。捷联式惯导系统由于取消了机械平台，减少了惯导系统中的机械零件，加 上捷联式惯导系统容易采用多敏感元件，实现多余度，因此捷联式惯导系统可靠性比平台 式惯导系统高。捷联式惯导系统较平台式维护简单，故障率低。国外作过统计，按1 0 0 套惯导系统计算，采用液浮陀螺的平台系统，故障率为每百万小时1 8 3 1 6 次，动力调谐 的平台系统故障率降到每百万小时9 5 5 6 次，改为捷联式惯导系统，故障率只有每百万小 时7 6 4 4 次【2 引。因此距有关资料报道，美国军用惯性导航系统在1 9 8 4 年全部为平台式， 到1 9 8 9 年已有5 0 改为捷联式，这个比例在近几年有了更大的提高。但是从动态环境的 角度来看，捷联式惯导系统的惯性器件的误差对系统误差的影响要比平台系统要大，而且 由于捷联惯导系统直接将惯性元件固连在运载体上，惯性元件测最范围要求大，工作环境 9 西安工业大学工程硕士学位论文 恶劣，要求苛刻，所以捷联式惯导系统对惯性器件的可靠性、精度等要求比平台系统高。 5 ) 体积小，结构简单，价格低廉随着武器装备的小型化及单兵制导武器装备越来 越多，就要求研制出体积小，结构简单，价格低廉的高精度仪表。 通过对国内外同类力平衡摆式加速度计产品的研究和分析，发现目前产品在未来惯性 制导系统应用中有以下几点制约。首先，分辨率小于5 x 1 0 4 9 ，非线性小于o 2 的高精度 加速度计量程一般为0 , - 硅2 5 9 ，满足不了大量程使用；其次，这类高精度仪表为了保证很 高的精度，对其敏感组件支承结构在输入轴方向设计地很灵敏，以减小干扰力矩形成的误 差对精度的影响，这样仪表在此方向上抗高过载的能力较差，满足不了抗高过载要求；第 三，由于这类仪表为了提高分辨率，将敏感质量设计的较大，所需要的平衡电流较大，标 度因数一般为1 2 m a g ，所以功耗较大；第四，温度误差较大及体积较大，结构复杂。 1 4 课题研究的主要内容 对于本课题，作者主要作了以下工作： 1 ) 通过进行理论分析和计算提高加速度计精度和量程，合理设计方案； 2 ) 建立悬丝单轴摆式加速度计输出特性数学模型，分析影响偏值、标度因数及其稳 定性的因素。实现k o 稳定性小于5 1 0 4 9 ，k l 在0 3 1m a g 0 3 3 m a g ，分辨率小于5 1 0 。4 9 ； 3 ) 通过研究材料特性及力学分析，选取合适的材料制作悬丝，提高抗过载能力； 4 ) 对加速度计的热性能进行分析，找出影响温度系数的因素。通过理论计算和试验 验证，实现k l 温度系数小于4 1 0 4 m a g 。c ； 5 ) 进行性能测试及试验分析，改进方案，设计出满足工程要求的样机。 1 0 - 2 悬丝单轴摆式加速度计总体设计 2 悬丝单轴摆式加速度计总体设计 悬丝单轴摆式加速度计的支承轴为悬丝，无支承摩擦力矩，提高了测量精度；这种支 承结构简单，工艺性好，便于加工、装配及具有高的抗过载能力；摆组件由线圈组成，体 积小、质量轻，转动惯量低，进入工况时间短，动态性能好；而且通过调节力矩器能量大 小，增加量程；测量系统均为金属结构件，性能稳定。这些特点使其成为捷联式惯导系统 加速度计的理想器件。 2 1 主要性能参数 1 ) 输入量程： 2 ) 偏值k 0 按不同的温度范围要求 a ) 在2 0 土2 时： b ) 在4 0 士2 时： c ) 在5 0 士2 时： 3 ) k o 短期稳定性 4 ) 偏值k o 在线性插值补偿后( 2 0 、一4 0 、5 0 ) 5 ) 标度因数k l a ) k l ( 重力场值9 8 0 6 6 5m s 2 ) b ) k l 短期稳定性： c ) k 1 长期稳定性： d ) k l 重复性： e ) k l 的温度系数： ( 在4 0 一- - 6 5 温度范围内测试) f ) k l 的非线性( e s ) ： 6 ) 分辨率： 7 ) 阈值： 8 ) 安装基准面精度： 9 ) 外形尺寸 1 0 ) 质量 士5 0g 4 1 0 。4 1 0 j g 一5 5 x 1 0 。5 5 1 0 。g 一5 1 0 。5 1 0 。g 5 x1 0 4 9 5 x 1 0 4 5 1 0 4 9 0 31m a g 0 3 3 m a g o 0 5 0 1 0 15 4 x 1 0 5m a g 。c 0 15 2 10 4 g 2 1 0 4g 5 7 3 5 m m 21m m x 2 3 m m 8 0 9 本课题研究的加速度计与同类力平衡摆式加速度计性能对照表见表2 1 。 表2 1 加速度计性能对照表 西安工业大学工程硕士学位论文 表2 1 ( 续) 加速度计性能对照表 项目悬丝摆式加速度计金属挠性加速度计石英挠性加速度计 工作温度范围 4 0 - - + 6 5 + 6 5 - 2 m 斗6 5 冲击过载 2 0 0g 5 0 95 0 9 外形尺寸 3 5 m m 2 l m m x 2 3 m m中3 5 m m 3 6 m m3 5 m m x 3 0 m m 质量 5 0 92 3 0 9 8 0g 由表2 1 可以看出本课题所研究的加速度计与国内外同类产品相比，具有大量程、高 分辨率、抗高过载、小体积、小质量和宽温度范围使用等特点。是一种适应未来惯性制导 武器系统发展的高精度惯性仪表。 2 2 悬丝单轴摆式加速度计工作原理 悬丝单轴摆式加速度计的工作原理是基于牛顿第二定律，其原理如图2 1 所示。 1 摆框架2 悬丝和玻璃管3 永磁铁4 涡流片 5 线圈6 。振荡器7 放大器8 电阻9 电容 图2 1悬丝单轴摆式加速度计结构原理图 其是利用惯性原理测量线加速度的力平衡式加速度计。它主要由测量位移的电感位移 传感器和敏感并平衡惯性力的力矩器及电源模块、信号变换模块组成。 1 2 西安工业大学工程硕士学位论文 由摆框架l ，悬吊摆框架的悬丝2 及放置摆框架的带有永磁铁3 的导磁体的空气隙所 组成是磁电式力矩传感器。摆框架是加速度计的敏感元件，并且具有一个自由度沿着 垂直于框架平面的敏感轴方向。在摆框架上刚性地固定着金属铁芯( 板材) ，即涡流片4 。 敏感元件的角位置传感器由2 个具有相同电感的对称线圈5 组成，该电感按推挽差动线路 连接到自激振荡器6 ( 变换器) 处。涡流片刚性固定在摆框架上，并且被放在对称线圈之 间。在没有加速度作用时，涡流片处于线圈的中间，在“0 ”平衡状态，线圈的对称性不受 破坏，在这种情况下，变换器的输出端没有直流电压。当有线性加速度作用到摆框架时， 使它离开平衡位置，产生力矩： m g = m x a x ( 2 1 ) 式中： m 广作用的惯性力矩( n m ) ； m 摆框架的惯性质量( k g ) ； a 作用的加速度( m s 2 ) ； 从转轴到摆框架质量中心的距离( m ) 。 当沿加速度计的输入轴方向有加速度a i 作用时，惯性力使摆组件发生偏转。安装在 摆框架上的涡流片与摆框架一起移动，这时线圈的对称被破坏，改变了它的电感量和q 值，在变换器输出端的直流电流分量取决于线圈参数的变化和正比于摆框架的偏转角。这 样，在m 。力矩的作用下，摆框架的偏转变换成了直流电信号。从变换器出来的信号加到 放大器7 上，经放大的信号又以直流形式加到摆框架，摆框架线圈中的电流与永磁铁的磁 场相互作用，产生反作用力矩m ，它阻碍了摆框架对平衡位置的偏离。 m = b xn x l ax i x l ( 2 2 ) 式中： b 永磁铁在空气隙中的磁感应强度( g s ) ； j 摆框架线圈的圈数； l 摆框架线圈的平均长度( m ) ； ，摆框架线圈中的电流( a ) ； l 力矩器的作用力臂( m ) 。 在平衡状态时 m = m 或三= 瓦m 瓦l ai = c 。瑚，- k ( 2 3 ) b n l ，l 这个量值说明直流加速度计的电流特性，称其为加速度计的电流斜率( 或标度因数， 用k 。表示) 。将电阻8 与接线柱串接时，我们可以得到正比于被测加速度的直流电压。 2 3 数学模型 悬丝单轴摆式加速度计的系统方框图，如图2 2 所示。 1 3 西安工业大学工程硕士学位论文 图2 2悬丝单轴摆式加速度计系统方框图 悬丝单轴摆式加速度计的原理框图，如图2 3 所示。 图2 3悬丝单轴摆式加速度计原理框图 图2 3 中： 彳( 伺服放大器输入干扰电压； 么( ，口_ 伺服放大器零位输出漂移： 口广沿摆轴的加速度； 伊一弹性恢复角，它是信号传感器电零位与摆组件机械零位间的夹角。当仪表闭 环工作时，电磁反馈力矩强行将摆组件拉到接近信号传感器的电零位，这时 在摆组件上将作用有弹性恢复力矩k h l 3 。 k r 负载系数； 1 k r2 赢 q 4 ) 式中： r f r 串联在力矩器线圈同路中的标准电阻，用以输出加速度计的测量值； 尺r 力矩器线圈电阻。 在单轴摆式加速度计中，是由力矩再平衡回路产生的力矩来平衡加速度所引起的摆性 力矩，在这种闭环工作状态下，摆组件的运动方程式为： 乡”+ c o + k ，k 。k ，0 = k 口a + m d ( 2 5 ) 1 4 西安工业大学工程硕士学位论文 式中： 。卜摆组件绕输出轴的转动惯量； c l 阻尼系数： 砭啦移传感器的放大系数； 一放大器的放大系数； 一力矩器的力矩系数； 忙摆组件绕输出轴的偏转角； 阮一摆性； 口r 沿输入轴的加速度； 坛r 一绕输出轴作用在摆组件的干扰力矩。 从图2 3 中可以得出输出电压u 和偏转角0 对输入加速度a i 的传递函数分别为： 型：墨墨丝! 整! 整旦 a i ( s ) , i s 2 + c s + ks kd k | 旦堕：垒 口，( s )i s 2 + c j + k ，k 。k r ( 2 6 ) ( 2 7 ) ，= 糍卜卅+ - - 去e ( m a + k h f l + 器+ 下k h a u ) 瑙卜击+ k h f l 4k h a u 。, + 半 眨8 ， k ：盟( 2 9 ) 。 k - i - k ，k 。k 月k ， 称为加速度计的标度因数。通常k h k ；k 。k rk 。，因此，k l 可以近似的用下式表示： k i 了k b ( 2 1 0 ) 1 k 。 将式( 2 7 ) 除以k i ，就可以得到加速度计的指示值 一丢飞坞钳去卜w + 卷+ 半 式中等号右边第一项是测得的输入加速度，第二项为交叉耦合误差，第三项为偏置误差。 由上式可见，引起加速度计的主要测量误差的原因有： 1 ) 标度因数k l 的稳定性误差和非线性误差； 2 ) 由于摆组件工作时的转角造成交叉耦合误差； 3 ) 各种干扰力矩m d 、弹性恢复力矩k 。等形成与输入加速度a i 无关的偏值误差。 一15 西安工业大学工程硕士学位论文 2 3 1 悬丝单轴摆式加速度计标度因数k i 的稳定性误差 加速度计系统各环节参数的变化对标度因数k l 都会产生不同的影响。公式( 2 9 ) 中， 对各环节参数求偏导数可得： 坐：一a k e t - 一l f 坐+ 鉴+ 一a k r 一一, m 2 h1 - 煎l 必，( 2 1 2 ) k ik b k h + ks k o kr k | ks k q k rk h ) kh + ks ko kr k | l 式中： k = 疋k ok r 局，称为系统的开环增益。 a k 1 一 k l 各环节参数变化是随机的，且是互不相关的， 或b k ：厮西丽 ( 2 1 3 ) 式中晔等，野等墙，= 等。 这样标度因数k l 的稳定性误差主要取决于摆性的变化和力矩器标度因数的不稳定 性。 a ) 摆性变化分析 摆性的变化不仅直接影响标度因数k l ，而且也会改变系统的动态特性。因此，悬丝 单轴摆式加速度计在工作过程和长期贮存中，应保持摆性恒定不变。引起摆性变化的主要 原因有： 1 ) 温度变化引起的摆组件形状的变化； 2 ) 摆组件结构材料的蠕变。 解决由上述两因素所引起误差的途径是： 1 ) 选用线胀系数小的材料作摆组件，使受温度变化的影响减至最小； 2 ) 在加工及装配过程中，对零件、组件和成品进行足够多次的高低温循环冲击试验。 实现加速时效、消除加工及装配过程产生的各种应力，使摆组件结构及内部金相达到稳定 状态，减小组件随时间温度变化而引起的蠕变。 b ) 力矩器标度因数的稳定性 力矩器标度因数的稳定性直接影响加速度计的工作精度，它取决于力矩器机械结构和 磁性能的稳定性。要提高机械结构的稳定性，主要是提高力矩器及仪表有关结构零件的刚 度，选用线膨胀系数小，而且彼此匹配的材料。提高磁性能的稳定性是指永久磁铁所建立 的工作气隙的磁感应强度b 6 随环境和时间的变化程度要尽可能的小。 一1 6 坐k坐k = 墼墨 以所 为 ， 一r 从 标 鄙 表 j 坚 耶 馗 于 坦l 由 乏 式 西安工业大学工程硕士学位论文 2 3 2 悬丝单轴摆式加速度计标度因数的非线性误差 加速度计标度因数的非线性误差主要是由摆组件结构的弹性变形和力矩器标度因数 的非线性所造成的。在装配时应使摆组件的质心和力矩器的加力中心调整到一致，可以显 著地减小由于组件结构的弹性变形引起的非线性误差。这样，力矩器的非线性便成为影响 加速度计标度因数的非线性误差的主要因素。 1 ) 工作气隙的磁感应b 6 分布不均由于工作气隙沿轴向在中间部分的b 6 最大，边 缘部分因漏磁的原因b 6 最小。当力矩器动线圈的位置变化时，由于b 6 位置不同，使力矩 器标度因数不是常数。 2 ) 由于通电的力矩器动线圈本身产生磁场 当动线圈在工作气隙中偏离了最大磁 导位置时，软磁零件和永久磁铁对动线圈产生力矩，称为磁阻性力矩，该磁阻性力矩为 m x ：c 厶：丢( m ) z 厶譬：一k 。，2 x ( 2 1 4 ) 式中： 弘蘸髻2 砑2 ； g r 工作气隙磁导； g ，力矩器漏磁导5 g ，一力矩器永久磁铁磁导； 一力矩器动线圈匝数； 卜力矩器极靴高度； 一力矩器动线圈中心到输f 轴的距离； 。卜力矩器动线圈偏离磁导最大位置的偏移量。 由公式( 2 1 4 ) 可见，作用于通电线圈的磁阻性力矩与电流的平方成正比，与线圈相 对最大磁导位置的偏移量成正比，其方向始终指向使x 减小的方向。 3 ) 通电的力矩器动线圈的磁场会使永久磁铁产生磁压降它对永久磁铁有部分磁 化或退磁作用，使得工作气隙磁感应发生a b 6 的变化，产生有害的附加力矩 a m = 2 ( a