加速度的测量课件

第五章加速度计3/24/20231§5.1加速度测量的基本原理

一加速度测量的力学原理与加速度计基本方程

弹簧

C阻尼Da稳态时：

其中：

3/24/20232§5.1加速度测量的基本原理

一加速度测量的力学原理与加速度计基本方程

对于近地空间的加速度计来说，只考虑检测质量块的相对位移同时受到重力的影响。

稳态时：

3/24/20233§5.1加速度测量的基本原理

二比力及比力计

在惯性坐标系中存在：

物体单位质量所受到的力，即物体在惯性空间中的加速度。3/24/20235§5.1加速度测量的基本原理

二比力及比力计

惯性参考系地心系比力计外壳检测质量m的运动微分方程为

3/24/20236§5.1加速度测量的基本原理

二比力及比力计

3/24/20237§5.1加速度测量的基本原理

二比力及比力计

理想的比力计沿敏感轴方向的输出是运载体的支持作用在比力计外壳上的非引力比力分量。即：比力计输出的只是非引力比力分量。3/24/20239§5.1加速度测量的基本原理

二比力及比力计

讨论：以地心系作为近似惯性参考系时所带来的误差

对时间取导：

地球相对惯性参考系的运动微分方程

3/24/202310§5.1加速度测量的基本原理

二比力及比力计

考虑:

3/24/202311§5.1加速度测量的基本原理

二比力及比力计

几种特殊情况：

当比力计沿地垂线自由下落时：当比力计静止不动时：

当比力计敏感轴垂直于地垂线时：

3/24/202313§5.1加速度测量的基本原理

三地球重力场

当载体在近地表面运动时，加速度计所敏感的比力为：

3/24/202314§5.1加速度测量的基本原理

三地球重力场载体相对于地球的运动速度

重力是地球的引力与因地球自转而产生的离心力的合力：

于是，在测量坐标系中：

3/24/202315§5.2摆式加速度计

单自由度无约束摆式加速度计是导航系统中最为常用的一种加速计。这种加速度计工作于闭环状态。液浮摆式加速度计挠性摆式加速度计硅微加速度计陀螺积分摆式加速度计3/24/202317§5.2摆式加速度计

一液浮摆式加速度计

液体悬浮技术成功应用于摆式加速度计与单自由度积分陀螺仪，是惯性技术发展史上的里程碑。液浮摆式加速度计已广泛应用于各类惯性系统中，并作为一种典型的加速度计仍在不断发展和使用。轴承具有较大的摩擦力矩，作为加速度计的摆和标定质量支承，限制了仪表的灵敏度，由于动摩擦力的大小和方向与摆的运动方向密切相关，具有典型的非线性和随机性质，补偿起来非常困难，也限制了仪表的精度。为此，发展了各种支承技术，如静压气体悬浮、静电悬浮、电磁悬浮、超导悬浮以及下面的液体悬浮技术。3/24/202318§5.2摆式加速度计

一液浮摆式加速度计

摆性的概念：当有单位重力加速度沿输入轴作用在摆组件上时，绕输出轴所产生的摆力矩由重力矩与浮力矩组成。

3/24/202319§5.2摆式加速度计

一液浮摆式加速度计

当沿仪表的输入轴有加速度输入时，加速度通过摆性将产生摆力矩作用在摆组件上，使其绕输出轴转动。通过信号器敏感摆组件绕输出轴相对壳体的偏转角，输出与偏转角成比例的电压信号，电压信号经伺服放大器后，转换为与电压成比例的电流信号，将电流输入力矩器，产生与电流成比例的力矩，并绕输出轴作用在摆组件上。稳态时，力矩器的输出力矩与摆力矩相平衡。此时，力矩器的施矩电流便与输入加速度成比例。通过采样电阻获得与输入加速度成比例的电压信号。3/24/202321§5.2摆式加速度计

一液浮摆式加速度计

3/24/202322§5.2摆式加速度计

一液浮摆式加速度计

由信号器、伺服放大器和力矩器所组成的回路，通常称为力矩再平衡回路(RebalanceLoop)

。所产生的力矩通常称为再平衡力矩。3/24/202323§5.2摆式加速度计

一液浮摆式加速度计

液浮摆式加速度计的运动方程：

xyx1y1o沿输入轴作用的加速度为：

若组件的偏角较大时，不仅会降低所要测量加速度的灵敏度，而且还会敏感正交加速度分量——交叉耦合效应。

3/24/202325§5.2摆式加速度计

一液浮摆式加速度计

xyx1y1o在液浮摆式加速度计中，力矩再平衡回路所产生的力矩与加速度产生的摆力矩相平衡，在这个闭合回路中，摆组件的动态运动方程为：

3/24/202326§5.2摆式加速度计

二挠性加速度计

挠性加速度计也是一种摆式加速度计。与液浮加速度计的主要区别在于：摆组件不是悬浮在液体中，而是弹性地连接在某种类型的挠性支承上。挠性支承消除了轴承的摩擦力矩，当摆组件的偏转角很小时，由此引入的微小的弹性力矩往往可以忽略不计。

3/24/202329§5.2摆式加速度计

二挠性加速度计

信号器定子输入轴信号器动圈力矩器磁钢力矩器线圈摆组件挠性支承壳体3/24/202330§5.2摆式加速度计

二挠性加速度计

摆组件的摆性：

3/24/202331§5.2摆式加速度计

二挠性加速度计

在挠性加速度计中，同样是由力矩再平衡回路所产生的力矩来平衡加速度所产生的摆力矩，为了抑制交叉耦合误差，力矩再平衡回路同样也必须是高增益的。除了液浮摆式加速度计中所提到的各项力矩外，作用在挠性加速度计摆组件上的力矩，增加了摆组件出现偏转角时挠性支承所产生的弹性力矩。3/24/202332§5.2摆式加速度计

二挠性加速度计

闭环工作条件下，采用与液浮摆式加速度计相同的坐标系定义，可以得到挠性加速度计摆组件的运动方程为3/24/202333§5.2摆式加速度计

二挠性加速度计

挠性加速度计的系统的方框图3/24/202334§5.2摆式加速度计

二挠性加速度计

3/24/202335§5.2摆式加速度计

二挠性加速度计

石英挠性加速度计

3/24/202336§5.2摆式加速度计

二挠性加速度计

石英挠性加速度计

3/24/202337§5.2摆式加速度计

二挠性加速度计

石英挠性加速度计

3/24/202338§5.2摆式加速度计

三陀螺积分加速度计

由双自由度陀螺仪所构成的一种摆式加速度计

3/24/202339§5.2摆式加速度计

三陀螺积分加速度计

3/24/202340§5.2摆式加速度计

三陀螺积分加速度计

伺服回路/稳定回路内环轴上的信号器伺服放大器外环轴上的力矩器3/24/202341§5.2摆式加速度计

三陀螺积分加速度计

陀螺积分加速度计的运动方程

3/24/202342§5.2摆式加速度计

三陀螺积分加速度计

陀螺积分加速度计的系统方框图

3/24/202343§5.2摆式加速度计

三陀螺积分加速度计

陀螺仪绕内环轴和外环轴的稳定转角

（1）外环轴上的干扰力矩引起陀螺仪绕内环轴的稳态转角。当伺服回路的增益足够大时，该转角是足够小的，即自转轴仍然相当精确地与外环保持垂直，从而可以消除外环轴上干扰力矩对仪表工作的影响。（2）陀螺仪的输出转角中包含了内环轴上干扰力矩的影响，从而造成仪表的测量误差。

3/24/202344§5.2摆式加速度计

四硅微摆式加速度计

A-A信号电极故障检测电极玻璃硅蚀刻挠性顶尖检测质量典型结构

3/24/202345§5.2摆式加速度计

四硅微摆式加速度计

简单电路

3/24/202346§5.3振梁（弦）式加速度计一石英振梁加速度计（VBA）

利用石英谐振器的力—频特性，将加速度通过检测质量转换为惯性力而引起石英晶体谐振器的形变，使谐振器的固有频率发生变化，再通过测量两个谐振器的差频得到加速度值。3/24/202347§5.3振梁（弦）式加速度计一石英振梁加速度计

安装垫板谐振器音叉振荡力3/24/202348§5.3振梁（弦）式加速度计一石英振梁加速度计

3/24/202349§5.3振梁（弦）式加速度计一石英振梁加速度计

阻尼隙石英晶体谐振器输入轴摆挠性接头3/24/202350§5.3振梁（弦）式加速度计二振梁式硅微加速度计

3/24/202351§5.3振梁（弦）式加速度计二振梁式硅微加速度计

锚点3/24/202352§5.3振梁（弦）式加速度计二振梁式硅微加速度计

3/24/202353§5.3振梁（弦）式加速度计二振梁式硅微加速度计

3/24/202354§5.3振梁（弦）式加速度计二振梁式硅微加速度计

3/24/202355§5.3振梁（弦）式加速度计二振梁式硅微加速度计

3/24/202356§5.3振梁（弦）式加速度计二振梁式硅微加速度计

3/24/202357§5.3振梁（弦）式加速度计二振梁式硅微加速度计

3/24/202358§5.3振梁（弦）式加速度计二振梁式硅微加速度计

3/24/202359§5.4光纤加速度计简介光纤加速度计是利用光的波导效应测量检测质量在加速度作用下相对弹性支承的位移进而得到加速度的一种传感器。它可以通过光纤连接至指示器，因而可能更适合那些对电信号更危险的应用场