加速度计应用

尹立鹏, 陈 娟, 王 虎

(长春工业大学电气与电子工程学院,吉林长春 130012)

0 引 言

加速度计是惯性测量和导航系统的主要惯性元件之一,它的输出与运载体的运动加速度成比例,其作用原理是基于牛顿的经典力学定律。自二次世界大战中德国人成功在V_2型火箭上应用第一个积分加速度计以来,便有近百种不同类型的加速度计问世。从最初的机械式发展到液浮、气浮、磁悬浮,到60年代后期的挠性、静电、激光、压电晶体谐振式等特殊支承形式的仪表。特别是近十几年来,随着科学技术的飞速发展,惯导系统对加速度计精度、体积、重量、寿命、结构牢固性、可靠性提出了越来越高的要求,同时,在研制加速度计时不断采用了新技术、新材料、新工艺,因而推进了加速度计的产生与发展。文中介绍了加速度计的基本工作原理,给出了几种加速度计在工业中的应用实例,可以为相关领域提供技术参考。

1 加速度工作原理及应用

1.1 加速度计的基本工作原理

加速度计是根据惯性原理相对惯性空间工作。直接测量加速度本身是很困难的,虽然载体的加速度可以通过位移传感器或速度传感器获得,但通常大多数加速度计是借助敏感质量将加速度变成力进行间接测量的。根据牛顿第二定律,作用于物体上的力等于该物体的质量乘以加速度。换言之,加速度作用在敏感质量上,敏感质量将其感应为惯性力,测量该惯性力,就可以间接地测量到载体的加速度。

加速度计的基本力学模型是一个质量-弹簧-阻尼系统[1]。

如果将加速度计的壳体固定在载体上,只要能把敏感质量在敏感轴方向相对壳体的位移x测出来,便可以把它作为加速度a的直接度量。敏感质量越大,弹性刚度越小,即系统的谐振频率越低,则加速度计的灵敏度就越高。或者说,带宽和灵敏度是一种折衷关系,即要实现高的灵敏度,就需要降低谐振频率。

1.2 加速度计的分类及应用

近年来加速度计的发展速度很快,从最初的机械式发展到液浮、气浮、磁悬浮,以及后来的挠性、静电、激光、压电晶体谐振式等。加速度计的种类繁多,优缺点也各不相同。电容式加速度计具有温度系数小、稳定性好、灵敏度高,且可以通过静电恢复力工作在力平衡模式等优点,缺点是其处理电路复杂、容易受外界环境寄生电容的影响;压阻式加速度计的结构和检测电路简单,器件成本低、工艺简单,动态响应特性好,输出线性度高,但是器件存在较大的温度漂移,而且工艺过程中的残余应力会对压敏电阻产生影响,从而降低了器件的性能;压电式加速度计有高的灵敏度和宽的带宽,但压电材料极化产生的是直流电荷,所以压电测量在低频时变得很困难,从而使其低频特性不好,而且压电材料的使用器件加工不易与CMOS工艺兼容[2]。

1.2.1 电容式加速度计

电容式加速度传感器的原理是通过质量块形成惯性力作用于系统,并通过测量差动电容的变化来检测加速度信号。电容式加速度传感器的工作原理如图1所示。

图1 电容式加速度计数学模型

从电学角度,电容式加速度传感器可以等效为一对串联在一起的电容,质量块为串联电容的公共端。当加速度a=0时,质量块位于平衡位置,两差动电容相等,当加速度a≠0时,质量块受到加速度引起的惯性力产生位移x,从而引起电容的变化,质量块由于加速度造成的微小位移可转化为差动电容的变化,并且两电容的差值与位移量成正比。因此,加速度的不同输入可对应不同的电容变化,将电容变化通过测量电路转换成电信号,就可以用这个电信号来表征被测加速度的大小[3]。

文献[4]为了获得一种过载量程比高于1 000∶1的加速度计,采用水银来代替固体作为弹性敏感元件,选择水银是因为水银在常温下是液态金属,并且具有表面张力和密度都很大的特点。

水银电容加速度计原理如图2所示。

从图2可以看出,封闭在圆柱腔内一定量的水银与圆柱端面的电极构成一对差动电容。水银的表面张力很大,故水银在圆柱端角处形成的曲面取决于其内部的压力。根据流体力学原理,该压力随着所施加速度的不同而改变。左图是加速度为零时水银的轮廓线,右图是加速度为一个g时的情形。端曲面发生变化,C1和C2就会变化,因此,原理上利用C1和C2的变化就能够测得加速度的大小。通过合适的设计可以得到满意的线性度,水银的高弹性和大密度使该加速度计具有高灵敏度;水银代替传统的固体弹性元件,使该传感器不易损坏且可恢复。

图2 水银电容加速度计原理图

1.2.2 光纤加速度计

光纤传感器是以光纤的导波现象为基础,将待测量在光纤内传输的光波参量进行调制,光从光纤射出时,光的特性得到调制,通过对调制光的检测,便能感知外界的信息,实现对各种物理量的测量,这就是光纤传感器的基本原理[5]。

光纤传感器应用广泛,目前,已可以作为测量加速度、速度、角速度、位移、压力、弯曲等70多个物理量的传感单元[6]。

文献[7]通过采用GRIN透镜这一光学元件,使光纤传感器的测量范围和灵敏度获得极大的提高。该光纤加速度计取1/4波节长度的GRIN透镜,并在其一端镀上反射膜,在透镜的另一端光轴处并列装置2个光纤,称为源光纤和接收光纤。

微型光纤加速度计如图3所示。

图3 微型光纤加速度计

由于质量块和渐变折射率透镜固联,当有加速度存在时,敏感质量m就能敏感到惯性力,并引起质量块的微小位移,这就使得耦合到入射光纤的光功率发生变化。然后经过光电转换、放大、滤波、解调、校正和脉宽调制等处理,产生脉宽调制信号,以提供正确的惯性测量信息。同时,利用这一信号控制电流桥式开关,进而控制了通过力矩器的电流。此种加速度计不受辐射和无线电频的干扰,影响工作寿命从现有的30 000 h提升到100 000 h,测量范围为0.00 001～150 g。

1.2.3 液环式加速度计

液环式角加速度传感器是用来测量载体相对于其所对应轴线的角加速度,并给出与角加速度成正比的电信号,电信号极性与角加速度的符号相对应。基本工作原理为:液环内的特殊工作液体作为惯性质量相对于转换器件运动时,因液体的流动导致“转换器件-液体”界面处电荷的转移。通过测量液体流动电势便可直接得到与角加速度信号相对应的电信号。

文献[8]研究了一种新型的液环式角加速度计。这种角加速度计主要由基准板、放大电路及液环构成,其中液环是核心部分,它由液体腔、液体、电极和转换器件组成。

1.2.4 液浮摆式加速度计

液浮摆式加速度计的实质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。该加速度计具有灵敏度高、稳定性和可靠性高、抗冲击振动能力强等优点,但其体积大,加工和装配工艺要求非常严格[9]。

液浮摆式加速度计原理如图4所示。

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,使它绕输出轴转动。摆组件绕输出轴相对壳体的偏转角θ由信号器敏感,其输出为与偏转角成比例的电压信号。该电压输入到伺服放大器,其输出为与电压成比例的电流信号。该电流输给力矩器,产生与电流成比例的力矩。这一力矩绕输出轴作用在摆组件上,在稳态时它与摆力矩相平衡,此时力矩器的加矩电流便与输入加速度成比例,通过采样电阻则可获得与输入加速度成比例的电压信号。

目前,国外液浮摆式加速度计产品量程为±60 g,偏值为20 μ g,阈值为1 μ g,国内该种产品量程为±10 g,偏值为20 μ g,阈值为1 μ g[10]。

图4 液浮摆式加速度计原理图

1.2.5 压电式加速度计

当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷;当外力撤去后,晶体又恢复到不带电的状态;当外力作用方向改变时,电荷的极性也随之改变;晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。这种由于机械力作用使介质发生极化的现象称为正压电效应。压电式角加速度传感器利用了角加速度能使其内部晶体变形这一特性,由于这种变形会产生电压,只要计算出电压与角加速度之间的关系,就可以将角加速度转化为电压输出[11]。

文献[12]制成一种压电陀螺,其基本元件是一根矩形梁,梁是恒弹性合金,由两个基频模节点支撑,梁表面贴上两对换能器,一对接驱动电路,使梁振动;另一对接读出电路,输出与角加速度成正比例的模拟量,该信号经过微分和滤波后即可得到直流角加速度信号。为了减少温度变化带来的误差,在系统中连接了零位补偿电路。该传感器的主要优点是实现了固体化,故不需要定期维修,具有高可靠性。这种传感器已在导弹、舰船、飞机以及在陆地上、水下和空中需要敏感角速度和角加速度的运行体上广泛应用。

压电晶体加速度计如图5所示。

图5 压电晶体加速度计

为了降低加速度的动态噪声,使加速度计的输出呈现很低的阻抗,文献[13]提出将电荷放大器直接安装在压电传感器内部的设计方法,这种传感器的电压灵敏度为2 V/g;频响为0.03 Hz～1.5 kHz;横向灵敏度＜5%,测量动态范围为1.5～5 g。压电传感器在其受敏感轴向的外力作用时就会产生电荷,但是产生的电荷很少,必须经过阻抗变换和信号放大处理。由于压电传感器与仪表配套使用时,随着连接电缆长度的增加,电缆分布电容增大,绝缘漏电阻变小。这种变化不仅增加了加速度计的动态噪声,而更重要的是很容易使放大器零点漂移出可测量的动态范围。为了克服上述缺点,采用了内装电荷放大器的方法,使连接电缆的影响从根本上消除。此种加速度计不但在技术上比较先进,而且带来的经济效益也是可观的。因为它取代了昂贵的电荷放大器,减少了中间环节和仪器,大大提高了振动测量精度。

美国PCB公司推出了一种弯曲型加速度计,当加速度计的底部感受振动时,压电陶瓷组合件因其中点被固定,其两端便在力的作用下上下弯曲变形,它的弯曲变形量与感受的振动量成正比。为了能易于变形,敏感元件由厚度各为0.2 mm的3个元件组成,上下二层为压电片。中间一层为铜箔片,铜箔片起到了既增加强度,又能良好导电的作用。这种加速度计的结构简单、零部件少、重量轻,但是装配的要求高,必须做到陶瓷组合件安装平稳,并对称于中心线[14]。

1.2.6 压阻式加速度计

当半导体受到应力作用时,由于载流子迁移率的变化,使其电阻率也随之发生变化,即产生所谓压阻效应[15]。利用压阻效应这一特性可以制成加速度传感器,用相应的电信号来表征加速度信息。文献[16]采用压电陶瓷传感器作为感应环节,在转动时,压电陶瓷会在垂直于传感器轴线的环向上产生一个与角加速度成比例的电势;而在轴向运动时,则会在压电陶瓷的上下表面产生一个与线加速度成比例的电势,通过检测不同方向上的电势,即可得到运动的角加速度和线加速度,并可从线运动中分离出旋转运动,此型传感器主要应用于可穿戴健康诊疗仪器上。为克服传统角加速度传感器重量和体积偏大的缺点,文献[17]最早采用了微细加工方法,并应用IC技术和各向异性的硅谐振梁,提出了基于压阻效应的硅谐振梁式角加速度传感器,使得此型传感器具有体积小、重量轻和精度高的特点,而且消除了温度对传感器的影响,在工业机器人控制中得到了应用。

2 结 语

文中主要介绍了加速度计的几种工作原理及其在工程中的实际应用,随着科学技术的发展,加速度计越来越广泛地应用到了实际生活中,加速度计也必将朝着体积更加微小、测量更加精确的方向发展下去。

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