東南大學(xué) 交通基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)技術(shù)課件 第4章運(yùn)動(dòng)量測(cè)量技術(shù)

1、第第4 4章章 運(yùn)動(dòng)量測(cè)量技術(shù)運(yùn)動(dòng)量測(cè)量技術(shù)4.1 位移測(cè)量位移測(cè)量 4.2 速度測(cè)量速度測(cè)量4.3 加速度測(cè)量加速度測(cè)量 4.4 慣性測(cè)量慣性測(cè)量 4.1位移測(cè)量位移測(cè)量 運(yùn)動(dòng)量是描述物體運(yùn)動(dòng)的量，包括位位移移、速度速度和加速度加速度。 運(yùn)動(dòng)量是最基本的量，運(yùn)動(dòng)量測(cè)量是最基本、最常見的測(cè)量，它是許多物理量，如力、壓力、溫度、振動(dòng)等測(cè)量的前提，也是慣性導(dǎo)航、制導(dǎo)技術(shù)的基礎(chǔ)。4.1.1 位移測(cè)量方法位移測(cè)量方法 位移測(cè)量包括線位移測(cè)量和角位移測(cè)量位移測(cè)量包括線位移測(cè)量和角位移測(cè)量。位移測(cè)量的方法多種多樣，常用的有下述幾種。（1 1）積分法）積分法 （2 2）回波法）回波法 （3 3）線位移和角位

2、移相互轉(zhuǎn)換）線位移和角位移相互轉(zhuǎn)換 （4 4）位移傳感器法）位移傳感器法（1 1）積分法）積分法 測(cè)量運(yùn)動(dòng)體的速度或加速度，經(jīng)過積分或二次積分求得運(yùn)動(dòng)體的位移。 例如在慣性導(dǎo)航中，就是通過測(cè)量載體的加速度，經(jīng)過二次積分而求得載體的位移。（2 2）回波法）回波法 從測(cè)量起始點(diǎn)到被測(cè)面是一種介質(zhì)，被測(cè)從測(cè)量起始點(diǎn)到被測(cè)面是一種介質(zhì)，被測(cè)面以后是另一種介質(zhì)，利用介質(zhì)分界面對(duì)波的面以后是另一種介質(zhì)，利用介質(zhì)分界面對(duì)波的反射原理測(cè)位移。反射原理測(cè)位移。 例如激光測(cè)距儀、超聲波液位計(jì)都是利用分界面對(duì)激光、超聲波的反射測(cè)量位移的。相關(guān)測(cè)距則是利用相關(guān)函數(shù)的時(shí)延性質(zhì)，將向某被測(cè)物發(fā)射信號(hào)與經(jīng)被測(cè)物反射的返回信

3、號(hào)作相關(guān)處理，求得時(shí)延，從而推算出發(fā)射點(diǎn)與被測(cè)物之間的距離。（3 3）線位移和角位移相互轉(zhuǎn)換）線位移和角位移相互轉(zhuǎn)換 被測(cè)量是線位移時(shí)，若測(cè)量角位移更方被測(cè)量是線位移時(shí)，若測(cè)量角位移更方便，則可用間接測(cè)量方法，通過測(cè)角位移再便，則可用間接測(cè)量方法，通過測(cè)角位移再換算成線位移。換算成線位移。同樣，被測(cè)量是角位移時(shí)，也可先測(cè)線位移再進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 例如汽車的里程表，是通過測(cè)量車輪轉(zhuǎn)數(shù)再乘以周長(zhǎng)而得到汽車的里程的。（4 4）位移傳感器法）位移傳感器法 通過位移傳感器，將被測(cè)位移量的變化通過位移傳感器，將被測(cè)位移量的變化轉(zhuǎn)換成電量（電壓、電流、阻抗等）、流量、轉(zhuǎn)換成電量（電壓、電流、阻抗等）、流量、光通量

4、、磁通量等的變化。光通量、磁通量等的變化。位移傳感器法是目前應(yīng)用最廣泛的一種方法。 一般來說，在進(jìn)行位移測(cè)量時(shí)，要充分利用被測(cè)對(duì)象所在場(chǎng)合和具備的條件來設(shè)計(jì)、選擇測(cè)量方法。4.1.2 常用的位移傳感器常用的位移傳感器 在很多情況下，位移可以通過位移傳感器在很多情況下，位移可以通過位移傳感器直接測(cè)得。直接測(cè)得。 用于線位移測(cè)量的傳感器的種類很多，較常見的線位移傳感器的主要特點(diǎn)及使用性能列于表4.1中。表4.1 常用線位移傳感器的性能與特點(diǎn) 型 式測(cè)量范圍精確度線性度特 點(diǎn)變阻式滑 線1300mm0.1%0.1%分辨力較高，機(jī)械結(jié)構(gòu)不牢固，大位移時(shí)在電刷上加杠桿機(jī)構(gòu)變阻器11000mm0.5%0.

5、5%結(jié)構(gòu)牢固，壽命長(zhǎng)，分辨力較差，電噪聲大電阻應(yīng)變式不粘貼0.15%應(yīng)變0.1%1%不牢固粘 貼0.3%應(yīng)變(23)%1%牢固，使用方便，需溫度補(bǔ)償和高絕緣電阻半導(dǎo)體0.25%應(yīng)變(23)%滿刻度2%輸出幅值大，溫度靈敏性高電感式差動(dòng)變壓 器0.15mm(13)%0.5%分辨力高，壽命長(zhǎng)，后續(xù)電路較復(fù)雜螺管式0.2100mn(0.13)%0.5%測(cè)量范圍寬，使用方便可靠，壽命長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)性能較差渦流式0.25250mm(13)%3%結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，耐油污、水，被測(cè)對(duì)象材料，靈敏度不同，線性范圍須重校電容式變面積(10-3 10)mm0.005%1%線性范圍大，精確度高，受介質(zhì)常數(shù)影響大（溫度，濕度）變間

6、隙(10-8 100)mm0.1%1%分辨力高，非線性較大霍爾元件1.5mm0.5% 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)特性好，對(duì)溫度敏感感應(yīng)同步器10-3 10000mm2.5m/250mm 模、數(shù)混合測(cè)量系統(tǒng)，數(shù)顯長(zhǎng)光柵10-3 1000mm3m/1m 同 上 ， 分 辨 力 高(0.11m)長(zhǎng)磁柵10-3 10000mm5m/1m 制造簡(jiǎn)單，使用方便，分辨力15m表4.2部分測(cè)量角位移的傳感器的性能及特點(diǎn)。型 式測(cè)量范圍精 確 度線性度特 點(diǎn)滑線變阻式03600.1%0.1%結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量范圍廣，存在接觸摩擦，動(dòng)態(tài)響應(yīng)差變阻器060轉(zhuǎn)0.5%0.5%耐磨性好，阻值范圍寬，接觸電阻和噪聲大，附加力矩較大差動(dòng)變

7、壓器式0120(0.22.0)%0.25%分辨力高，耐用，可測(cè)位移頻率只是激勵(lì)頻率的1/10，后續(xù)電路復(fù)雜應(yīng)變計(jì)式1801% 性能穩(wěn)定可靠，利用應(yīng)變片和彈性體結(jié)合測(cè)量角位移自整角機(jī)3600.170.5%對(duì)環(huán)境要求低，有標(biāo)準(zhǔn)系列，使用方便，抗干擾能力強(qiáng)，性能穩(wěn)，可在1200r/min下工作，精度低，線性范圍小旋轉(zhuǎn)變壓器36025小角度時(shí)0.1%微動(dòng)同步器540(0.41)%0.05%分辨力高，無接觸，測(cè)量范圍小，電路較復(fù)雜電 容 式7025 分辨力高，靈敏度高，耐惡劣環(huán)境，需屏蔽圓感應(yīng)同步器03600.5 分辨力高，可數(shù)顯圓光柵03600.5 分辨力高，可數(shù)顯圓磁柵03601 磁信號(hào)可重錄角 度

8、編碼 器接 觸式036010-6/r 分辨力高，可靠性高光 電式036010-8/r 4.2 速度測(cè)量速度測(cè)量 4.2.1 速度測(cè)量方法速度測(cè)量方法 速度測(cè)量分為線速度測(cè)量線速度測(cè)量和角速度測(cè)量角速度測(cè)量。 線速度的計(jì)量單位通常用m/s（米/秒）來表示。 角速度測(cè)量分為轉(zhuǎn)速測(cè)量轉(zhuǎn)速測(cè)量和角速率測(cè)量角速率測(cè)量。轉(zhuǎn)速的計(jì)量單位常用r/min（轉(zhuǎn)/分）來表示，而角速率的計(jì)量單位則常用/s（度/秒）或/h（度/小時(shí)）來表示。常用的速度測(cè)量方法有下述幾種：n微積分法微積分法n線速度和角速度相互轉(zhuǎn)換測(cè)速法線速度和角速度相互轉(zhuǎn)換測(cè)速法n速度傳感器法速度傳感器法n時(shí)間、位移計(jì)算測(cè)速法時(shí)間、位移計(jì)算測(cè)速法（1）

9、微積分法）微積分法 對(duì)運(yùn)動(dòng)體的加速度信號(hào)對(duì)運(yùn)動(dòng)體的加速度信號(hào)a進(jìn)行積分運(yùn)算，進(jìn)行積分運(yùn)算，得到運(yùn)動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)速度，或者將運(yùn)動(dòng)體的位得到運(yùn)動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)速度，或者將運(yùn)動(dòng)體的位移信號(hào)進(jìn)行微分也可以得到運(yùn)動(dòng)體的速度移信號(hào)進(jìn)行微分也可以得到運(yùn)動(dòng)體的速度 例如在振動(dòng)測(cè)量時(shí)，應(yīng)用加速度計(jì)測(cè)得振動(dòng)體的振動(dòng)信號(hào)，或應(yīng)用振幅計(jì)測(cè)得振動(dòng)體的位移信號(hào)，再經(jīng)過電路進(jìn)行積分或微分運(yùn)算而得到振動(dòng)速度。（2 2）線速度和角速度相互轉(zhuǎn)換測(cè)速法）線速度和角速度相互轉(zhuǎn)換測(cè)速法 線速度和角速度在同一個(gè)運(yùn)動(dòng)體上是有線速度和角速度在同一個(gè)運(yùn)動(dòng)體上是有固定關(guān)系的，這和線位移和角位移在同一運(yùn)固定關(guān)系的，這和線位移和角位移在同一運(yùn)動(dòng)體上有固定關(guān)系

10、一樣。動(dòng)體上有固定關(guān)系一樣。在測(cè)量時(shí)可采取互換的方法測(cè)量。 例如測(cè)火車行駛速度時(shí)，直接測(cè)線速度不方便，可通過測(cè)量車輪的轉(zhuǎn)速，換算出火車的行駛速度。（3）速度傳感器法）速度傳感器法 利用各種速度傳感器，將速度信號(hào)變換利用各種速度傳感器，將速度信號(hào)變換為電信號(hào)、光信號(hào)等易測(cè)信號(hào)。為電信號(hào)、光信號(hào)等易測(cè)信號(hào)。 速度傳感器法是最常用的一種方法。（4 4）時(shí)間、位移計(jì)算測(cè)速法）時(shí)間、位移計(jì)算測(cè)速法 這種方法是根據(jù)速度的定義測(cè)量速度，即通過測(cè)量距離L和走過該距離的時(shí)間t，然后求得平均速度。L取得越小，則求得速度越接近運(yùn)動(dòng)體的瞬時(shí)速度。 如子彈速度的測(cè)量，運(yùn)動(dòng)員百米速度的測(cè)量等。 根據(jù)這種測(cè)量原理，在固定的

11、距離內(nèi)利用數(shù)學(xué)方法和相應(yīng)器件又延伸出很多測(cè)速方法，如相關(guān)測(cè)速法相關(guān)測(cè)速法、空間濾波器測(cè)速法空間濾波器測(cè)速法。4.2.2 常用的速度測(cè)量傳感器常用的速度測(cè)量傳感器表4.3 常用速度傳感器性能與特點(diǎn)類型原理測(cè)量范圍精度特點(diǎn)線速度測(cè)量磁電式工作頻率10500Hz10%靈敏度高，性能穩(wěn)定，移動(dòng)范圍（115）mm，尺寸重量較大空間濾波器1.5200km/h0.2%無需兩套特性完全相同的傳感器轉(zhuǎn) 速 測(cè) 量交流測(cè)速發(fā)電機(jī)4004000 r/min4000r/min)利用汽車發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)，線圈高壓放電，感應(yīng)出脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)不剖體測(cè)量表4.4 常用角速率傳感器性能與特點(diǎn)型 式測(cè)量范圍(/s)零偏穩(wěn)定性

12、標(biāo)度因數(shù)線性度特 點(diǎn)轉(zhuǎn)子陀螺最大100010-3 /h10/h10-410-3利用高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的定軸性和進(jìn)動(dòng)性，敏感角速率，制作易，用途廣，體積較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高光纖陀螺最大150010-4 /h10/h10-4510-6利用電磁輻射特性，通過光導(dǎo)纖維敏感角速率，動(dòng)態(tài)范圍寬，瞬時(shí)啟動(dòng)，耐沖擊、壽命長(zhǎng)，成本較低。激光陀螺最大1200510-4 /h1/h10-6根據(jù)光程差原理采用環(huán)形激光器來測(cè)量角速率，動(dòng)態(tài)范圍寬，耐沖擊，壽命長(zhǎng)，成本較高靜電陀螺 10-610-7 /h 利用處于高真空靜電場(chǎng)中的高速旋轉(zhuǎn)球形鈹轉(zhuǎn)子敏感角速率，制作精密、高精度、高穩(wěn)定性、成本高，應(yīng)用于高精度導(dǎo)航場(chǎng)合。半球諧振

13、陀螺 10-4/h1/h210-8利用半球形振動(dòng)體的諧振來敏感角速率產(chǎn)生哥氏力，體積小，全固態(tài)，無磨損，高可靠，長(zhǎng)壽命壓電陀螺最大72001/h1/s10-3利用壓電材料的壓電特性來激勵(lì)振動(dòng)元件振動(dòng)并檢測(cè)哥氏力，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，可靠性高，應(yīng)用于低中精度場(chǎng)合。微機(jī)電陀螺6001/h1/s210-4利用高頻振動(dòng)的檢測(cè)質(zhì)量敏感角速率產(chǎn)生哥氏力，用微機(jī)電手段制造，體積小，重量輕，能大批量生產(chǎn)，價(jià)格便宜，耐沖擊，功耗低，可靠性好，應(yīng)用于低中精度場(chǎng)合4.2.3 彈丸飛行速度的測(cè)量彈丸飛行速度的測(cè)量 彈丸速度，是槍炮威力性能的重要指標(biāo)，是研究無控火箭密集度的重要參數(shù)。 彈丸飛行速度測(cè)量目前常采用時(shí)間時(shí)間位

14、移計(jì)算測(cè)速法位移計(jì)算測(cè)速法和多卜勒雷達(dá)測(cè)速法多卜勒雷達(dá)測(cè)速法。1.1.時(shí)間位移計(jì)算測(cè)速法時(shí)間位移計(jì)算測(cè)速法 時(shí)間位移計(jì)算測(cè)速法是測(cè)出彈道上某一段的距離x1,2（見圖4.4）。再測(cè)出彈丸飛行這一段距離所需要的時(shí)間t1,2，即可計(jì)算出彈丸通過該段中點(diǎn)處的平均速度c。2, 12, 1txc圖4.4 求平均速度c的方法 為了測(cè)量x1,2和t1,2，需在彈道上的I和位置上各設(shè)一個(gè)區(qū)域裝置，常稱為“靶”。 第第I位置是計(jì)算的起始點(diǎn)位置是計(jì)算的起始點(diǎn)，這點(diǎn)上的靶叫做I靶，第第位置是計(jì)算的終點(diǎn)位置是計(jì)算的終點(diǎn)，這點(diǎn)上的靶叫作靶。這兩個(gè)靶之間的距離就是這兩個(gè)靶之間的距離就是x1,2。 彈丸在通過這兩個(gè)靶時(shí)，各產(chǎn)

15、生一個(gè)信號(hào)，啟動(dòng)或截止測(cè)時(shí)儀器，從而獲得彈丸飛過這一距離的時(shí)間間隔t1,2。2.利用多卜勒雷達(dá)測(cè)量彈丸飛行速度利用多卜勒雷達(dá)測(cè)量彈丸飛行速度（1 1）基本原理）基本原理 測(cè)速雷達(dá)是利用多卜勒效應(yīng)對(duì)彈丸飛行速度進(jìn)行測(cè)量的。 設(shè)有一個(gè)波源，以 f0 的頻率發(fā)射電磁波，而接受體以速度V相對(duì)于此波源運(yùn)動(dòng)。那么，這一接收體所感受到的波的頻率將不是 f0 ，而是 fr ，并有如下之關(guān)系： （4.14）式中，0波源發(fā)送的波的波長(zhǎng)。fd稱為多卜勒頻率。 （4.15）0r0ff0df 如果用一個(gè)雷達(dá)天線作為波源，它所發(fā)射的電磁波遇到以速度飛行的彈丸后反射回來，彈丸的飛行是沿波束方向遠(yuǎn)離雷達(dá)天線，在這種情況下的多

16、卜勒頻率fd為： 此式給出了多卜勒頻率與彈丸飛行速度的關(guān)系。當(dāng)雷達(dá)的發(fā)送頻率已知時(shí)，若能測(cè)得，即可求出彈丸的飛行速度。（4.16） 式中 C當(dāng)?shù)仉姶挪ǖ膫鞑ニ俣取?2df0022fcffdd 這種基于多卜勒效應(yīng)測(cè)量彈丸飛行速度的專用雷達(dá)稱為多卜勒測(cè)速雷達(dá)。圖4.13所示為多卜勒測(cè)速雷達(dá)的工作原理圖。圖4.13 多卜勒測(cè)速雷達(dá)工作原理圖（2 2）系統(tǒng)組成及作用）系統(tǒng)組成及作用 圖4.14所示為640-1型測(cè)速雷達(dá)的組成方框圖。它包括發(fā)射機(jī)發(fā)射機(jī)、接收機(jī)接收機(jī)、天線系統(tǒng)天線系統(tǒng)，終端設(shè)備終端設(shè)備及跟蹤濾波器跟蹤濾波器和紅外啟動(dòng)器紅外啟動(dòng)器等部分組成。 n發(fā)射機(jī)發(fā)射機(jī)n接收機(jī)接收機(jī)n天線系統(tǒng)天線系統(tǒng)

17、n終端設(shè)備終端設(shè)備n跟蹤濾波器跟蹤濾波器n紅外啟動(dòng)器紅外啟動(dòng)器圖4.14 610-1型測(cè)速雷達(dá)組成方框圖 4.2.4 光纖陀螺測(cè)量角速率光纖陀螺測(cè)量角速率 陀螺儀是敏感相對(duì)于慣性空間角運(yùn)動(dòng)的裝置。它作為一種重要的慣性敏感器，用于測(cè)量運(yùn)載體的姿態(tài)角和角速度，是構(gòu)成慣性制導(dǎo)慣性制導(dǎo)、慣性導(dǎo)航慣性導(dǎo)航、慣性測(cè)量慣性測(cè)量和慣性穩(wěn)定系統(tǒng)慣性穩(wěn)定系統(tǒng)的基礎(chǔ)核心器件。 光纖陀螺作為一種新型陀螺儀，其工作原理是基于薩格奈克（薩格奈克（Sagnac）效應(yīng)效應(yīng)。 圖4.15 Sagnac效應(yīng) 在圖4-15中，設(shè)直徑為D的單匝光纖線圈繞垂直于自身的軸以角速度順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，從環(huán)形光路的P點(diǎn)分別沿順時(shí)針（CW）、逆

18、時(shí)針（CCW）發(fā)射兩路光波。當(dāng)=0時(shí)，P點(diǎn)和P點(diǎn)重合，兩束光繞環(huán)形光路一周的穿越時(shí)間相同；當(dāng)0時(shí)，入射點(diǎn)P和P在空間的位置將不再重合，順時(shí)針光束繞環(huán)形光路的穿越時(shí)間TCW為： （4.17） 2DncD2DVDVDTfcWCW 其中是順時(shí)針光束的速度，Vf為光在光纖線圈中的傳播速度，C為真空中的光速，n為光纖材料的折射率。同樣逆時(shí)針光束繞環(huán)形光路的穿越時(shí)間TCCW為: （4.18）兩反向旋轉(zhuǎn)的光束繞光纖線圈一周的穿越時(shí)間差T 為： （4.19）一般，因此 （4.20）2/DVVfCW2DncD2DVDVDTfCCWCCW42222DncDTTTCCWCW2224ncD222CDnT 假設(shè)一個(gè)光纖

19、陀螺具有N匝光纖線圈，光學(xué)路徑長(zhǎng)度 。與穿越時(shí)間差對(duì)應(yīng)的兩光束相移 為： （4.21） 其中S稱為Sagnac相移，、v分別為光波的角頻率和頻率，為光波在真空中的波長(zhǎng)，KS為光纖陀螺的Sagnac刻度系數(shù)。 可以看出，提高此種光纖陀螺儀輸出靈敏度的途徑在于加大D和增加光纖線圈的匝數(shù)N。DNLss2222sKCLDn2CDnCN2TNv2TT2NTN 光纖陀螺儀誕生于1976年，發(fā)展至今已成為當(dāng)今的主流陀螺儀表。 由于其輕型的固態(tài)結(jié)構(gòu)，使其具有可靠性高、壽命長(zhǎng)，能夠耐沖擊和振動(dòng)，有很寬的動(dòng)態(tài)范圍，帶寬大、瞬時(shí)啟動(dòng)、功耗低等一系列獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，光纖陀螺儀廣泛應(yīng)用于航空、航天、航海和兵器等軍事領(lǐng)域，以及

20、鉆井測(cè)量、機(jī)器人和汽車導(dǎo)航等民用領(lǐng)域。4.3 加速度測(cè)量加速度測(cè)量 加速度測(cè)量是基于測(cè)試儀器檢測(cè)質(zhì)量加速度測(cè)量是基于測(cè)試儀器檢測(cè)質(zhì)量敏感加速度產(chǎn)生慣性力的測(cè)量，是一種全敏感加速度產(chǎn)生慣性力的測(cè)量，是一種全自主的慣性測(cè)量。自主的慣性測(cè)量。 加速度的計(jì)量單位為m/s2(米/秒2) 。在工程應(yīng)用中常用重力加速度g=9.81m/s2作計(jì)量單位。4.3.1 加速度測(cè)量方法加速度測(cè)量方法 測(cè)量加速度，目前主要是通過加速度傳感器加速度傳感器（俗稱加速度計(jì)），并配以適當(dāng)?shù)臏y(cè)量電路進(jìn)行的。 n依據(jù)對(duì)加速度計(jì)內(nèi)檢測(cè)質(zhì)量所產(chǎn)生的慣性力的檢測(cè)方式檢測(cè)方式來分，加速度計(jì)可分為壓電式壓電式、壓阻式壓阻式、應(yīng)變式應(yīng)變式、電

21、容式電容式、振振梁式梁式、磁電感應(yīng)式磁電感應(yīng)式、隧道電流式隧道電流式、熱電熱電式式等。n按檢測(cè)質(zhì)量的支承方式支承方式來分，則可分為懸臂梁式懸臂梁式、擺式擺式、折疊梁式折疊梁式、簡(jiǎn)支承梁簡(jiǎn)支承梁式式等。表4.6列出了部分加速度計(jì)的測(cè)量方法及其主要性能特點(diǎn)。型 式測(cè)量范圍零偏穩(wěn)定性分辨力特 點(diǎn)壓電式5105g10-410-3g10-210-5g固有頻率較高，用于沖擊及振動(dòng)測(cè)量，大地測(cè)量及慣性導(dǎo)航等應(yīng)變式0.5200g 低頻響應(yīng)較好，固有頻率低，適用于低頻振動(dòng)測(cè)量壓阻式20g105g 靈敏度較高，便于集成化，耐沖擊，易受溫度影響液浮擺式1g15g10-610-4g10-610-4g帶力反饋和溫控，分

22、辨率高，成本較高，適用于慣性導(dǎo)航表4.6 加速度測(cè)量方法及其性能特點(diǎn) 石英撓性10g30g510-5610-6g10-610-5g高可靠、高穩(wěn)定、高分辨率、成本較高，適用于慣性導(dǎo)航、運(yùn)載武器制導(dǎo)及微重力測(cè)量振梁式20g1200g2.510-410-3g 體積小，重量輕，成本低，可靠性好，適用于戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈等制導(dǎo)三軸磁懸浮式 x.y軸510-7gz軸210-6g 磁懸浮使摩擦小，零偏好，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，適用于高精度重力測(cè)量，慣性導(dǎo)航微機(jī)電式1g105g10-610g10-610-3g尺寸小，重量輕，成本低，適用于汽車安全防護(hù)，戰(zhàn)術(shù)武器制導(dǎo)和慣性導(dǎo)航4.3.2 4.3.2 伺服式加速度測(cè)量伺服式加速

23、度測(cè)量 伺服式加速度測(cè)量是一種按力平衡反饋原理構(gòu)成的閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng)。圖4.16(a)是其工作原理圖，圖4.16(b)是其原理框圖。 它由檢測(cè)質(zhì)量m、彈簧k、阻尼器c、位置傳感器Sd、伺服放大器Ss、力發(fā)生器SF和標(biāo)準(zhǔn)電阻RL等主要部分組成。 當(dāng)殼體固定在載體上感受被測(cè)加速度 后，檢測(cè)質(zhì)量m相對(duì)殼體作位移z，此位移由位置傳感器檢測(cè)并轉(zhuǎn)換成電壓，經(jīng)侗服放大器放大成電流，供給力發(fā)生器產(chǎn)生電恢復(fù)力，使檢測(cè)質(zhì)量返回到初始平衡位置。系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程為: （4.22） 式中:SF 為力發(fā)生器靈敏度（N/A），對(duì)于常用的由永久磁鐵和動(dòng)圈組成的磁電式力發(fā)生器，SF=BL; B為磁路氣隙的磁感應(yīng)強(qiáng)度（T）; L為動(dòng)圈

24、導(dǎo)線的有效長(zhǎng)度（m）。22dtzd2222dtxdmiSkzdtdzCdtzdmF由于電流為: （4.23）式中: Sd為位置傳感器的靈敏度（V/m）; Ss為伺服放大器的靈敏度（A/V）。將式（4.23）代入式（4.22）得關(guān)系式（4.24）式中: 系統(tǒng)無阻尼固有圓頻率（4.25） 系統(tǒng)阻尼比（4 .26)zSSisd222222dtxdzdtdzdtzdnnmkmSSSFsd2nmkmSSS2CFsd 由式（4.25）和式（4.26）可以看出，伺服式加速度計(jì)的n和不僅與機(jī)械彈簧剛度和阻尼器阻尼系數(shù)有關(guān)，還與反饋引起的電剛度SdSsSF有關(guān)。因此便可通過選擇和調(diào)節(jié)電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)來進(jìn)行調(diào)節(jié)，

25、具有很大的靈活性。當(dāng)系統(tǒng)處于加速度計(jì)工作狀態(tài)時(shí): 因此，電壓靈敏度Sa為: （4.27）222ndtxd1z)SSS/(k11SmRdtxdUSFsdF:L220a 如選用剛度小的彈簧，使?jié)M足SdSsSFk，則: 即Sa僅決定于m、RL、B和L等結(jié)構(gòu)參數(shù)，而與位置傳感器、伺服放大器、彈簧等特性無關(guān)。若能采取措施使這些參數(shù)穩(wěn)定和不受溫度等外界環(huán)境的影響，便可達(dá)到很高的性能。 伺服加速度測(cè)量由于有反饋?zhàn)饔?，增?qiáng)了抗干擾能力，提高了測(cè)量精度，擴(kuò)大了測(cè)量范圍。BLmRSLa4.3.3 微機(jī)電系統(tǒng)加速度計(jì)微機(jī)電系統(tǒng)加速度計(jì)1 1. .概述概述 微機(jī)電系統(tǒng)加速度計(jì)微機(jī)電系統(tǒng)加速度計(jì)通常是指利用微電子加工手

26、段加工制作并和微電子測(cè)量線路集成在一起的加速度計(jì)，這種加速度計(jì)常用硅材料制作，故又名硅微型加硅微型加速度計(jì)速度計(jì)。硅微型加速度計(jì)型式多種多樣。按檢檢測(cè)質(zhì)量支承方式測(cè)質(zhì)量支承方式分有懸臂梁支承、簡(jiǎn)支梁支承、方波梁支承、折疊梁支承和撓性軸支承等；按檢測(cè)信號(hào)拾取方式檢測(cè)信號(hào)拾取方式分，有電容檢測(cè)、電感檢測(cè)、隧道電流檢測(cè)和頻率檢測(cè)等。表4.7列舉了幾種目前常見的硅微加速度計(jì)的性能及特點(diǎn)。型式測(cè)量范圍零偏穩(wěn)定性分辨力特 點(diǎn)扭擺式1g105g10-4g10g10-4g2g扭桿支承，力反饋控制、電容檢測(cè)、耐沖擊懸臂梁式0.1g50g10-3g10-6g10-3g懸臂梁支承，三明治結(jié)構(gòu)，靈敏度較高叉指式5g5

27、0g10-3g10-3g利用梳齒電容變化進(jìn)行檢測(cè)，制作容易隧道電流式-20g10g 810-3g利用隧道電流變化進(jìn)行檢測(cè)，靈敏度高，動(dòng)態(tài)范圍大硅振梁式10120g10-6510-6g（310）10-6g/利用硅振梁諧振頻率變化進(jìn)行檢測(cè)，電路簡(jiǎn)單，精度高，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。表4.7 幾種硅微加速度計(jì)的性能及特點(diǎn)2.叉指式硅微加速度計(jì)叉指式硅微加速度計(jì) 叉指式硅微型加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖4.17所示。 加速度計(jì)由中央叉指狀活動(dòng)極板中央叉指狀活動(dòng)極板與若干對(duì)若干對(duì)固定極板固定極板組組成。硅制活動(dòng)極板通過一對(duì)支承梁彈簧與基座相連，支承梁能使活動(dòng)極板（檢測(cè)質(zhì)量）敏感加速度而產(chǎn)生位移。活動(dòng)極板上有若干對(duì)叉指，每個(gè)叉

28、指對(duì)應(yīng)一對(duì)固定電極板，固定電極板固定在基座上。圖4.17 叉指式硅微加速度計(jì) (a)靜止?fàn)顟B(tài)；（b）活動(dòng)狀態(tài) 當(dāng)加速度計(jì)處于靜止?fàn)顟B(tài)靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，叉指正好處于一對(duì)固定電極的中央，即叉指和與其對(duì)應(yīng)的兩個(gè)固定電極的間距相等（為y0），這時(shí)電容量C1=C2。 當(dāng)加速度計(jì)敏感加速度敏感加速度時(shí)，在慣性力作用下，活動(dòng)極板產(chǎn)生位移（如圖4.17(b)），這時(shí)，叉指和左右兩固定極板的間距發(fā)生變化，即C1C2，產(chǎn)生的瞬時(shí)輸出信號(hào)將正比于加速度的大小。 運(yùn)動(dòng)方向則通過輸出信號(hào)的相位反映出來。 設(shè)活動(dòng)極板的線位移y使某叉指兩對(duì)極板的間隙分別變?yōu)閥0+y和y0-y，此時(shí)單個(gè)電容量分別為: : 略去高階小量，其電容差值為: : （4.28）式中，A1為活動(dòng)極板叉指與固定極板重疊部分的面積。設(shè)加速度計(jì)有n組叉指，則總的電容差值為系統(tǒng)的靜態(tài)靈敏度為 （4.29）yyAC011yyAC012ykyyACCCs12011212ykynkCnCss11FvsvskkkkkmkauS式(4.29)中，k為支承系統(tǒng)的彈簧剛度，m