第5章加速度的測量.ppt

1、2020/8/3,1,第 五 章,加 速 度 計,2020/8/3,2,5.1 加速度測量的基本原理,一 加速度測量的力學(xué)原理與加速度計基本方程,彈簧 C,阻尼D,a,穩(wěn)態(tài)時：,其中：,2020/8/3,3,5.1 加速度測量的基本原理,一 加速度測量的力學(xué)原理與加速度計基本方程,對于近地空間的加速度計來說，只考慮檢測質(zhì)量塊的相對位移同時受到重力的影響。,穩(wěn)態(tài)時：,2020/8/3,4,5.1 加速度測量的基本原理,一 加速度測量的力學(xué)原理與加速度計基本方程,簡單加速度計的精度很大程度上取決于彈簧剛度系數(shù)的精度。彈簧剛度的改變、彈簧的非線性以及遲滯因素等都會引起加速度計的輸出誤差，這種加速度計

2、很難獲得更高的靈敏度和測量精度。,2020/8/3,5,5.1 加速度測量的基本原理,二 比力及比力計,在慣性坐標(biāo)系中存在：,物體單位質(zhì)量所受到的力，即物體在慣性空間中的加速度。,2020/8/3,6,5.1 加速度測量的基本原理,二 比力及比力計,慣性參考系,地心系,比力計外殼,檢測質(zhì)量 m 的運動微分方程為,2020/8/3,7,5.1 加速度測量的基本原理,二 比力及比力計,2020/8/3,8,5.1 加速度測量的基本原理,二 比力及比力計,以比力計整體作為研究對象,比力是比力計即載體的非引力加速度，即慣性加速度與引力加速度之間的向量差。,2020/8/3,9,5.1 加速度測量的基本

3、原理,二 比力及比力計,理想的比力計沿敏感軸方向的輸出是運載體的支持作用在比力計外殼上的非引力比力分量。即：比力計輸出的只是非引力比力分量。,2020/8/3,10,5.1 加速度測量的基本原理,二 比力及比力計,討論：,以地心系作為近似慣性參考系時所帶來的誤差,對時間取導(dǎo)：,地球相對慣性參考系的運動微分方程,2020/8/3,11,5.1 加速度測量的基本原理,二 比力及比力計,考慮:,2020/8/3,12,5.1 加速度測量的基本原理,二 比力及比力計,誤差：,數(shù)量級：,只有地心引力單獨作用時：,即使在高精度的導(dǎo)航系統(tǒng)中也可以略去不計。,2020/8/3,13,5.1 加速度測量的基本原

4、理,二 比力及比力計,幾種特殊情況：,當(dāng)比力計沿地垂線自由下落時：,當(dāng)比力計靜止不動時：,當(dāng)比力計敏感軸垂直于地垂線時：,2020/8/3,14,5.1 加速度測量的基本原理,三 地球重力場,當(dāng)載體在近地表面運動時，加速度計所敏感的比力為：,2020/8/3,15,5.1 加速度測量的基本原理,三 地球重力場,載體相對于地球的運動速度,重力是地球的引力與因地球自轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的離心力的合力：,于是，在測量坐標(biāo)系中：,2020/8/3,16,5.1 加速度測量的基本原理,當(dāng)安裝加速度計的載體相對地球運動時，比力計的敏感量包括四項：,三 地球重力場,載體相對地球的運動速度在測量坐標(biāo)系中的變化率,測量坐標(biāo)

5、系相對地球的轉(zhuǎn)動所引起的向心加速度,因載體運動及地球自轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的哥氏加速度,地球在當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?2020/8/3,17,5.2 擺式加速度計,單自由度無約束擺式加速度計是導(dǎo)航系統(tǒng)中最為 常用的一種加速計。這種加速度計工作于閉環(huán)狀態(tài)。,液浮擺式加速度計,撓性擺式加速度計,硅微加速度計,陀螺積分?jǐn)[式加速度計,2020/8/3,18,5.2 擺式加速度計,一 液浮擺式加速度計,液體懸浮技術(shù)成功應(yīng)用于擺式加速度計與單自由度積分陀螺儀，是慣性技術(shù)發(fā)展史上的里程碑。液浮擺式加速度計已廣泛應(yīng)用于各類慣性系統(tǒng)中，并作為一種典型的加速度計仍在不斷發(fā)展和使用。,軸承具有較大的摩擦力矩，作為加速度計的擺和標(biāo)定質(zhì)

6、量支承，限制了儀表的靈敏度，由于動摩擦力的大小和方向與擺的運動方向密切相關(guān)，具有典型的非線性和隨機(jī)性質(zhì)，補償起來非常困難，也限制了儀表的精度。為此，發(fā)展了各種支承技術(shù)，如靜壓氣體懸浮、靜電懸浮、電磁懸浮、超導(dǎo)懸浮以及下面的液體懸浮技術(shù)。,2020/8/3,19,5.2 擺式加速度計,一 液浮擺式加速度計,擺性的概念：當(dāng)有單位重力加速度沿輸入軸作用在擺組件上時，繞輸出軸所產(chǎn)生的擺力矩由重力矩與浮力矩組成。,2020/8/3,20,5.2 擺式加速度計,一 液浮擺式加速度計,2020/8/3,21,5.2 擺式加速度計,一 液浮擺式加速度計,當(dāng)沿儀表的輸入軸有加速度輸入時，加速度通過擺性將產(chǎn)生擺力

7、矩作用在擺組件上，使其繞輸出軸轉(zhuǎn)動。通過信號器敏感擺組件繞輸出軸相對殼體的偏轉(zhuǎn)角，輸出與偏轉(zhuǎn)角成比例的電壓信號，電壓信號經(jīng)伺服放大器后，轉(zhuǎn)換為與電壓成比例的電流信號，將電流輸入力矩器，產(chǎn)生與電流成比例的力矩，并繞輸出軸作用在擺組件上。穩(wěn)態(tài)時，力矩器的輸出力矩與擺力矩相平衡。此時，力矩器的施矩電流便與輸入加速度成比例。通過采樣電阻獲得與輸入加速度成比例的電壓信號。,2020/8/3,22,5.2 擺式加速度計,一 液浮擺式加速度計,2020/8/3,23,5.2 擺式加速度計,一 液浮擺式加速度計,由信號器、伺服放大器和力矩器所組成的回路，通常稱為力矩再平衡回路(Rebalance Loop)

8、。所產(chǎn)生的力矩通常稱為再平衡力矩。,2020/8/3,24,5.2 擺式加速度計,一 液浮擺式加速度計,液浮擺式加速度計的運動方程：,2020/8/3,25,5.2 擺式加速度計,一 液浮擺式加速度計,液浮擺式加速度計的運動方程：,沿輸入軸作用的加速度為：,若組件的偏角較大時 ，不僅會降低所要測量加速度的靈敏度，而且還會敏感正交加速度分量交叉耦合效應(yīng)。,2020/8/3,26,5.2 擺式加速度計,一 液浮擺式加速度計,在液浮擺式加速度計中，力矩再平衡回路所產(chǎn)生的力矩與加速度產(chǎn)生的擺力矩相平衡，在這個閉合回路中，擺組件的動態(tài)運動方程為：,2020/8/3,27,5.2 擺式加速度計,一 液浮擺

9、式加速度計,2020/8/3,28,5.2 擺式加速度計,二 撓性加速度計,液浮擺式加速度計已發(fā)展得相當(dāng)成熟，并獲得了廣泛的應(yīng)用，但隨著發(fā)展低成本慣性系統(tǒng)的趨勢的日益增長，在六十年代中期開始出現(xiàn)了新型的采用撓性支承的所謂撓性加速度計，其結(jié)構(gòu)與工藝大為簡化，在精度和可靠性方面已達(dá)到應(yīng)用要求。,撓性加速度計也是一種擺式加速度計，它與液浮加速度計的主要區(qū)別在于：它的擺組件不是懸浮在液體中，而是彈性地連接在某種類型的撓性支承上。撓性支承消除了軸承的摩擦力矩，當(dāng)擺組件的偏轉(zhuǎn)角很小時，由此引入的微小的彈性力矩往往可以忽略不計。,2020/8/3,29,5.2 擺式加速度計,二 撓性加速度計,撓性加速度計也

10、是一種擺式加速度計。與液浮加速度計的主要區(qū)別在于： 擺組件不是懸浮在液體中，而是彈性地連接在某種類型的撓性支承上。 撓性支承消除了軸承的摩擦力矩，當(dāng)擺組件的偏轉(zhuǎn)角很小時，由此引入的微小的彈性力矩往往可以忽略不計。,2020/8/3,30,5.2 擺式加速度計,二 撓性加速度計,2020/8/3,31,5.2 擺式加速度計,二 撓性加速度計,擺組件的擺性：,2020/8/3,32,5.2 擺式加速度計,二 撓性加速度計,在撓性加速度計中，同樣是由力矩再平衡回路所產(chǎn)生的力矩來平衡加速度所產(chǎn)生的擺力矩，為了抑制交叉耦合誤差，力矩再平衡回路同樣也必須是高增益的。除了液浮擺式加速度計中所提到的各項力矩外

11、，作用在撓性加速度計擺組件上的力矩，增加了擺組件出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)角時撓性支承所產(chǎn)生的彈性力矩。,2020/8/3,33,5.2 擺式加速度計,二 撓性加速度計,閉環(huán)工作條件下，采用與液浮擺式加速度計相同的坐標(biāo)系定義，可以得到撓性加速度計擺組件的運動方程為,2020/8/3,34,5.2 擺式加速度計,二 撓性加速度計,撓性加速度計的系統(tǒng)的方框圖,2020/8/3,35,5.2 擺式加速度計,二 撓性加速度計,2020/8/3,36,5.2 擺式加速度計,二 撓性加速度計,石英撓性 加速度計,2020/8/3,37,5.2 擺式加速度計,二 撓性加速度計,石英撓性 加速度計,2020/8/3,38,5.

12、2 擺式加速度計,二 撓性加速度計,石英撓性 加速度計,2020/8/3,39,5.2 擺式加速度計,三 陀螺積分加速度計,由雙自由度陀螺儀所構(gòu)成的一種擺式加速度計,2020/8/3,40,5.2 擺式加速度計,三 陀螺積分加速度計,2020/8/3,41,5.2 擺式加速度計,三 陀螺積分加速度計,伺服回路/穩(wěn)定回路,內(nèi)環(huán)軸上的信號器 伺服放大器 外環(huán)軸上的力矩器,2020/8/3,42,5.2 擺式加速度計,三 陀螺積分加速度計,陀螺積分加速度計的運動方程,2020/8/3,43,5.2 擺式加速度計,三 陀螺積分加速度計,陀螺積分加速度計的系統(tǒng)方框圖,2020/8/3,44,5.2 擺式

13、加速度計,三 陀螺積分加速度計,陀螺儀繞內(nèi)環(huán)軸和外環(huán)軸的穩(wěn)定轉(zhuǎn)角,（1）外環(huán)軸上的干擾力矩引起陀螺儀繞內(nèi)環(huán)軸的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)角。當(dāng)伺服回路的增益足夠大時，該轉(zhuǎn)角是足夠小的，即自轉(zhuǎn)軸仍然相當(dāng)精確地與外環(huán)保持垂直，從而可以消除外環(huán)軸上干擾力矩對儀表工作的影響。 （2）陀螺儀的輸出轉(zhuǎn)角中包含了內(nèi)環(huán)軸上干擾力矩的影響，從而造成儀表的測量誤差。,2020/8/3,45,5.2 擺式加速度計,四 硅微擺式加速度計,典型結(jié)構(gòu),2020/8/3,46,5.2 擺式加速度計,四 硅微擺式加速度計,簡單電路,2020/8/3,47,5.3 振梁（弦）式加速度計,一 石英振梁加速度計（VBA）,利用石英諧振器的力頻特性，將

14、加速度通過檢測質(zhì)量轉(zhuǎn)換為慣性力而引起石英晶體諧振器的形變，使諧振器的固有頻率發(fā)生變化，再通過測量兩個諧振器的差頻得到加速度值。,2020/8/3,48,5.3 振梁（弦）式加速度計,一 石英振梁加速度計,2020/8/3,49,5.3 振梁（弦）式加速度計,一 石英振梁加速度計,2020/8/3,50,5.3 振梁（弦）式加速度計,一 石英振梁加速度計,阻尼隙,石英晶體諧振器,輸入軸,擺,撓性接頭,2020/8/3,51,5.3 振梁（弦）式加速度計,二 振梁式硅微加速度計,2020/8/3,52,5.3 振梁（弦）式加速度計,二 振梁式硅微加速度計,錨點,2020/8/3,53,5.3 振梁（弦）式加速度計,二 振梁式硅微加速度計,2020/8/3,54,5.3 振梁（弦）式加速度計,二 振梁式硅微加速度計,2020/8/3,55,5.3 振梁（弦）式加速度計,二 振梁式硅微加速度計,2020/8/3,56,5.3 振梁（弦）式加速度計,二 振梁式硅微加速度計,2020/8/3,57,5.3 振梁（弦）式加速度計,二 振梁式硅微加速度計,2020/8/3,58,5.3 振梁（弦）式加速度計,二 振梁式硅微加速度計,2020/8/3,59,5.3 振梁（弦）式加速度計,二 振梁式硅微加速度計,2020/8/3,60,5.4 光纖