尹立鵬, 陳 娟, 王 虎

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,吉林長(zhǎng)春 130012)

0 引 言

加速度計(jì)是慣性測(cè)量和導(dǎo)航系統(tǒng)的主要慣性元件之一,它的輸出與運(yùn)載體的運(yùn)動(dòng)加速度成比例,其作用原理是基于牛頓的經(jīng)典力學(xué)定律。自二次世界大戰(zhàn)中德國(guó)人成功在V_2型火箭上應(yīng)用第一個(gè)積分加速度計(jì)以來(lái),便有近百種不同類(lèi)型的加速度計(jì)問(wèn)世。從最初的機(jī)械式發(fā)展到液浮、氣浮、磁懸浮,到60年代后期的撓性、靜電、激光、壓電晶體諧振式等特殊支承形式的儀表。特別是近十幾年來(lái),隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,慣導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)加速度計(jì)精度、體積、重量、壽命、結(jié)構(gòu)牢固性、可靠性提出了越來(lái)越高的要求,同時(shí),在研制加速度計(jì)時(shí)不斷采用了新技術(shù)、新材料、新工藝,因而推進(jìn)了加速度計(jì)的產(chǎn)生與發(fā)展。文中介紹了加速度計(jì)的基本工作原理,給出了幾種加速度計(jì)在工業(yè)中的應(yīng)用實(shí)例,可以為相關(guān)領(lǐng)域提供技術(shù)參考。

1 加速度工作原理及應(yīng)用

1.1 加速度計(jì)的基本工作原理

加速度計(jì)是根據(jù)慣性原理相對(duì)慣性空間工作。直接測(cè)量加速度本身是很困難的,雖然載體的加速度可以通過(guò)位移傳感器或速度傳感器獲得,但通常大多數(shù)加速度計(jì)是借助敏感質(zhì)量將加速度變成力進(jìn)行間接測(cè)量的。根據(jù)牛頓第二定律,作用于物體上的力等于該物體的質(zhì)量乘以加速度。換言之,加速度作用在敏感質(zhì)量上,敏感質(zhì)量將其感應(yīng)為慣性力,測(cè)量該慣性力,就可以間接地測(cè)量到載體的加速度。

加速度計(jì)的基本力學(xué)模型是一個(gè)質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)[1]。

如果將加速度計(jì)的殼體固定在載體上,只要能把敏感質(zhì)量在敏感軸方向相對(duì)殼體的位移x測(cè)出來(lái),便可以把它作為加速度a的直接度量。敏感質(zhì)量越大,彈性剛度越小,即系統(tǒng)的諧振頻率越低,則加速度計(jì)的靈敏度就越高?；蛘哒f(shuō),帶寬和靈敏度是一種折衷關(guān)系,即要實(shí)現(xiàn)高的靈敏度,就需要降低諧振頻率。

1.2 加速度計(jì)的分類(lèi)及應(yīng)用

近年來(lái)加速度計(jì)的發(fā)展速度很快,從最初的機(jī)械式發(fā)展到液浮、氣浮、磁懸浮,以及后來(lái)的撓性、靜電、激光、壓電晶體諧振式等。加速度計(jì)的種類(lèi)繁多,優(yōu)缺點(diǎn)也各不相同。電容式加速度計(jì)具有溫度系數(shù)小、穩(wěn)定性好、靈敏度高,且可以通過(guò)靜電恢復(fù)力工作在力平衡模式等優(yōu)點(diǎn),缺點(diǎn)是其處理電路復(fù)雜、容易受外界環(huán)境寄生電容的影響;壓阻式加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)和檢測(cè)電路簡(jiǎn)單,器件成本低、工藝簡(jiǎn)單,動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好,輸出線(xiàn)性度高,但是器件存在較大的溫度漂移,而且工藝過(guò)程中的殘余應(yīng)力會(huì)對(duì)壓敏電阻產(chǎn)生影響,從而降低了器件的性能;壓電式加速度計(jì)有高的靈敏度和寬的帶寬,但壓電材料極化產(chǎn)生的是直流電荷,所以壓電測(cè)量在低頻時(shí)變得很困難,從而使其低頻特性不好,而且壓電材料的使用器件加工不易與CMOS工藝兼容[2]。

1.2.1 電容式加速度計(jì)

電容式加速度傳感器的原理是通過(guò)質(zhì)量塊形成慣性力作用于系統(tǒng),并通過(guò)測(cè)量差動(dòng)電容的變化來(lái)檢測(cè)加速度信號(hào)。電容式加速度傳感器的工作原理如圖1所示。

圖1 電容式加速度計(jì)數(shù)學(xué)模型

從電學(xué)角度,電容式加速度傳感器可以等效為一對(duì)串聯(lián)在一起的電容,質(zhì)量塊為串聯(lián)電容的公共端。當(dāng)加速度a=0時(shí),質(zhì)量塊位于平衡位置,兩差動(dòng)電容相等,當(dāng)加速度a≠0時(shí),質(zhì)量塊受到加速度引起的慣性力產(chǎn)生位移x,從而引起電容的變化,質(zhì)量塊由于加速度造成的微小位移可轉(zhuǎn)化為差動(dòng)電容的變化,并且兩電容的差值與位移量成正比。因此,加速度的不同輸入可對(duì)應(yīng)不同的電容變化,將電容變化通過(guò)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換成電信號(hào),就可以用這個(gè)電信號(hào)來(lái)表征被測(cè)加速度的大小[3]。

文獻(xiàn)[4]為了獲得一種過(guò)載量程比高于1 000∶1的加速度計(jì),采用水銀來(lái)代替固體作為彈性敏感元件,選擇水銀是因?yàn)樗y在常溫下是液態(tài)金屬,并且具有表面張力和密度都很大的特點(diǎn)。

水銀電容加速度計(jì)原理如圖2所示。

從圖2可以看出,封閉在圓柱腔內(nèi)一定量的水銀與圓柱端面的電極構(gòu)成一對(duì)差動(dòng)電容。水銀的表面張力很大,故水銀在圓柱端角處形成的曲面取決于其內(nèi)部的壓力。根據(jù)流體力學(xué)原理,該壓力隨著所施加速度的不同而改變。左圖是加速度為零時(shí)水銀的輪廓線(xiàn),右圖是加速度為一個(gè)g時(shí)的情形。端曲面發(fā)生變化,C1和C2就會(huì)變化,因此,原理上利用C1和C2的變化就能夠測(cè)得加速度的大小。通過(guò)合適的設(shè)計(jì)可以得到滿(mǎn)意的線(xiàn)性度,水銀的高彈性和大密度使該加速度計(jì)具有高靈敏度;水銀代替?zhèn)鹘y(tǒng)的固體彈性元件,使該傳感器不易損壞且可恢復(fù)。

圖2 水銀電容加速度計(jì)原理圖

1.2.2 光纖加速度計(jì)

光纖傳感器是以光纖的導(dǎo)波現(xiàn)象為基礎(chǔ),將待測(cè)量在光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獠▍⒘窟M(jìn)行調(diào)制,光從光纖射出時(shí),光的特性得到調(diào)制,通過(guò)對(duì)調(diào)制光的檢測(cè),便能感知外界的信息,實(shí)現(xiàn)對(duì)各種物理量的測(cè)量,這就是光纖傳感器的基本原理[5]。

光纖傳感器應(yīng)用廣泛,目前,已可以作為測(cè)量加速度、速度、角速度、位移、壓力、彎曲等70多個(gè)物理量的傳感單元[6]。

文獻(xiàn)[7]通過(guò)采用GRIN透鏡這一光學(xué)元件,使光纖傳感器的測(cè)量范圍和靈敏度獲得極大的提高。該光纖加速度計(jì)取1/4波節(jié)長(zhǎng)度的GRIN透鏡,并在其一端鍍上反射膜,在透鏡的另一端光軸處并列裝置2個(gè)光纖,稱(chēng)為源光纖和接收光纖。

微型光纖加速度計(jì)如圖3所示。

圖3 微型光纖加速度計(jì)

由于質(zhì)量塊和漸變折射率透鏡固聯(lián),當(dāng)有加速度存在時(shí),敏感質(zhì)量m就能敏感到慣性力,并引起質(zhì)量塊的微小位移,這就使得耦合到入射光纖的光功率發(fā)生變化。然后經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換、放大、濾波、解調(diào)、校正和脈寬調(diào)制等處理,產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào),以提供正確的慣性測(cè)量信息。同時(shí),利用這一信號(hào)控制電流橋式開(kāi)關(guān),進(jìn)而控制了通過(guò)力矩器的電流。此種加速度計(jì)不受輻射和無(wú)線(xiàn)電頻的干擾,影響工作壽命從現(xiàn)有的30 000 h提升到100 000 h,測(cè)量范圍為0.00 001～150 g。

1.2.3 液環(huán)式加速度計(jì)

液環(huán)式角加速度傳感器是用來(lái)測(cè)量載體相對(duì)于其所對(duì)應(yīng)軸線(xiàn)的角加速度,并給出與角加速度成正比的電信號(hào),電信號(hào)極性與角加速度的符號(hào)相對(duì)應(yīng)?；竟ぷ髟頌?液環(huán)內(nèi)的特殊工作液體作為慣性質(zhì)量相對(duì)于轉(zhuǎn)換器件運(yùn)動(dòng)時(shí),因液體的流動(dòng)導(dǎo)致“轉(zhuǎn)換器件-液體”界面處電荷的轉(zhuǎn)移。通過(guò)測(cè)量液體流動(dòng)電勢(shì)便可直接得到與角加速度信號(hào)相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)。

文獻(xiàn)[8]研究了一種新型的液環(huán)式角加速度計(jì)。這種角加速度計(jì)主要由基準(zhǔn)板、放大電路及液環(huán)構(gòu)成,其中液環(huán)是核心部分,它由液體腔、液體、電極和轉(zhuǎn)換器件組成。

1.2.4 液浮擺式加速度計(jì)

液浮擺式加速度計(jì)的實(shí)質(zhì)是利用浮力平衡重力,反饋力矩平衡慣性力矩的閉環(huán)力平衡式加速度傳感器。該加速度計(jì)具有靈敏度高、穩(wěn)定性和可靠性高、抗沖擊振動(dòng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),但其體積大,加工和裝配工藝要求非常嚴(yán)格[9]。

液浮擺式加速度計(jì)原理如圖4所示。

當(dāng)沿儀表的輸入軸有加速度輸入時(shí),加速度通過(guò)擺性將產(chǎn)生擺力矩作用在擺組件上,使它繞輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)。擺組件繞輸出軸相對(duì)殼體的偏轉(zhuǎn)角θ由信號(hào)器敏感,其輸出為與偏轉(zhuǎn)角成比例的電壓信號(hào)。該電壓輸入到伺服放大器,其輸出為與電壓成比例的電流信號(hào)。該電流輸給力矩器,產(chǎn)生與電流成比例的力矩。這一力矩繞輸出軸作用在擺組件上,在穩(wěn)態(tài)時(shí)它與擺力矩相平衡,此時(shí)力矩器的加矩電流便與輸入加速度成比例,通過(guò)采樣電阻則可獲得與輸入加速度成比例的電壓信號(hào)。

目前,國(guó)外液浮擺式加速度計(jì)產(chǎn)品量程為±60 g,偏值為20 μ g,閾值為1 μ g,國(guó)內(nèi)該種產(chǎn)品量程為±10 g,偏值為20 μ g,閾值為1 μ g[10]。

圖4 液浮擺式加速度計(jì)原理圖

1.2.5 壓電式加速度計(jì)

當(dāng)晶體受到某固定方向外力的作用時(shí),內(nèi)部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象,同時(shí)在某兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷;當(dāng)外力撤去后,晶體又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài);當(dāng)外力作用方向改變時(shí),電荷的極性也隨之改變;晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。這種由于機(jī)械力作用使介質(zhì)發(fā)生極化的現(xiàn)象稱(chēng)為正壓電效應(yīng)。壓電式角加速度傳感器利用了角加速度能使其內(nèi)部晶體變形這一特性,由于這種變形會(huì)產(chǎn)生電壓,只要計(jì)算出電壓與角加速度之間的關(guān)系,就可以將角加速度轉(zhuǎn)化為電壓輸出[11]。

文獻(xiàn)[12]制成一種壓電陀螺,其基本元件是一根矩形梁,梁是恒彈性合金,由兩個(gè)基頻模節(jié)點(diǎn)支撐,梁表面貼上兩對(duì)換能器,一對(duì)接驅(qū)動(dòng)電路,使梁振動(dòng);另一對(duì)接讀出電路,輸出與角加速度成正比例的模擬量,該信號(hào)經(jīng)過(guò)微分和濾波后即可得到直流角加速度信號(hào)。為了減少溫度變化帶來(lái)的誤差,在系統(tǒng)中連接了零位補(bǔ)償電路。該傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了固體化,故不需要定期維修,具有高可靠性。這種傳感器已在導(dǎo)彈、艦船、飛機(jī)以及在陸地上、水下和空中需要敏感角速度和角加速度的運(yùn)行體上廣泛應(yīng)用。

壓電晶體加速度計(jì)如圖5所示。

圖5 壓電晶體加速度計(jì)

為了降低加速度的動(dòng)態(tài)噪聲,使加速度計(jì)的輸出呈現(xiàn)很低的阻抗,文獻(xiàn)[13]提出將電荷放大器直接安裝在壓電傳感器內(nèi)部的設(shè)計(jì)方法,這種傳感器的電壓靈敏度為2 V/g;頻響為0.03 Hz～1.5 kHz;橫向靈敏度＜5%,測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍為1.5～5 g。壓電傳感器在其受敏感軸向的外力作用時(shí)就會(huì)產(chǎn)生電荷,但是產(chǎn)生的電荷很少,必須經(jīng)過(guò)阻抗變換和信號(hào)放大處理。由于壓電傳感器與儀表配套使用時(shí),隨著連接電纜長(zhǎng)度的增加,電纜分布電容增大,絕緣漏電阻變小。這種變化不僅增加了加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)噪聲,而更重要的是很容易使放大器零點(diǎn)漂移出可測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍。為了克服上述缺點(diǎn),采用了內(nèi)裝電荷放大器的方法,使連接電纜的影響從根本上消除。此種加速度計(jì)不但在技術(shù)上比較先進(jìn),而且?guī)?lái)的經(jīng)濟(jì)效益也是可觀的。因?yàn)樗〈税嘿F的電荷放大器,減少了中間環(huán)節(jié)和儀器,大大提高了振動(dòng)測(cè)量精度。

美國(guó)PCB公司推出了一種彎曲型加速度計(jì),當(dāng)加速度計(jì)的底部感受振動(dòng)時(shí),壓電陶瓷組合件因其中點(diǎn)被固定,其兩端便在力的作用下上下彎曲變形,它的彎曲變形量與感受的振動(dòng)量成正比。為了能易于變形,敏感元件由厚度各為0.2 mm的3個(gè)元件組成,上下二層為壓電片。中間一層為銅箔片,銅箔片起到了既增加強(qiáng)度,又能良好導(dǎo)電的作用。這種加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零部件少、重量輕,但是裝配的要求高,必須做到陶瓷組合件安裝平穩(wěn),并對(duì)稱(chēng)于中心線(xiàn)[14]。

1.2.6 壓阻式加速度計(jì)

當(dāng)半導(dǎo)體受到應(yīng)力作用時(shí),由于載流子遷移率的變化,使其電阻率也隨之發(fā)生變化,即產(chǎn)生所謂壓阻效應(yīng)[15]。利用壓阻效應(yīng)這一特性可以制成加速度傳感器,用相應(yīng)的電信號(hào)來(lái)表征加速度信息。文獻(xiàn)[16]采用壓電陶瓷傳感器作為感應(yīng)環(huán)節(jié),在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),壓電陶瓷會(huì)在垂直于傳感器軸線(xiàn)的環(huán)向上產(chǎn)生一個(gè)與角加速度成比例的電勢(shì);而在軸向運(yùn)動(dòng)時(shí),則會(huì)在壓電陶瓷的上下表面產(chǎn)生一個(gè)與線(xiàn)加速度成比例的電勢(shì),通過(guò)檢測(cè)不同方向上的電勢(shì),即可得到運(yùn)動(dòng)的角加速度和線(xiàn)加速度,并可從線(xiàn)運(yùn)動(dòng)中分離出旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),此型傳感器主要應(yīng)用于可穿戴健康診療儀器上。為克服傳統(tǒng)角加速度傳感器重量和體積偏大的缺點(diǎn),文獻(xiàn)[17]最早采用了微細(xì)加工方法,并應(yīng)用IC技術(shù)和各向異性的硅諧振梁,提出了基于壓阻效應(yīng)的硅諧振梁式角加速度傳感器,使得此型傳感器具有體積小、重量輕和精度高的特點(diǎn),而且消除了溫度對(duì)傳感器的影響,在工業(yè)機(jī)器人控制中得到了應(yīng)用。

2 結(jié) 語(yǔ)

文中主要介紹了加速度計(jì)的幾種工作原理及其在工程中的實(shí)際應(yīng)用,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,加速度計(jì)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用到了實(shí)際生活中,加速度計(jì)也必將朝著體積更加微小、測(cè)量更加精確的方向發(fā)展下去。

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