1、2020/8/3,1,第 五 章,加 速 度 計(jì),2020/8/3,2,5.1 加速度測(cè)量的基本原理,一 加速度測(cè)量的力學(xué)原理與加速度計(jì)基本方程,彈簧 C,阻尼D,a,穩(wěn)態(tài)時(shí)：,其中：,2020/8/3,3,5.1 加速度測(cè)量的基本原理,一 加速度測(cè)量的力學(xué)原理與加速度計(jì)基本方程,對(duì)于近地空間的加速度計(jì)來(lái)說(shuō)，只考慮檢測(cè)質(zhì)量塊的相對(duì)位移同時(shí)受到重力的影響。,穩(wěn)態(tài)時(shí)：,2020/8/3,4,5.1 加速度測(cè)量的基本原理,一 加速度測(cè)量的力學(xué)原理與加速度計(jì)基本方程,簡(jiǎn)單加速度計(jì)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(huì)引起加速度計(jì)的輸出誤差，這種加速度計(jì)

2、很難獲得更高的靈敏度和測(cè)量精度。,2020/8/3,5,5.1 加速度測(cè)量的基本原理,二 比力及比力計(jì),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(cè)量的基本原理,二 比力及比力計(jì),慣性參考系,地心系,比力計(jì)外殼,檢測(cè)質(zhì)量 m 的運(yùn)動(dòng)微分方程為,2020/8/3,7,5.1 加速度測(cè)量的基本原理,二 比力及比力計(jì),2020/8/3,8,5.1 加速度測(cè)量的基本原理,二 比力及比力計(jì),以比力計(jì)整體作為研究對(duì)象,比力是比力計(jì)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(cè)量的基本

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

4、理,二 比力及比力計(jì),幾種特殊情況：,當(dāng)比力計(jì)沿地垂線自由下落時(shí)：,當(dāng)比力計(jì)靜止不動(dòng)時(shí)：,當(dāng)比力計(jì)敏感軸垂直于地垂線時(shí)：,2020/8/3,14,5.1 加速度測(cè)量的基本原理,三 地球重力場(chǎng),當(dāng)載體在近地表面運(yùn)動(dòng)時(shí)，加速度計(jì)所敏感的比力為：,2020/8/3,15,5.1 加速度測(cè)量的基本原理,三 地球重力場(chǎng),載體相對(duì)于地球的運(yùn)動(dòng)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(cè)量坐標(biāo)系中：,2020/8/3,16,5.1 加速度測(cè)量的基本原理,當(dāng)安裝加速度計(jì)的載體相對(duì)地球運(yùn)動(dòng)時(shí)，比力計(jì)的敏感量包括四項(xiàng)：,三 地球重力場(chǎng),載體相對(duì)地球的運(yùn)動(dòng)速度在測(cè)量坐標(biāo)系中的變化率,測(cè)量坐標(biāo)

5、系相對(duì)地球的轉(zhuǎn)動(dòng)所引起的向心加速度,因載體運(yùn)動(dòng)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(jì),單自由度無(wú)約束擺式加速度計(jì)是導(dǎo)航系統(tǒng)中最為 常用的一種加速計(jì)。這種加速度計(jì)工作于閉環(huán)狀態(tài)。,液浮擺式加速度計(jì),撓性擺式加速度計(jì),硅微加速度計(jì),陀螺積分?jǐn)[式加速度計(jì),2020/8/3,18,5.2 擺式加速度計(jì),一 液浮擺式加速度計(jì),液體懸浮技術(shù)成功應(yīng)用于擺式加速度計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)的擺和標(biāo)定質(zhì)

6、量支承，限制了儀表的靈敏度，由于動(dòng)摩擦力的大小和方向與擺的運(yùn)動(dòng)方向密切相關(guān)，具有典型的非線性和隨機(jī)性質(zhì)，補(bǔ)償起來(lái)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(jì),一 液浮擺式加速度計(jì),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(shí)，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(jì),一 液浮擺式加速度計(jì),2020/8/3,21,5.2 擺式加速度計(jì),一 液浮擺式加速度計(jì),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

7、矩作用在擺組件上，使其繞輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)信號(hào)器敏感擺組件繞輸出軸相對(duì)殼體的偏轉(zhuǎn)角，輸出與偏轉(zhuǎn)角成比例的電壓信號(hào)，電壓信號(hào)經(jīng)伺服放大器后，轉(zhuǎn)換為與電壓成比例的電流信號(hào)，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(shí)，力矩器的輸出力矩與擺力矩相平衡。此時(shí)，力矩器的施矩電流便與輸入加速度成比例。通過(guò)采樣電阻獲得與輸入加速度成比例的電壓信號(hào)。,2020/8/3,22,5.2 擺式加速度計(jì),一 液浮擺式加速度計(jì),2020/8/3,23,5.2 擺式加速度計(jì),一 液浮擺式加速度計(jì),由信號(hào)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(jì),一 液浮擺式加速度計(jì),液浮擺式加速度計(jì)的運(yùn)動(dòng)方程：,2020/8/3,25,5.2 擺式加速度計(jì),一 液浮擺式加速度計(jì),液浮擺式加速度計(jì)的運(yùn)動(dòng)方程：,沿輸入軸作用的加速度為：,若組件的偏角較大時(shí) ，不僅會(huì)降低所要測(cè)量加速度的靈敏度，而且還會(huì)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(jì),一 液浮擺式加速度計(jì),在液浮擺式加速度計(jì)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(gè)閉合回路中，擺組件的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)方程為：,2020/8/3,27,5.2 擺式加速度計(jì),一 液浮擺

9、式加速度計(jì),2020/8/3,28,5.2 擺式加速度計(jì),二 撓性加速度計(jì),液浮擺式加速度計(jì)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(shì)的日益增長(zhǎng)，在六十年代中期開(kāi)始出現(xiàn)了新型的采用撓性支承的所謂撓性加速度計(jì)，其結(jié)構(gòu)與工藝大為簡(jiǎn)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(jì)也是一種擺式加速度計(jì)，它與液浮加速度計(jì)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(shí)，由此引入的微小的彈性力矩往往可以忽略不計(jì)。,2020/8/3,29,5.2 擺式加速度計(jì),二 撓性加速度計(jì),撓性加速度計(jì)也

10、是一種擺式加速度計(jì)。與液浮加速度計(jì)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(shí)，由此引入的微小的彈性力矩往往可以忽略不計(jì)。,2020/8/3,30,5.2 擺式加速度計(jì),二 撓性加速度計(jì),2020/8/3,31,5.2 擺式加速度計(jì),二 撓性加速度計(jì),擺組件的擺性：,2020/8/3,32,5.2 擺式加速度計(jì),二 撓性加速度計(jì),在撓性加速度計(jì)中，同樣是由力矩再平衡回路所產(chǎn)生的力矩來(lái)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(jì)中所提到的各項(xiàng)力矩外

11、，作用在撓性加速度計(jì)擺組件上的力矩，增加了擺組件出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)角時(shí)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(jì),二 撓性加速度計(jì),閉環(huán)工作條件下，采用與液浮擺式加速度計(jì)相同的坐標(biāo)系定義，可以得到撓性加速度計(jì)擺組件的運(yùn)動(dòng)方程為,2020/8/3,34,5.2 擺式加速度計(jì),二 撓性加速度計(jì),撓性加速度計(jì)的系統(tǒng)的方框圖,2020/8/3,35,5.2 擺式加速度計(jì),二 撓性加速度計(jì),2020/8/3,36,5.2 擺式加速度計(jì),二 撓性加速度計(jì),石英撓性 加速度計(jì),2020/8/3,37,5.2 擺式加速度計(jì),二 撓性加速度計(jì),石英撓性 加速度計(jì),2020/8/3,38,5.

12、2 擺式加速度計(jì),二 撓性加速度計(jì),石英撓性 加速度計(jì),2020/8/3,39,5.2 擺式加速度計(jì),三 陀螺積分加速度計(jì),由雙自由度陀螺儀所構(gòu)成的一種擺式加速度計(jì),2020/8/3,40,5.2 擺式加速度計(jì),三 陀螺積分加速度計(jì),2020/8/3,41,5.2 擺式加速度計(jì),三 陀螺積分加速度計(jì),伺服回路/穩(wěn)定回路,內(nèi)環(huán)軸上的信號(hào)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(jì),三 陀螺積分加速度計(jì),陀螺積分加速度計(jì)的運(yùn)動(dòng)方程,2020/8/3,43,5.2 擺式加速度計(jì),三 陀螺積分加速度計(jì),陀螺積分加速度計(jì)的系統(tǒng)方框圖,2020/8/3,44,5.2 擺式

13、加速度計(jì),三 陀螺積分加速度計(jì),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(shí)，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(duì)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(cè)量誤差。,2020/8/3,45,5.2 擺式加速度計(jì),四 硅微擺式加速度計(jì),典型結(jié)構(gòu),2020/8/3,46,5.2 擺式加速度計(jì),四 硅微擺式加速度計(jì),簡(jiǎn)單電路,2020/8/3,47,5.3 振梁（弦）式加速度計(jì),一 石英振梁加速度計(jì)（VBA）,利用石英諧振器的力頻特性，將

14、加速度通過(guò)檢測(cè)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(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)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(jì),一 石英振梁加速度計(jì),2020/8/3,49,5.3 振梁（弦）式加速度計(jì),一 石英振梁加速度計(jì),2020/8/3,50,5.3 振梁（弦）式加速度計(jì),一 石英振梁加速度計(jì),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(jì),二 振梁式硅微加速度計(jì),2020/8/3,52,5.3 振梁（弦）式加速度計(jì),二 振梁式硅微加速度計(jì),錨點(diǎn),2020/8/3,53,5.3 振梁（弦）式加速度計(jì),二 振梁式硅微加速度計(jì),2020/8/3,54,5.3 振梁（弦）式加速度計(jì),二 振梁式硅微加速度計(jì),2020/8/3,55,5.3 振梁（弦）式加速度計(jì),二 振梁式硅微加速度計(jì),2020/8/3,56,5.3 振梁（弦）式加速度計(jì),二 振梁式硅微加速度計(jì),2020/8/3,57,5.3 振梁（弦）式加速度計(jì),二 振梁式硅微加速度計(jì),2020/8/3,58,5.3 振梁（弦）式加速度計(jì),二 振梁式硅微加速度計(jì),2020/8/3,59,5.3 振梁（弦）式加速度計(jì),二 振梁式硅微加速度計(jì),2020/8/3,60,5.4 光纖