一种摆式大量程加速度计的设计

　　0前言

　　惯性导航和惯性制导依据牛顿力学原理,利用加速度计来测量运动载体的加速度,通过积分来得到速度和位置等导航数据为运动载体提供精确的姿态基准。它不受外部无线电波的干扰,不需要与地面基地保持联系,不受气候的影响,不受磁场的影响。它也不需要外界的参考基准,是一种自主性强、精度高、安全可靠的导航技术。无论是惯性导航还是惯性制导都以加速度计敏感、测量载体运动加速度为基础的。因此,加速度计在惯性导航与惯性制导系统中的重要作用是显而易见的。

　　1　工作原理

　　本文介绍的大量程加速度计是利用惯性原理测量线加速度的传感器,它是一种摆式加速度计,主要由作为质量块的摆组件、敏感并平衡惯性力的力矩器和测量位移的电涡流传感器及伺服电路模块组成。图1为电动关系图。

　　磁电式力矩传感器是由摆框架1、悬吊摆框架的悬丝2及放置摆框架的带有永磁铁3的导磁体的空气隙所组成。摆框架是加速度计的敏感元件,并且具有一个自由度———沿着垂直于框架平面的敏感轴方向。在摆框架上刚性地固定着金属铁芯(板材),即涡流片4。敏感元件的角位置传感器由两个具有相同电感的对称线圈5组成,该电感按推挽差动线路连接到自激振荡器6(变换器)处。涡流片刚性固定在摆框架上,并且被放在对称线圈之间。在没有加速度作用时,涡流片处于线圈的中间,变换器的输出为零。当有线性加速度作用到摆框架时,使它离开平衡位置,产生力矩:

式中:M为作用的惯性力矩,N·m;m为摆框架的惯性质量, kg;a为作用的加速度,m·s-2;r为从转轴到摆框架质量中心的距离,m。

　　安装在摆框架上的涡流片与摆框架一起移动,这时候线圈的电感量和Q值改变,在变换器输出端的直流电流分量取决于线圈参数的变化和正比于摆框架的偏转角。这样,在M力矩的作用下,摆框架的偏转变换成了输出电压。从变换器出来的信号加到放大器7上,经放大的信号加到摆框架,使摆框架线圈中的电流与永磁铁的磁场相互作用,产生反作用力矩M′,它阻碍了摆框架对平衡位置的偏离。

式中:B为永磁铁在空气隙中的磁感应强度, Gs;W为摆框架线圈的圈数;L为摆框架线圈的平均长度,m;I为摆框架线圈中的电流,A;r′为力矩器的作用力臂,m。

　　在平衡状态时(r=r′),有

　　I/a这个量值说明直流加速度计的电流特性,称其为加速度计的电流斜率(k1)。

　　在单轴摆式加速度计中,由力矩再平衡回路产生的力矩来平衡加速度所引起的摆性力矩,在这种闭环工作状态下,摆组件的运动方程式为