加速度計應用

尹立鵬, 陳 娟, 王 虎

(長春工業大學電氣與電子工程學院,吉林長春 130012)

0 引 言

加速度計是慣性測量和導航系統的主要慣性元件之一,它的輸出與運載體的運動加速度成比例,其作用原理是基于牛頓的經典力學定律。自二次世界大戰中德國人成功在V_2型火箭上應用第一個積分加速度計以來,便有近百種不同類型的加速度計問世。從最初的機械式發展到液浮、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,隨著科學技術的飛速發展,慣導系統對加速度計精度、體積、重量、壽命、結構牢固性、可靠性提出了越來越高的要求,同時,在研制加速度計時不斷采用了新技術、新材料、新工藝,因而推進了加速度計的產生與發展。文中介紹了加速度計的基本工作原理,給出了幾種加速度計在工業中的應用實例,可以為相關領域提供技術參考。

1 加速度工作原理及應用

1.1 加速度計的基本工作原理

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

加速度計的基本力學模型是一個質量-彈簧-阻尼系統[1]。

如果將加速度計的殼體固定在載體上,只要能把敏感質量在敏感軸方向相對殼體的位移x測出來,便可以把它作為加速度a的直接度量。敏感質量越大,彈性剛度越小,即系統的諧振頻率越低,則加速度計的靈敏度就越高。或者說,帶寬和靈敏度是一種折衷關系,即要實現高的靈敏度,就需要降低諧振頻率。

1.2 加速度計的分類及應用

近年來加速度計的發展速度很快,從最初的機械式發展到液浮、氣浮、磁懸浮,以及后來的撓性、靜電、激光、壓電晶體諧振式等。加速度計的種類繁多,優缺點也各不相同。電容式加速度計具有溫度系數小、穩定性好、靈敏度高,且可以通過靜電恢復力工作在力平衡模式等優點,缺點是其處理電路復雜、容易受外界環境寄生電容的影響;壓阻式加速度計的結構和檢測電路簡單,器件成本低、工藝簡單,動態響應特性好,輸出線性度高,但是器件存在較大的溫度漂移,而且工藝過程中的殘余應力會對壓敏電阻產生影響,從而降低了器件的性能;壓電式加速度計有高的靈敏度和寬的帶寬,但壓電材料極化產生的是直流電荷,所以壓電測量在低頻時變得很困難,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

電容式加速度傳感器的原理是通過質量塊形成慣性力作用于系統,并通過測量差動電容的變化來檢測加速度信號。電容式加速度傳感器的工作原理如圖1所示。

圖1 電容式加速度計數學模型

從電學角度,電容式加速度傳感器可以等效為一對串聯在一起的電容,質量塊為串聯電容的公共端。當加速度a=0時,質量塊位于平衡位置,兩差動電容相等,當加速度a≠0時,質量塊受到加速度引起的慣性力產生位移x,從而引起電容的變化,質量塊由于加速度造成的微小位移可轉化為差動電容的變化,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應不同的電容變化,將電容變化通過測量電路轉換成電信號,就可以用這個電信號來表征被測加速度的大小[3]。

文獻[4]為了獲得一種過載量程比高于1 000∶1的加速度計,采用水銀來代替固體作為彈性敏感元件,選擇水銀是因為水銀在常溫下是液態金屬,并且具有表面張力和密度都很大的特點。

水銀電容加速度計原理如圖2所示。

從圖2可以看出,封閉在圓柱腔內一定量的水銀與圓柱端面的電極構成一對差動電容。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部的壓力。根據流體力學原理,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水銀的輪廓線,右圖是加速度為一個g時的情形。端曲面發生變化,C1和C2就會變化,因此,原理上利用C1和C2的變化就能夠測得加速度的大小。通過合適的設計可以得到滿意的線性度,水銀的高彈性和大密度使該加速度計具有高靈敏度;水銀代替傳統的固體彈性元件,使該傳感器不易損壞且可恢復。

圖2 水銀電容加速度計原理圖

1.2.2 光纖加速度計

光纖傳感器是以光纖的導波現象為基礎,將待測量在光纖內傳輸的光波參量進行調制,光從光纖射出時,光的特性得到調制,通過對調制光的檢測,便能感知外界的信息,實現對各種物理量的測量,這就是光纖傳感器的基本原理[5]。

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

文獻[7]通過采用GRIN透鏡這一光學元件,使光纖傳感器的測量范圍和靈敏度獲得極大的提高。該光纖加速度計取1/4波節長度的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個光纖,稱為源光纖和接收光纖。

微型光纖加速度計如圖3所示。

圖3 微型光纖加速度計

由于質量塊和漸變折射率透鏡固聯,當有加速度存在時,敏感質量m就能敏感到慣性力,并引起質量塊的微小位移,這就使得耦合到入射光纖的光功率發生變化。然后經過光電轉換、放大、濾波、解調、校正和脈寬調制等處理,產生脈寬調制信號,以提供正確的慣性測量信息。同時,利用這一信號控制電流橋式開關,進而控制了通過力矩器的電流。此種加速度計不受輻射和無線電頻的干擾,影響工作壽命從現有的30 000 h提升到100 000 h,測量范圍為0.00 001～150 g。

1.2.3 液環式加速度計

液環式角加速度傳感器是用來測量載體相對于其所對應軸線的角加速度,并給出與角加速度成正比的電信號,電信號極性與角加速度的符號相對應。基本工作原理為:液環內的特殊工作液體作為慣性質量相對于轉換器件運動時,因液體的流動導致“轉換器件-液體”界面處電荷的轉移。通過測量液體流動電勢便可直接得到與角加速度信號相對應的電信號。

文獻[8]研究了一種新型的液環式角加速度計。這種角加速度計主要由基準板、放大電路及液環構成,其中液環是核心部分,它由液體腔、液體、電極和轉換器件組成。

1.2.4 液浮擺式加速度計

液浮擺式加速度計的實質是利用浮力平衡重力,反饋力矩平衡慣性力矩的閉環力平衡式加速度傳感器。該加速度計具有靈敏度高、穩定性和可靠性高、抗沖擊振動能力強等優點,但其體積大,加工和裝配工藝要求非常嚴格[9]。

液浮擺式加速度計原理如圖4所示。

當沿儀表的輸入軸有加速度輸入時,加速度通過擺性將產生擺力矩作用在擺組件上,使它繞輸出軸轉動。擺組件繞輸出軸相對殼體的偏轉角θ由信號器敏感,其輸出為與偏轉角成比例的電壓信號。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。該電流輸給力矩器,產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,在穩態時它與擺力矩相平衡,此時力矩器的加矩電流便與輸入加速度成比例,通過采樣電阻則可獲得與輸入加速度成比例的電壓信號。

目前,國外液浮擺式加速度計產品量程為±60 g,偏值為20 μ g,閾值為1 μ g,國內該種產品量程為±10 g,偏值為20 μ g,閾值為1 μ g[10]。

圖4 液浮擺式加速度計原理圖

1.2.5 壓電式加速度計

當晶體受到某固定方向外力的作用時,內部就產生電極化現象,同時在某兩個表面上產生符號相反的電荷;當外力撤去后,晶體又恢復到不帶電的狀態;當外力作用方向改變時,電荷的極性也隨之改變;晶體受力所產生的電荷量與外力的大小成正比。這種由于機械力作用使介質發生極化的現象稱為正壓電效應。壓電式角加速度傳感器利用了角加速度能使其內部晶體變形這一特性,由于這種變形會產生電壓,只要計算出電壓與角加速度之間的關系,就可以將角加速度轉化為電壓輸出[11]。

文獻[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,由兩個基頻模節點支撐,梁表面貼上兩對換能器,一對接驅動電路,使梁振動;另一對接讀出電路,輸出與角加速度成正比例的模擬量,該信號經過微分和濾波后即可得到直流角加速度信號。為了減少溫度變化帶來的誤差,在系統中連接了零位補償電路。該傳感器的主要優點是實現了固體化,故不需要定期維修,具有高可靠性。這種傳感器已在導彈、艦船、飛機以及在陸地上、水下和空中需要敏感角速度和角加速度的運行體上廣泛應用。

壓電晶體加速度計如圖5所示。

圖5 壓電晶體加速度計

為了降低加速度的動態噪聲,使加速度計的輸出呈現很低的阻抗,文獻[13]提出將電荷放大器直接安裝在壓電傳感器內部的設計方法,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%,測量動態范圍為1.5～5 g。壓電傳感器在其受敏感軸向的外力作用時就會產生電荷,但是產生的電荷很少,必須經過阻抗變換和信號放大處理。由于壓電傳感器與儀表配套使用時,隨著連接電纜長度的增加,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的動態噪聲,而更重要的是很容易使放大器零點漂移出可測量的動態范圍。為了克服上述缺點,采用了內裝電荷放大器的方法,使連接電纜的影響從根本上消除。此種加速度計不但在技術上比較先進,而且帶來的經濟效益也是可觀的。因為它取代了昂貴的電荷放大器,減少了中間環節和儀器,大大提高了振動測量精度。

美國PCB公司推出了一種彎曲型加速度計,當加速度計的底部感受振動時,壓電陶瓷組合件因其中點被固定,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度,又能良好導電的作用。這種加速度計的結構簡單、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,并對稱于中心線[14]。

1.2.6 壓阻式加速度計

當半導體受到應力作用時,由于載流子遷移率的變化,使其電阻率也隨之發生變化,即產生所謂壓阻效應[15]。利用壓阻效應這一特性可以制成加速度傳感器,用相應的電信號來表征加速度信息。文獻[16]采用壓電陶瓷傳感器作為感應環節,在轉動時,壓電陶瓷會在垂直于傳感器軸線的環向上產生一個與角加速度成比例的電勢;而在軸向運動時,則會在壓電陶瓷的上下表面產生一個與線加速度成比例的電勢,通過檢測不同方向上的電勢,即可得到運動的角加速度和線加速度,并可從線運動中分離出旋轉運動,此型傳感器主要應用于可穿戴健康診療儀器上。為克服傳統角加速度傳感器重量和體積偏大的缺點,文獻[17]最早采用了微細加工方法,并應用IC技術和各向異性的硅諧振梁,提出了基于壓阻效應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,而且消除了溫度對傳感器的影響,在工業機器人控制中得到了應用。

2 結 語

文中主要介紹了加速度計的幾種工作原理及其在工程中的實際應用,隨著科學技術的發展,加速度計越來越廣泛地應用到了實際生活中,加速度計也必將朝著體積更加微小、測量更加精確的方向發展下去。

[1] 張洪震.叉指式硅微機械加速度計設計與檢測技術研究[D]:[碩士學位論文].北京:國防科學技術大學,2006.

[2] 曹學成.電容式微機械加速度計的研究[D]:[碩士學位論文].杭州:浙江大學,2007.

[3] 黨麗輝,胡雪梅.電容式加速度計的表頭結構設計與分析[J].昆明冶金高等專科學校學報,2007(9):29-32.

[4] 馬鐵華,朱 紅.基于水銀的電容式加速度計研究[J].儀器儀表學報,2005(8):382-383.

[5] 倪燕如.一種光纖加速度計傳感原理的物理學分析[J].重慶工學院學報,2008(12):90-92.

[6] 王惠南.采用GRIN透鏡之光纖加速度計原理分析[J].光子學報,1995(2):18-24.

[7] 任海林.微型光纖加速度計系統研究[D]:[碩士學位論文].南京:南京航空航天大學,2004.

[8] 周 密,吳向榮,洪 峰.一種新型的角加速度傳感器[J].航天控制,1999(2):51-54.

[9] 王 波.液浮擺式加速度計測試系統的研究[D]:[碩士學位論文].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2006.

[10] 趙君轍,邢馨婷,楊中柳.線加速度計的現狀與發展趨勢綜述[J].計測技術,2007,27(5):4-7.

[11] 張潔文.壓電加速度計檢定及其數據處理[J].計量與測試技術,2002(4):24-25.

[12] 費 維,劉正士,鄭傳榮.幾種角加速度傳感器的工作原理及其應用[J].機床與液壓,2005(1):142-146.

[13] 史錦珊,王玉田,李志全.一種新型壓電式加速度計的設計[J].傳感器技術,1989(2):19-21.

[14] 胡子儉,劉長鳳.彎曲型ICP加速度計[J].上海計量測試,1995(1):24-25.

[15] 王育才.“8懸臂梁-質量塊”結構的新型微加速度計研究[D]:[碩士學位論文].上海:中國科學院上海微系統與信息技術研究所,2007.

[16] Tomikawa Y,Okada S.Piezoelectric angular acceleration sensor[C].//IEEE,2003:1346-1349.

[17] Naoyuki Furukawa,Kouhei Ohnishi.A structure of angular acceleration sensor using silicon cantilevered beam with piezoresistors[C].//Proceeding of the IEEE,1992:1524-1529.