抗加速度干扰气流式倾斜仪的信号处理

　　通常检测物体水平姿态和加速度的传感器,都是利用气体、固体和液体在地球重力场中的摆特性,它们都存在共同的问题,只有当待测物体无加速度干扰时才可以进行精确测量,在动态条件下这些传感器由于外界加速度的干扰会引起极大的测量误差。通过结构设计和信号处理技术,动态气流式倾角传感器能够实现抑制动态情况下加速度对倾角输出信号的干扰,使动态情况下的倾角测量达到很高的精度。由于气体摆的检测物质是气体,质量极小,故这种传感器能承受强振动、高冲击,并有响应时间短、成本低等优点,这是其他同类产品不可相媲美的。这里笔者着重研究气流式倾角传感器的抗加速度干扰理论模型和程序设计,由于设计出的倾斜仪可以抑制外界加速度干扰,故实现了倾斜仪的动态高精度测量,目前已经取得了很好的实验效果。

　　1密闭腔中自然对流气体的摆现象

　　在如图1 a所示的密闭腔中设置一热源,从而使密闭腔中接近热源的气体由于温度高而密度小,形成向上流动的气流。远离热源的气体由于温度低而密度大,形成向下流动的气流。这样,在密闭腔中形成垂直向上的自然对流气体。经研究发现,密闭腔倾斜一个角度θ时,自然对流气体仍保持在原来垂直向上的方向,如图1 b所示。图1所示密闭腔中自然对流气种现象,和如图2, 3所示固体、液体的摆特性类似。由图1, 2和3的类比说明,自然对流气体有摆的特性[1]。

　　2动态气流式倾角传感器的结构原理

　　动态气流式倾角传感器由气流式角速度敏感元件和气流式倾角敏感元件组合而成。

　　2.1气流式角速度敏感元件的结构原理

　　气流式角速度敏感元件是利用受哥氏力作用时循环气流偏离运动轨迹来实现角速度的测量。循环气流是由压电泵激励而产生的一种速度为V的气体层流束[2]。如图4所示,当输入角速度为ωi时,在哥氏力作用下射流束偏离中心位置,作用到热电阻丝r1(或r2)上。热电阻丝因受射流冷却而发生电阻变化,使电桥失去平衡,输出正比于角速度的电信号V0。气流偏离的量值和方向决定于外加的角速度矢量。

　　2.2气流式倾角敏感元件的结构原理

　　气流式倾角敏感元件是利用自然对流气体在浮升力作用下的摆特性(如图1所示),通过密闭腔中设置的热敏电阻(热电阻丝) r1和r2检测水平姿态[3]。图5示出气流式倾角敏感元件的结构示意图。两个热电阻丝r1和r2构成惠斯登电桥的可变臂。通电时,热电阻丝加热周围的气体,从而产生如图1 a所示的自然对流。r1和r2在对流场中是对称的,两个热电阻丝感受的温度相同,故两个热电阻丝的电阻值相等,电桥电路的输出为零。当腔体倾斜一定角度时,对流场变形,受热气流影响, r1和r2的温度不同,它们相应的电阻值彼此不等。因此,电桥输出一个对应于角度的电压信号。