线加速度计的现状和发展动向

    1　概述

    加速度计是惯性测量和导航系统的主要惯性元件之一,它的输出与运载体的运动加速度成比例。其作用原理是基于牛顿的经典力学定律。加速度计测量出运载体的线加速度,经一次积分可获得运动速度,经两次积分便获得位置数据。因此,在惯性测量和导航系统中,对加速度计的精度指标要求相当高,通常要求加速度计的灵敏度达10^-5m/s²,各种性能系数的稳定性为10^-5。

    2　线加速度计的种类^[1]

    测量加速度的方法很多,对应每种测量方法可以制造出几种不同形式的加速度计。种类繁多的加速度计有各种分类方法,按检测质量的运动方式可分为线位移加速度计和摆式加速度计,前者是测量检测质量沿导轨方向的直线位移量,后者是测量检测质量绕支承摆动而产生的角位移量。按测量系统形式分,有开环式和闭环式两类。开环式加速度计又称为简单加速度计,被测的加速度值经敏感元件、信号传感器、放大器变成电信号直接输出。这种加速度计构造简单、体积小、成本低、但精度较低。闭环式加速度计又称为力平衡式加速度计(又称力反馈加速度计或伺服加速度计),被测的加速度变成电信号后,加到力矩器上,使活动机构恢复平衡位置。由于采用了力反馈回路,该加速度计精度高,抗干扰能力强。按输出信号分,有加速度计、积分加速度计和双重积分加速度计,分别提供加速度、速度和距离信息。按测量的自由度分,有单轴、双轴、三轴加速度计。按测量加速度的原理分,有压电、振弦、振梁、光学和摆式加速度计。按支承方式分,有液浮、挠性和静电加速度计。按精度等级可分为高精度(优于10^-4m/s²)加速度计、中等精度(10^-2m/s～10^-3m/s)加速度计和低精度(低于0.1 m/s²)加速度计三类。由于加工方法的革新,出现了新一类加速度计——微机械加速度计。上述加速度计各有特点,可根据不同的需要选用不同的类型。

    目前,力平衡式加速度计占据了加速度计的主要市场,这不仅是因为它体积较小、结构简单、牢固可靠,还因为可以通过不同设计以满足不同性能和应用的要求。力平衡加速度计可以按照捷联式或框架式两种模式工作,输出可以数字化。美国贝尔实验室、利顿公司、基尔福特公司、森德斯坦公司等均生产力平衡线加速度计。

    最精确的力平衡加速度计是脉冲积分摆式加速度计(PIPA),它是一种悬浮单自由度且基本无约束力的器件,采用数字方法控制扭矩产生脉冲保持摆处于零位。PIPA现在用于潜艇发射的战略导弹,其精度受非线性误差的限制。