惯导加速度计技术综述

    概述

    加速度计是惯导系统中的最重要元件之一,用来测量沿其输入轴作用的常值和低频加速度,当前无论在航天航空,还是在其它技术领域都得到了广泛应用。

    近年来随着型号及其应用领域的发展,对加速度计的精度特性要求也在不断提高。依照其应用对象和使用环境,主要性能要求大体在如下范围:测量范围-g~几十g;阈值10-5g~10-6g;输出特性线性度10-2%~10-4%;偏值10-3g ~10-5g(g———自由落体加速度)。

    要求加速度计在整个服役期间即使有不同的工作影响,其指示特性应该保持不变。因此,在设计加速度计时必须考虑因温度变化、仪表的机电参数和电子部件参数随时间变化、受到磁、辐射和其它干扰以及对象随线加速度和角加速度运动而出现误差的可能性。为了消除这些误差,除了优化仪表的结构和系统外,还要研究仪表的校正方法,建立误差模型以便在对象的数字计算机中进行算法补偿。

    现在,许多优秀的加速度计结构和方案已经众所周知。从国内外的信息可以得出结论,当前为了测量惯导系统中的加速度所采用的主要有摆式积分陀螺加速度计、力平衡式加速度计、振弦加速度计、振梁加速度计和单晶硅微加工加速度计。

    摆式积分陀螺加速度计同力平衡式加速度计相比,其主要优点是刻度系数的长期稳定性好。这样,在力平衡式加速度计中遇到的最重要的永久磁铁参数的时间稳定性问题和温度稳定性问题在摆式积分陀螺加速度计中就没有了。此外,摆式积分陀螺加速度计能以很高的精度给出数字式测量结果,因此不需要精密电子元件(高精密电压基准、高精密运算放大器和高精密电子开关)来进行数字转换。摆式积分陀螺加速度计有较高的抗辐射性能,但其生产复杂、体积大、价格昂贵、准备时间长,所以它只局限于控制大型对象。

    振弦式加速度计比力平衡式加速度计的抗辐射性能好,比摆式积分陀螺加速度计尺寸小、结构简单、价格便宜,但其精度不如摆式积分陀螺加速度计和力平衡式加速度计,而且其冲击、振动精度要差得多。因此,它通常要连同减振器一起使用,从而降低了惯导系统的精度。这种加速度计输出的非线性大,不适宜用在冲击振动大的对象。所以,在高机动对象(如捷联惯导系统)中采用的主要是力平衡式加速度计。

    本文主要叙述当前应用最广的力平衡式加速度计,简要介绍新兴的石英振梁加速度计和单晶硅微加工加速度计。

    1　力平衡式加速度计

    力平衡式加速度计是当前惯导系统中应用最广泛的一种加速度计,它利用闭路系统的负反馈原理把检测质量悬浮在其结构的某一固定位置上。一般力平衡加速度计都由以下五部分组成: