气体摆式加速度计与射流角速度陀螺

　　1引言

　　利用“固体摆”和“液体摆”原理构成的水平姿态传感器和过载加速度计，在国内外已广泛应用。作者发现在密闭腔内产生的自然对流气体具有“摆”特性，可称为“气体摆”，它与固体摆和液体摆类似，可构成水平姿态和过载加速度计。利用“气体摆”构成的水平姿态传感器和加速度计获中国发明专利。气体摆传感器报导后，美国1995年也申报了发明专利，但比作者1992年的发明专利晚3年，内容基本相同。

　　利用密闭腔内强迫对流敏感角速度的陀螺，美国Martin Marictea公司1983年提供155 mm铜斑蛇炮弹用，1991年生产了35 000发炮弹。作者1985年开始研制这种陀螺，获国家发明专利，产品用于舰船、车辆和钻井稳定平台。

　　为了消除动基座加速度对水平姿态信号的影响，将气体摆式水平姿态传感器与气体射流陀螺组合，利用陀螺消除动基座的影响，这种气体摆式组合惯性传感器获国家发明专利。

　　2气体摆加速度计

　　2. 1自然对流气体的形成

　　如图1所示，在密闭腔内设置一热源，例如，由设置在腔内的电阻加热，造成腔内温度差。由于温度高的气体密度小而向上升，温度低的气体密度大而向下沉，从而形成自然对流，产生气流束。自然对流现象在日常生活中均可见到，例如，由于地球上不同地区的温度不一样而形成风暴。显然，非密闭腔也能形成自然对流，但是，不同边界层产生的对流有差异。

　　2. 2自然对流气体的浮升力与摆特性

　　密封腔内的气体受到气体静压力梯度产生的力P}g作用，同时受到当地的重力彻体力的作用，两者之差称为浮升力F_浮，即:

　　式中P是在笛卡尔坐标系中x、y、z的气体(受热)密度，是周围气体(未受热)有相同:坐标的气体密度，g是重力加速度.

　　式（1）是在地球表面，即在相对坐标系中F浮的表达式。在绝对坐标系中:

　　式中f_气是比力，表示作用在气体单位质量上的浮升力。在绝对坐标系中:

　　式中a_气是作用在气体单位质量上的绝对加速度，G_气是作用在气体单位质量上的引力加速度。将式(3)代人式(2)可得:

　　由式(4)可知，当a_气=0时，D_气，即浮升力与引力方向相反。由式(3)和(4)可知，当，即浮升力与比力f_气方向相同。气流的这些特性跟固体摆的特性类似，称为气体摆。

　　气体摆的浮升力F_浮、比力f_气和加速度a_气、分别对应于固体摆的外力F_s，比力f_固和加速度a _固。表1列出气体摆的参数对比。图1一3示出气体、液体和固体的摆现象类比，图中气体摆、固体摆和液体摆用于检测加速度的分别是热敏丝、质量块(mg)和液体的水平面。