角加速度测量

　　0　引言

　　物体在空间的运动状态包括平移运动和旋转运动,分别通过线参量和角参量来进行描述。目前用于检测线参量的传感器已经被广泛应用,国内外对这类传感器的研究、制造和应用已经相当成熟。然而,随着科学技术的发展,尤其在军事工业上对于卫星、飞机、军舰、导弹和火炮姿态的监测和控制,在汽车工业上的防抱死刹车系统(ABS)以及制造业中的机器人技术等科学领域中,不仅需要精确的线参量,更需要准确的角参量(特别是角加速度)信息。

　　角加速度从属于运动学参数链:位置,速度,加速度。他们与自身邻近的参数都有一个线性的关系,例如,通过微分或积分就可以把他们相互联系起来。因此,这三个运动学参数可以通过一个参数得到。实际上,只有积分被广泛地用于处理这些运动参数,这是由于积分自身可以使噪声衰减,而微分自身会对噪声进行放大。

　　现在存在着两种角加速度测量技术:通过特殊敏感元件(角加速度计)的直接测量和间接测量,间接测量主要是通过使用一些微分电路或一个计算算法来对速度进行微分[1]。本文介绍了国内已经研制的几种不同类型角加速度传感器的工作原理、特性及其应用。

　　1　采用直接法测量的角加速度传感器

　　1.1　压阻式角加速度传感器

　　由于传统的转动编码器和测速发电机等角加速度传感器自身存在重量和体积庞大的缺点,NaoyukiFURRKAWA和Kouhei OHNISHI提出了基于压阻效应[2]的硅谐振梁式角加速度传感器[3],其结构和悬臂梁分别如图1和图2所示,该传感器采用了IC技术和各向异性的硅谐振梁,具有体积小、重量轻和精度高的特点,并且根据微电子原理消除了温度对传感器的影响。硅谐振梁式角加速度传感器是通过对位于硅谐振梁上压敏电阻的阻值变化的测量来得到角加速度值。当角加速度产生时,压敏电阻阻值的变化与加载在谐振梁上的力成比例。该传感器应用于工业机器人控制中。

　　在国内,由哈尔滨工程大学自动化学院设计了压阻式复合惯性加速度传感器[4],该传感器同样是利用压阻效应,它能实现线加速度和角加速度的测量,其核心部分是惯性式弹性敏感元件,其结构形式和性能直接决定传感器的性能,如图3所示,该轮辐式复合加速度传感器弹性体是一种整体式结构。

　　该弹性体由四根应变梁和内外轮缘构成,中心基座支撑,外轮缘为质量环,每根应变梁上贴4片半导体箔式应变片,平行于轮辐平面的相对侧面上的8个应变片两两互连组桥,构成全桥电路可敏感线加速度a产生的微应变,垂直于轮幅平面的8个相对侧面的应变片组成的全桥电路可敏感角加速度产生的微应变。这种整体结构体积小、重量轻,可消除径向效应,在外形尺寸相同的情况下,增加应变梁的长度及将应变梁采用开槽设计,都可提高传感器的灵敏度。