水平姿态测量用加速度计的环境适应性设计

　　0　引　言

　　水平姿态测量装置是地面定位定向系统中的关键部件,通常,采用加速度计通过检测重力加速度实现对水平姿态的测量[1],但在振动冲击的使用环境下,需要对加速度计的结构强度和固有频率进行设计,以实现保证加速度计的环境适应性。目前,在设计中一般采用有限元法,但属于验证性设计。如果改变加速度计结构,就必须对其结构强度和固有频率重新进行有限元分析[2]。本文针对用于水平姿态测量装置的一种摆式石英加速度计,采用力学方法,能够根据实际的振动冲击条件,设计出适应环境要求的加速度计结构,经振动冲击试验和在双轴转台进行的标定试验,所设计的加速度计满足环境适应性要求,测量精度达到0. 02°,设计方法还可应用于采用同样结构形式的其他产品。

　　1　水平姿态测量装置设计

　　使用摆式石英加速度计构成水平姿态测量装置,通过测量重力加速度实现对地面系统水平姿态的检测。水平姿态测量装置采用2个单轴石英加速度计,将其水平正交安装,石英加速度计通过敏感惯性力进而实现对水平姿态角度的测量。

　　1.1　石英加速度计结构

　　石英加速度计支承结构主要由质量块、石英材料和支承底座构成。其中,石英材料的温度系数小,弹性模量也小[3],因此,采用双石英材料单质量块横向悬挂的支承结构,如图1所示[2],图中,D为质量块,称之为岛;A, B, C为梁(摆臂),由石英材料组成;h为石英材料的厚度,N为挠性限制的厚度,H为2片石英材料的间距。上述结构称为三梁单岛悬臂梁结构,若去掉中梁B,则称为双梁单岛悬臂梁结构。

　　1.2　水平姿态解算原理

　　实现水平姿态解算需要石英加速度计敏感2个水平正交轴上输出的姿态信号,同时,使用微控制器对两路信号进行双正交轴解算。

　　为进行姿态解算,需建立如图2所示2个坐标系,其中,oxoyozo为惯性坐标系, oxbybzb为与水平姿态测量装置固联的载体坐标系。当水平姿态测量装置无倾斜时, b系与o系重合;当水平姿态测量装置倾斜某个角度时,则加速度计的输出为2个轴向的重力加速度分量,加速度计敏感的绝对倾角即为图2中的φx,φy。此时b系与o系不重合,由坐标系转换关系可得[4,5]：

  　　加速度计敏感的加速度是重力加速度在载体坐标系(oxbybzb)下的分量。在惯性坐标系下, zo轴与重力加速度g是重合的,而且,xo, yo轴与重力加速度g正交。故在水平姿态测量装置无倾角时,敏感的加速度分量为[0,0,g]T;在有倾角φx,φy的情况下,敏感的加速度为载体坐标系下的加速度分量,与惯性坐标系下敏感的加速度分量可通过方向余弦矩阵表示如下：