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力平衡角加速度传感器的研究!

力平衡角加速度传感器的研究! 力平衡角加速度传感器的研究 ! 迟晓珠" 金鸿章" 王劲松# "$哈尔滨工程大学自动化学院哈尔滨 "%&&&"’ #$哈尔滨工业大学哈尔滨 "%&&&"’ 摘要在开环压阻式角加速度的基础上(对敏感质量环进行力反馈(提出闭环力平衡系统的设计方案(经试验验证(力平衡压阻式角加速度计具有灵敏度高)阈值小)成本低)抗冲击能力好等优点*由于采用了力反馈技术(使系统响应对于外界干扰和内部系统参数变化不敏感(因此可采用成本较低)要求不高的元件(构成较精密的系统* 关键词力平衡角加速度传感器 +,-,...

力平衡角加速度传感器的研究 ! 迟晓珠" 金鸿章" 王劲松# "$哈尔滨工程大学自动化学院哈尔滨 "%&&&"’ #$哈尔滨工业大学哈尔滨 "%&&&"’ 摘要在开环压阻式角加速度的基础上(对敏感质量环进行力反馈(提出闭环力平衡系统的设计方案 (经试验验证(力平衡压阻式角加速度计具有灵敏度高)阈值小)成本低)抗冲击能力好等优点*由于采用了力反馈技术(使系统响应对于外界干扰和内部系统参数变化不敏感(因此可采用成本较低)要求不高的元件(构成较精密的系统* 关键词力平衡角加速度传感器 +,-,./012342/0,5.6.30,78396,800,6,/2:,;,/ <=>?>@AB=C" D>EFAEGB=@EG" H@EGD>EIAEG# J$KLMNOPMQNRSNTTUVU(WPXYQRZRVQRUUXQRV[RQ\UX]QM^(WPXYQRJ_‘‘‘J(SaQRP’ b$cUdMeNfKLMNOPMUghU]MPRgSNRMXNT(WPXYQRiR]MQMLMUNfhUjaRNTNV^(WPXYQRJ_‘‘‘J(SaQRP’ 8k-;/.0; lEm=no@I>IApm=nAqnErsAAqq>nBAtnI>Im>un@EGsn@vvnsntAwnmnt(m=nxnI>GEIv=nwnApm=nvsAInxsAAq pAtvno@s@EvnxIyImnwz@IqCmpAtz@txmAqtAvnnxm=npAtvnpnnxo@v{mAInEI>m>un|C@Em>myt>EGe}m>I@qqtAunx m=tACG=n~qnt>wnEmm=@mm=npAtvno@s@Evnx@EGsn@vvnsntAwnmntpn@mCtnI=>G=InEI>m>u>my(Iw@ssm=tnI=Asx(sAz vAIm@Ex=>G=I=Av{v@q@o>s>mye!nv@CIn@xAqm>EGm=npAtvnpnnxo@v{mnv=E>|Cn(m=nIyImnwsnIIInEI>m>unmAm=n ACmI>xn>Emntpntn@Exv=@EGnApm=n>EmntE@sIyImnwq@t@wnmnte"Am=nwAtnt>G>x@qq@t@mCIv@EonG@>Enxoy CI>EGm=nvAwqAEnEmIApsAzvAIm@ExsnIIxnw@Exe #,$%2/7- &Atvno@s@Evnx ’EGsn@vvnsnt@m>AE (t@EIxCvnt ) 引言物体运动分为直线运动和转动(与此相应有线加速度和角加速度*测得这两种加速度参数(不但能确定物体的位置)姿态(而且还能确定运动的动力状态和轨迹(是控制的首选参数*目前测量线加速度的仪器已相当成熟(有众多系列产品(但直接测量角加速度尚有许多难题(本文在开环压阻式角加速度的基础上(提出力平衡系统的设计方案 (经试验验证(力平衡压阻式角加速度计不仅提高了灵敏度(而且扩大了量程(改善了动态特性* * 工作原理及系统设计力平衡式角加速度计基本结构如图 "所示* 图 " 力平衡压阻式角加速度计系统原理框图当壳体受到角加速度+,作用时(质量环受惯性力矩作用(相对壳体有转动(此转动位移使支承质量环的第 #-卷第 -期增刊仪器仪表学报 #&&.年 /月 ! 国防重点项目课题$&&&%0(&&%1’* 弹性梁发生应变!而位于弹性梁根部的压阻电桥因此失去平衡而有电压信号输出!此信号大小即正比于 "#!经放大$滤波$校正$功放后形成一个与"#成正比的电流!反馈到力矩器线圈中!产生一个和 %"#相反的恢复力矩 &’!作用于质量环!使弹性梁应变回复到零位状态( )*+ 弹性敏感元件的设计力平衡压阻式角加速度计弹性敏感元件即是弹性支承元件又是力,,电信号的变换器-./(在质量环基座刚度远大于弹性梁敏感方向刚度时!可简化成如图 0所示形式-1/( 图 0 弹性敏感元件力学模型简图敏感角加速度的质量环质量沿圆周均布!当载体受线加速度 2作用时!上下两部分质量环同时产生大小相等$方向相反的惯性矩-3/!则质量环不会相对壳体发生转动!敏感电桥输出为零!即对线加速度输入不敏感(当被测载体的角加速度 #4沿传感器基座输入时!传感器内部的惯性式弹性敏感元件质量将随之产生运动!其角位移为 #.!质量环产生的惯性力矩 & 施加在弹性梁上!弹性梁因此产生变形!由材料力学可知!矩形截面梁上应力为-0/5 67&%87 & 981 .0 87.0&980 即有5 :7 6;7 .0& ;9807 .0< ;980#. 式中 9,,梁宽 8,,梁高每个弹性梁上对应于 =$9的两个位置都粘贴压阻式应变计!由 >个应变计两两串联后构成的全桥检测桥路输出与被测角加速度成线性关系的电压信号( )*) 力反馈元件设计力平衡压阻式角加速度传感器中!选用永磁式力矩器作为力反馈元件!其结构如图 1所示( 为了避免与地磁场或其他外界磁场相互作用!产生干扰力矩!影响仪表精度!将永磁式力矩器的永久磁钢放在定子上!而控制线圈放在转子上(这种结构布局需要转子馈电引线!产生引线干扰力矩!由于采用压阻式弹性梁结构!相对转动很小!因此此干扰力矩可忽略不计(力矩器输出力矩为5 &70?@AB 分析由于未校正的开环系统截止频率较高!使系统干扰能力降低!因此加入滞后校正网络(其基本原理是利用滞后网络的高频幅值衰减特性!使截止频率下降!从而使系统获得足够的相角裕度(校正网络的传递函数设计为5 FGHI7DJ KL.M KL0M7.J KJ*J.NOM KJ*JN1.M 为了减小系统误差!保持一阶无静差系统!使硅梁自由端总在零位附近工作!在回路中又加入一个积分环节( E 测试结果角加速度计性能测试主要包括频率特性$灵敏度$ 非线性等!测试结果如表 .所示( 表 + 测试数据信号输出灵敏度非线性固有频率 .P .J.*QRS .*QT >NJKU 0P .J1*.RS J*OVT O0JKU W 结论本文设计的角加速度计具有灵敏度高$阈值小$成本低$抗冲击能力好等优点(由于采用了力反馈技术! G下转第 0Q.页I NV0第 3期增刊力平衡角加速度传感器的研究之间时!起到协调的功能!可以推广应用于一般各种数据传输缓冲区!比用"#$之以存储管理软件模拟的间接方法!其速度要快的多% 参考文献 & 王格芳!吴国庆!等’基于单片机的接口转换设计及应用’ 电子工程师!())(!*+&,(’ ( 陈光踽!等’现代电子测试技术’北京+国防工业出版社! ------------------------------------------------- ()))’ .上接第 (/*页0 参考文献 & 袁希光主编’传感器技术手册’北京+国防工业出版社! &12/’ ( 于绶章’材料力学’北京+高等教育出版社’ * 3454647!89:;<=97!>4?9:4@48’A ?BCDEF9E94?9:4@48’A ?BCDEF9E9

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