CN108872637A - 一种两轴挠性摆式加速度计 - Google Patents

一种两轴挠性摆式加速度计 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种两轴挠性摆式加速度计，包括：细颈式长方体挠性杆、X轴变距离差动电容式传感器、Y轴变距离差动电容式传感器、X轴力矩器、Y轴力矩器、X轴伺服放大器、Y轴伺服放大器和加速度计基座。本发明通过给细颈式长方体挠性杆提供两个方向的角运动自由度，当加速度计基座沿其中一个轴存在视加速度时，在另一个正交轴上将产生力矩带动挠性杆转动，角度传感器将测量到的转动角度传输给控制器，控制器通过控制力矩器的输出力矩平衡由基座加速度产生的力矩，使挠性杆稳定在零位附近，从而根据力矩器控制电流和基座加速度的比例关系，可以获得基座加速度的大小，实现两个方向加速度的同步测量，结构简单，体积小，便于控制，可靠性高。

Description

一种两轴挠性摆式加速度计
技术领域
本发明属于高精度视加速度测量的航空、航天技术领域，尤其涉及一种两轴挠性摆式加速度计。
背景技术
摆式加速度计由检测质量构成单摆，在加速度的作用下绕输出轴作角运动。常见的摆式加速度计包括宝石支承加速度计、液浮摆式加速度计、挠性摆式加速度计等。在高精度惯性稳定平台中，目前主要采用石英挠性摆式加速度计和摆式积分陀螺加速度计。而这些摆式加速度计的摆片由于仅包含一个方向的角运动自由度，均为单自由度加速度计，即每个加速度计仅能敏感一个方向的视加速度。
石英挠性摆式加速度计采用整体式圆舌形石英摆片作为检测质量，这种结构的优点是确保了两根挠性杆关节部的共面度，简化了装配工装，但缺点是只能有效减小沿加速度输入轴方向的刚度，而不能减小正交轴方向的刚度。而采用圆柱形结构的挠性杆(非摆片)的摆式加速度计(《惯性器件(下)》，中国宇航出版社，P23)，在圆柱形挠性杆沿加速度敏感轴的两端分别挖槽，以保证在敏感轴方向上的刚度小，而在其他方向上的刚度则较大。因此，现有的挠性摆式加速度计都是单自由度加速度计。
在惯性稳定平台***中，需要沿正交的三个方向安装三块加速度计才能实现***全方向加速度的测量。如果能够增加摆的角运动自由度并有效控制，则可以实现两个方向加速度的测量，将极大的减小加速度计体积，从而减小惯性平台***中加速度的占用空间，缩小惯性平台***体积。为此，需要研制一种新型的两轴挠性摆式加速度计。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种两轴挠性摆式加速度计，具备敏感两个方向的视加速度能力，旨在通过框架增加加速度计的摆角运动自由度，实现两个方向加速度的测量，从而减小惯性平台***体积。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种两轴挠性摆式加速度计，包括：细颈式长方体挠性杆(1)、X轴变距离差动电容式传感器(2)、Y轴变距离差动电容式传感器(3)、X轴力矩器(4)、Y轴力矩器(5)、X轴伺服放大器(6)、Y轴伺服放大器(7)和加速度计基座(8)；
细颈式长方体挠性杆(1)的一端与加速度计基座(8)固连，另一端处于悬空状态；细颈式长方体挠性杆(1)悬空端的四个镀金面分别作为X轴变距离差动电容式传感器(2)和Y轴变距离差动电容式传感器(3)的一动极板；细颈式长方体挠性杆(1)悬空端的四个镀金面正交设置；
X轴力矩器(4)的轭铁端面(9)作为X轴变距离差动电容式传感器(2)的另一动极板；Y轴力矩器(5)的轭铁端面(10)作为Y轴变距离差动电容式传感器(3)的另一动极板；
细颈式长方体挠性杆(1)悬空端的四个镀金面上分别安装有四个力矩器线圈(11)，对应的，在加速度计基座(8)上分别安装有四个铁芯(12)，构成正交的X轴力矩器(4)和Y轴力矩器(5)；
X轴变距离差动电容式传感器(2)的信息经过X轴伺服放大器(6)后反馈到X轴力矩器(4)；Y轴变距离差动电容式传感器(3)的信息经过Y轴伺服放大器(7)后反馈到Y轴力矩器(5)；在X轴和Y轴方向分别有加速度输入时，两个方向的反馈信号作为加速度计的输出。
在上述两轴挠性摆式加速度计中，
X轴变距离差动电容式传感器(2)为两个，沿X轴方向设置，且关于细颈式长方体挠性杆(1)对称；
X轴伺服放大器(6)为两个，沿X轴方向设置，且关于细颈式长方体挠性杆(1)对称。
在上述两轴挠性摆式加速度计中，
Y轴变距离差动电容式传感器(3)为两个，沿Y轴方向设置，且关于细颈式长方体挠性杆(1)对称；
Y轴力矩器(5)为两个，沿Y轴方向设置，且关于细颈式长方体挠性杆(1)对称。
在上述两轴挠性摆式加速度计中，铁芯(12)设置在力矩器线圈(11)内。
在上述两轴挠性摆式加速度计中，细颈式长方体挠性杆(1)的材料为：铍青铜或石英。
在上述两轴挠性摆式加速度计中，细颈式长方体挠性杆(1)，包括：长方体主体(101)和设置在长方体主体(101)靠近基座支承端的挠性关节(102)；其中，挠性关节(102)的形状为：圆柱形、矩形或平桥形。
在上述两轴挠性摆式加速度计中，挠性关节(102)两个方向的截面厚度为长方体主体(101)厚度的1/50。
在上述两轴挠性摆式加速度计中，挠性关节(102)的关节轴线与摆轴线重合。
在上述两轴挠性摆式加速度计中，细颈式长方体挠性杆(1)运动的动力学模型为：
其中，α和β分别表示挠性杆相对加速度计基座X轴和Y轴的转动角度；ax和ay分别表示加速度计沿基座X轴和Y轴输入的视加速度；ml表示加速度计的摆性；Mx和My分别表示绕X轴和Y轴的干扰力矩之和；MDx和MDy分别表示X轴和Y轴的力矩器力矩；Jx表示外框架的转动惯量，Jy表示内框架的转动惯量，Cx表示外框架的转动阻尼系数，Cy表示内框架轴的转动阻尼系数；Kx表示挠性杆X方向的弯曲刚度，Ky表示挠性杆Y方向的弯曲刚度；φX1、φY1分别表示基座绕x和y轴转动的角速度。
本发明具有以下优点：
本发明所述的两轴挠性摆式加速度计利用细颈式长方体挠性杆结构增加了摆的角运动自由度，可以实现两个方向加速度的同步测量，结构简单，体积小，便于控制，可靠性高。
附图说明
图1是本发明实施例中一种两轴挠性摆式加速度计的结构示意图；
图2是本发明实施例中一种两轴挠性摆式加速度计的局部示意图；
图3是本发明实施例中一种载体X方向运动的反馈控制框图；
图4是载体Y方向运动的反馈控制框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
参照图1，示出了本发明实施例中一种两轴挠性摆式加速度计的结构示意图；参照图2，示出了本发明实施例中一种两轴挠性摆式加速度计的局部示意图。在本实施例中，所述两轴挠性摆式加速度计，包括：细颈式长方体挠性杆1、X轴变距离差动电容式传感器2、Y轴变距离差动电容式传感器3、X轴力矩器4、Y轴力矩器5、X轴伺服放大器6、Y轴伺服放大器7和加速度计基座8。
如图1和图2，细颈式长方体挠性杆1的一端与加速度计基座8固连，另一端处于悬空状态；细颈式长方体挠性杆1悬空端的四个镀金面分别作为X轴变距离差动电容式传感器2和Y轴变距离差动电容式传感器3的一动极板；细颈式长方体挠性杆1悬空端的四个镀金面正交设置。
X轴力矩器4的轭铁端面9作为X轴变距离差动电容式传感器2的另一动极板；Y轴力矩器5的轭铁端面10作为Y轴变距离差动电容式传感器3的另一动极板。
细颈式长方体挠性杆1悬空端的四个镀金面上分别安装有四个力矩器线圈11，对应的，在加速度计基座8上分别安装有四个铁芯12，构成正交的X轴力矩器4和Y轴力矩器5。
在本实施例中，X轴变距离差动电容式传感器2的信息经过X轴伺服放大器6后反馈到X轴力矩器4；Y轴变距离差动电容式传感器3的信息经过Y轴伺服放大器7后反馈到Y轴力矩器5；在X轴和Y轴方向分别有加速度输入时，两个方向的反馈信号作为加速度计的输出。
优选的，X轴变距离差动电容式传感器2为两个，沿X轴方向设置，且关于细颈式长方体挠性杆1对称；X轴伺服放大器6为两个，沿X轴方向设置，且关于细颈式长方体挠性杆1对称。
优选的，Y轴变距离差动电容式传感器3为两个，沿Y轴方向设置，且关于细颈式长方体挠性杆1对称；Y轴力矩器5为两个，沿Y轴方向设置，且关于细颈式长方体挠性杆1对称。
优选的，铁芯12设置在力矩器线圈11内。
在本发明的一优选实施例中，如图1，细颈式长方体挠性杆1，包括：长方体主体101和设置在长方体主体101靠近基座支承端的挠性关节102。其中，挠性关节102的形状为：圆柱形、矩形或平桥形。
优选的，挠性关节102两个方向的截面厚度为长方体主体101厚度的1/50；挠性关节102的关节轴线与摆轴线重合。
优选的，细颈式长方体挠性杆1通常要求高弹性模量和高屈服强度、热膨胀系数小、稳定性好、无磁性，优选的细颈式长方体挠性杆1的材料为：铍青铜或石英。
在本发明的一优选实施例中，细颈式长方体挠性杆1运动的动力学模型为：
其中，α和β分别表示挠性杆相对加速度计基座X轴和Y轴的转动角度；ax和ay分别表示加速度计沿基座X轴和Y轴输入的视加速度；ml表示加速度计的摆性；Mx和My分别表示绕X轴和Y轴的干扰力矩之和；MDx和MDy分别表示X轴和Y轴的力矩器力矩；Jx表示外框架的转动惯量，Jy表示内框架的转动惯量，Cx表示外框架的转动阻尼系数，Cy表示内框架轴的转动阻尼系数；Kx表示挠性杆X方向的弯曲刚度，Ky表示挠性杆Y方向的弯曲刚度；φX1、φY1分别表示基座绕x和y轴转动的角速度。
在本发明的一优选实施例中，加速度的测量过程如下：当在一个轴方向存在加速度时，摆片将沿另一个轴转动，此时角度传感器将测量到转动轴的角度变化，控制器通过控制力矩器的输出，将转轴稳定在零位，同时，控制器输出力矩器的控制电流。根据电流与加速度的比例关系，即可获得加速度的大小。
如前所述，细颈式长方体挠性杆存在两个方向角运动的自由度，动力学模型可以表达为：
进一步的，X轴力矩器4和Y轴力矩器5分别反馈控制细颈式长方体挠性杆1的转角，两个方向的反馈控制框图分别如图3和图4所示。其中：
C(s)＝Jys2+Cys+Ky D(s)＝Jxs2+Cxs+Kx
Gβ(s)表示X方向挠性杆变形反馈控制传递函数，Gα(s)表示Y方向挠性杆变形反馈控制传递函数。
在本实施例中，当加速度计隔离基座角运动且干扰力矩可以忽略不计时，测量得到的加速度则与真实加速度(视加速度)的大小相等：
可见，本发明所述的两轴挠性摆式加速度计可以实现两个方向加速度的同步测量，结构简单，体积小，便于控制，可靠性高。
本说明中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种两轴挠性摆式加速度计，其特征在于，包括：细颈式长方体挠性杆(1)、X轴变距离差动电容式传感器(2)、Y轴变距离差动电容式传感器(3)、X轴力矩器(4)、Y轴力矩器(5)、X轴伺服放大器(6)、Y轴伺服放大器(7)和加速度计基座(8)；
细颈式长方体挠性杆(1)的一端与加速度计基座(8)固连，另一端处于悬空状态；细颈式长方体挠性杆(1)悬空端的四个镀金面分别作为X轴变距离差动电容式传感器(2)和Y轴变距离差动电容式传感器(3)的一动极板；细颈式长方体挠性杆(1)悬空端的四个镀金面正交设置；
X轴力矩器(4)的轭铁端面(9)作为X轴变距离差动电容式传感器(2)的另一动极板；Y轴力矩器(5)的轭铁端面(10)作为Y轴变距离差动电容式传感器(3)的另一动极板；
细颈式长方体挠性杆(1)悬空端的四个镀金面上分别安装有四个力矩器线圈(11)，对应的，在加速度计基座(8)上分别安装有四个铁芯(12)，构成正交的X轴力矩器(4)和Y轴力矩器(5)；
X轴变距离差动电容式传感器(2)的信息经过X轴伺服放大器(6)后反馈到X轴力矩器(4)；Y轴变距离差动电容式传感器(3)的信息经过Y轴伺服放大器(7)后反馈到Y轴力矩器(5)；在X轴和Y轴方向分别有加速度输入时，两个方向的反馈信号作为加速度计的输出。
2.根据权利要求1所述的两轴挠性摆式加速度计，其特征在于，
X轴变距离差动电容式传感器(2)为两个，沿X轴方向设置，且关于细颈式长方体挠性杆(1)对称；
X轴伺服放大器(6)为两个，沿X轴方向设置，且关于细颈式长方体挠性杆(1)对称。
3.根据权利要求1所述的两轴挠性摆式加速度计，其特征在于，
Y轴变距离差动电容式传感器(3)为两个，沿Y轴方向设置，且关于细颈式长方体挠性杆(1)对称；
Y轴力矩器(5)为两个，沿Y轴方向设置，且关于细颈式长方体挠性杆(1)对称。
4.根据权利要求1所述的两轴挠性摆式加速度计，其特征在于，铁芯(12)设置在力矩器线圈(11)内。
5.根据权利要求1所述的两轴挠性摆式加速度计，其特征在于，细颈式长方体挠性杆(1)的材料为：铍青铜或石英。
6.根据权利要求1所述的两轴挠性摆式加速度计，其特征在于，细颈式长方体挠性杆(1)，包括：长方体主体(101)和设置在长方体主体(101)靠近基座支承端的挠性关节(102)；其中，挠性关节(102)的形状为：圆柱形、矩形或平桥形。
7.根据权利要求6所述的两轴挠性摆式加速度计，其特征在于，挠性关节(102)两个方向的截面厚度为长方体主体(101)厚度的1/50。
8.根据权利要求6所述的两轴挠性摆式加速度计，其特征在于，挠性关节(102)的关节轴线与摆轴线重合。
9.根据权利要求1所述的两轴挠性摆式加速度计，其特征在于，细颈式长方体挠性杆(1)运动的动力学模型为：
其中，α和β分别表示挠性杆相对加速度计基座X轴和Y轴的转动角度；ax和ay分别表示加速度计沿基座X轴和Y轴输入的视加速度；ml表示加速度计的摆性；Mx和My分别表示绕X轴和Y轴的干扰力矩之和；MDx和MDy分别表示X轴和Y轴的力矩器力矩；Jx表示外框架的转动惯量，Jy表示内框架的转动惯量，Cx表示外框架的转动阻尼系数，Cy表示内框架轴的转动阻尼系数；Kx表示挠性杆X方向的弯曲刚度，Ky表示挠性杆Y方向的弯曲刚度；φX1、φY1分别表示基座绕x和y轴转动的角速度。
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