發展概述
加速度計是慣性測量和導航系統的主要慣性元件之一,它的輸出與運載體的運動加速度成比例。其作用原理是基於牛頓的經典力學定律。加速度計測量出運載體的線加速度,經一次積分可獲得運動速度,經兩次積分便獲得位置數據。因此,在慣性測量和導航系統中,對加速度計的精度指標要求相當高，通常要求加速度計的靈敏度極高,各種性能係數的穩定性也極高。
線加速度計的種類很多,由發展時間的先後依次為:三四十年代的擺式積分陀螺加速度計和寶石軸承擺式加速度計;60年代中期開始發展起來的液浮擺式加速度計、撓性加速度計、壓電加速度計、電磁加速度計等,以後是靜電加速度計、雷射加速度計;70年代以後,除了上述各類加速度計不斷改進提高之外,多功能感測器和其他基於新支承形式、新材料、新工藝的加速度計蓬勃發展。尤其是矽基集成式微加速度計,近10年來成為競相研製的熱點,近期國內外關於加速度計方面的論文大部分是在探討矽基加速度計。
線加速度計的種類
測量加速度的方法很多 ,對應每種測量方法可以製造出幾種不同形式的加速度計。種類繁多的加速度計有各種分類方法 ,按檢測質量的運動方式可分為線位移加速度計和擺式加速度計 ,前者是測量檢測質量沿導軌方向的直線位移量 ,後者是測量檢測質量繞支承擺動而產生的角位移量。 按測量系統形式分 ,有開環式和閉環式兩類。開環式加速度計又稱為簡單加速度計 ,被測的加速度值經敏感元件、信號感測器、放大器變成電信號直接輸出。 這種加速度計構造簡單、體積小、成本低、但精度較低。閉環式加速度計又稱為力平衡式加速度計 (又稱力反饋加速度計或伺服加速度計 ) ,被測的加速度變成電信號後 ,加到力矩器上 ,使活動機構恢復平衡位置。由於採用了力反饋迴路 ,該加速度計精度高 ,抗干擾能力強。 按輸出信號分 ,有加速度計、積分加速度計和雙重積分加速度計 ,分別提供加速度、速度和距離信息。按測量的自由度分 ,有單軸、雙軸、三軸加速度計。按測量加速度的原理分 ,有壓電、振弦、振梁、光學和擺式加速度計。 按支承方式分 ,有液浮、撓性和靜電加速度計。
目前,力平衡式加速度計占據了加速度計的主要市場,這不僅是因為它體積較小、結構簡單、牢固可靠,還因為可以通過不同設計以滿足不同性能和套用的要求。力平衡加速度計可以按照捷聯式或框架式兩種模式工作,輸出可以數位化。美國貝爾實驗室、利頓公司、基爾福特公司、森德斯坦公司等均生產力平衡線加速度計最精確的力平衡加速度計是脈衝積分擺式加速度計(PIPA),它是一種懸浮單自由度且基本無約束力的器件,採用數字方法控制扭矩產生脈衝保持擺處於零位。PIPA現在用於潛艇發射的戰略飛彈,其精度受非線性誤差的限制。
現在性能最好的加速度計是擺式積分陀螺加速度計(PIGA),用於戰略飛彈制導。PIGA是一種非常穩定的線性器件,在寬的動態範圍內有很高的解析度,並且是迄今為止唯一能夠滿足戰略飛彈推進軸要求的加速度計。美國霍尼威爾公司、利頓公司,法國Sagem公司和俄羅斯均生產PIGA。
開環變電容式加速度計,振梁式石英加速度計目前也得到越來越多的套用。發展中的微矽加速度計正逐漸展示出自身的優勢。
未來發展趨勢
線加速度計有廣泛的用途,如飛行器的制導和導航系統、各種基準台和平台的調平系統、地質探礦鑽孔測斜系統、建築物基礎和路橋監測系統、車輛調平和防撞系統,可見其市場需求很大
(1)力平衡擺式加速度計幾乎占領了高精度加速度計的全部市場。因此,應該繼續改進液浮擺、撓性擺和石英擺式加速度計的性能,以滿足對高精度加速度計的需求。
(2)由於對輸出數位化以及大動態範圍、高解析度的迫切要求,石英振梁式加速度計的發展非常迅速。預計未來在幾微克到1mg的套用領域將有廣泛的套用。
(3)微機械加速度計採用了固態電子工業開發的加工技術,能象製造積體電路那樣來生產加速度計,並且可以把器件和信號處理電路集成在同一塊矽片上,實現了真正意義上的機電一體化,因而使其具有成本低、可靠性高、尺寸小、質量輕和可大批量生產的優點,在軍用和民用中有巨大的潛力,是加速度計發展的一個重要方向。
回顧線性加速度感測器的發展歷程,可以清晰地看出其由結構複雜、成本高力求向結構簡單、成本低而性能卻不斷提高發展的脈絡。從當前的發展狀況來看,除了繼續改進已有的液浮擺,撓性擺和石英擺式加速度計等外,人們對沒有力反饋的直接數位化輸出和小型化感興趣。
隨著微電子技術的迅猛發展,單晶矽成為當代信息社會最重要的工業原料之一用矽來製造加速度計是近10年來加速度計的研究熱點,由於矽的獨特品質,其良好的可加工性,適於批量生產,因而加速度計的成術將大為降低,使得它在多種領域必將得到廣泛套用。各國研究人員嘗試了多種結構,取得一定成果,但微矽加速度計的性能近期仍處於中檔水平,採用更好的結構和信號處理電路.提高微矽加速度計的性能,是今後加速度計研究領域的重要課題。
