角加速度計

角加速度計，英文全稱是angular accelerometer，它是一種測量角加速度的慣性感測器，可測量兩個(待測)物體間的角度變化率。角加速度是角位移對時間的二次微分，也可以是角速度對時間的一次微分。

它在汽車、軍事、航空航天、工業、電子等領域有廣泛的套用。在慣性感測器中，與角加速度計相比，線加速度計和陀螺得到人們更大的關注。然而角加速度計的用途也十分廣泛，它具有線加速度計和陀螺不可替代的功能。

基本介紹

• 中文名：角加速度計
• 外文名：angular accelerometer
• 定義：測量角度變化率
• 類屬：慣性感測器
• 套用領域：汽車、航空航天、電子
• 相似儀器：線加速度計、陀螺儀

測量方法

測量角加速度的方法，從原理上講可以是多種多樣的，如純機械式的、電磁機械式的、物理的、化學的、光學的甚至放射線式的等等，而每種方法都可以製成不同結構及性能的角加速度感測器。

測量對象

按照測量對象分，角加速計可分為x及Y兩人類。x類是指測量某一個旋轉物體的相對角加速度信息的，這類角加速度感測器的特點是：從結構上看，它可以嚴格地分成兩個組成部分，其中之一是安裝在參考物體(選為參考點)上，而另一部分則是安裝在作旋轉運動的被測物體上。而Y類角加速度感測器則是測量旋轉物體相對於絕對窄間(慣性空間為參考點)角加速度信息，此類感測器直接安裝在被測物體上。因此x及Y類角加速度感測器的根本區別體現在參考點的選取上。

測量方法

按照測量方法分類，角加速度計可分成直接測量法和間接測量法。

直接測量法就是直接測量角加速度數值，間接測量法採用微分電路或微分計算算法對角速度信號進行微分處理來得到角加速度。在間接測量法中，角加速度可以對角位移或角速度信號進行模擬或數字微分電路後處理來得到。對微分器有兩個重要的要求，即它們必須有足夠的噪聲衰減和足夠短的延遲特性。在實時控制或保護性監控套用中．延遲特性是極為重要的，在這些套用中系統要求對參考信號或反饋信號有足夠短的回響時聞。然而，微分過程固有的噪聲放大特性要求在信導處理之前，需要對噪聲信號進行高頻噪聲濾波處理。當噪聲信號和原始信號的頻寬完全分開時．僅僅噪聲衰減是容易做到的。如果對這種噪聲衰減過程所帶來的時間延遲有嚴格的時間限制(如面：實時控制或監控套用中)，這個過程會變得更為困難。

間接加速度測量方法中令人頭痛的噪聲放大問題驅使人們尋找直接的角加速度測量方法。

發展現狀

1992年，Godler等報導了一種角加速度感測器，這種角加速度感測器能單獨檢測角加速度信息，而不依賴角速度信號，並且該加速度計對載體的旋轉角度沒有限制。這種角加速度感測器採用機械光電感測裝置感應角加速度，並用於機器人裝置的電機控制和振動控制。

1995年Funlkawa等人報導了一種壓阻角加速度感測器。這是報導最早的採用微細加工方法截造的角加速度計，即MEMs角加速度計。這種微感測器採用矽的微細加工方法製造，並且感測器的機械部分和檢測控制電路集成在一起。

1995年，Raid Lassow等人報導了一種採用鐵磁性無定形線製作的角加速度計。在這種角加速度計中，高磁阻無定形線具有磁應力效應。當慣性質量體引起無定形線產生扭轉應力時，在無定形線的端部會產生由外界輸入角加速度調製的Macteucci電壓，通過對Macteucci電壓進行處理就能得到外界輸入的角加速度數值。

1996年，NASA/戈達德窄問飛行中心聯合馬里蘭大學在研究超導重力梯度儀的基礎上川，提出一種超導角加速度計，其單軸檢測精度達到10rad/(s．)。在該裝置中有一個金屬鈮標準質量塊，標準質量通過扭轉彈簧與封裝殼體相聯接。工作溫度為9.2K，在此溫度下Niobium呈現超導性能。外界輸入角加速度會使標準質量產生成比例的角位移，並且由於超導的Meissner效應，與標準質量塊很近的超導線圈電感量發生改變。

1998年，德國研究人員採用柵干涉原理來測量角加速度、角速度和角位移。它們開發了兩種柵干涉儀：一種基於homodyne技術，另外一種基於hetemdyne技術。

1999年，葡萄牙人Rosa Mara-Mendes等針對PvDF和聚合物陶瓷複合材料研究了兩種壓電角加速度感測器，並比較這兩種材料製成的角加速度計的性能特點。。試驗結果表明，PvDF比聚合物陶瓷複合材料製成的角加速度計具有更小的誤差比例，試驗還表明陶瓷復台材料角加速度計的測量值要比理論值小。

2000年，日本人JunMizuno報導了體矽微加工角加速度計，這種角加速度計採用mems工藝製造，能夠同時檢測線加速度和角加速度。

上海交通大學的陸愛珍等人報導了一種液浮飛輪式精密角加速度計。這種角加速度計的感測部分由飛輪子、角度感測器、力矩器、支承部件、浮液、溫控裝置、導電遊絲和密封殼體等部件構成。

北京自動控制設各研究所的周蜜等人研究了一種新型的液環式角加速度計。這種角加速度計主要由基準板、放大電路及液環構成，其中液環是核心部分，它由液體腔、液體、電極和轉換器件組成。

哈爾濱工程大學自動化學院的遲曉珠等人提出了一種力平衡壓阻式角加速度感測器，在開環壓阻式角加速度計的基礎上，他們對敏感質量環進行力反饋，提出閉環力平衡系統的設計方案。經試驗驗證，力平衡壓阻式角加速度計具有靈敏度高、閡值小、成本低、抗 固8用於硬碟驅動的角加速度計衝擊能力好等優點。

角加速度計的套用

汽車工業

汽車工業的發展要求在汽車上安裝越來越多的翻車抑制裝置，以保護車上的乘員的安全。例如，一旦檢測至翻車情況發生的時候．彈射棒可以在垂直方向彈起，它的慣性力可以減小車身的翻轉加速度。一些汽車上還安裝了多個安全氣囊、側面窗簾以及安全帶預緊裝置。當檢測到危險情況將要發生時，這些安全裝置需要及時啟動，以削弱這些不安全因素對車上乘員的人身傷害。
為了及時布置抑制裝置，需要時刻檢測車身的動態運動，來判斷是否需要採取安全措施。目前，由線加速度感測器和角速率感測器組成的翻車預警檢測裝置可以很好地工作，然而仍然存在一些危險情況它們不能及時預知。例如車身的側向打滑以及在公路上的凸起等情況需要提前進行判斷，如果等到車身已經達到預警角度或角速度再啟動抑制裝置，可能會為時已晚。通過對角加速度的測量可以能夠彌補現有預警裝置的不足，提前判斷危險狀況是否發生。對角速度感測器檢測到的角速度信號進行時問微分可以得到角加速度，然而微分裝置不僅會增加系統的複雜性，而嗣還會放太高頻噪聲所帶來的誤差，顯然不是很好的選擇。角加速度感測器能夠直截測量車身的角加速度數值，會增加整個系統的可靠性。

軍事方面

隨著高新技術在軍事領域的廣泛套用，在今後的戰爭中，雙方面臨的將是全方位、高強度、多批次的各種武器的聯合作戰。為了在複雜的作戰環境中獲得寶貴的時間，爭取主動權，就必須縮短武器發射的反應時間，提高作戰武器的機動性能。對戰術飛彈而言，為提高飛彈的機動性能，縮短發射時間，就必須採用大扇面或全方位發射技術。一般戰術飛彈控制系統採用的是姿態控制的自動駕駛儀或簡易慣導系統，即通過控制姿態角(俯仰角、航向角、滾動角)的變化來控制飛彈的飛行狀態。無論是採用自動駕駛儀還是簡易慣導控制系統，都需使用陀螺儀作為角度感測器，而一般框架式陀螺的測量範圍有限，角度過大將引起框架系統的鎖定，導致飛彈失穩。另外，僅根據裝定扇面角來控制飛彈轉彎，無法控制飛彈的法向過載，如轉彎太急會導致法向過載超過設計指標要求。因此這類控制系統只能用於機動姿態有限的載體上，即用於飛行中不會同時繞兩個軸出現大姿態角的載體中，因為此時無法滿足戰術飛彈在全姿態、大機動狀態下工作的要求。採用過載控制的捷聯慣導控制系統可以解決這方面的不足。在過載控制的捷聯慣導控制系統中，過載速率的測量則是通過安裝在彈體軸上的角加速度計來實現的。利用角加速度計和線加速度計組成的捷聯慣導系統對飛彈進行穩定和控制，較好地實現了飛彈從90°直至180°的幾種大扇面角發射。

航空骯天

在新型小衛星姿態控制技術中，採用角加速度計來測量小衛星高姿態抖動。星跟蹤器和角加速度計(高頻寬0 .1～1000Hz)兩個感測器的輸出在混合電路中進行數據融合，提供寬頻範圍內的姿態抖動測量的估值，用於抑制小衛星姿態的殘餘抖動，保證衛星的視軸精確定向穩定精度;同時，加速度計的輸出通過坐標變換後作為反饋信號加到反射鏡迴路，以改善定向穩定精度。安裝在小衛星上的角加速度計成為它有效載荷的一部分。

其他方面

角加速度計還可以用於人體運動及關節動力學的分析、虛擬現實、石油勘探、地震監測等領域。國外已經出現用一個角加速度計和兩個線加速度計組成慣導方案，以替代陀螺，降低成本和提高精度。角加速度感測器，除套用於控制系統中，還大量地套用在測試方面，如飛機的機動性能測試，交通工具的啟動及剎車性能的測試。在研究汽車碰撞時對駕駛員及乘客的衝擊情況，則常將感測器裝在頭部或人身上的所要關心的部位。在精密機械設各中，通過測量齒輪的角加速度來研究齒輪傳動裝置的傳動系統的平穩性，研究汽輪機組及鑽機的扭震，檢測工作母機上刀具的顫振及斷裂。

未來發展趨勢

對角加速度感測器的研究目前朝兩個方向發展。一個發展方向是採用MEMS技術對感測器進行微型化，MEMS角加速度計能夠將感測部件與檢測控制電路集成在一起，從而它的體積小、重量輕、性能可靠。這種角加速度計已經成功套用於硬碟防衝擊、防振動前向反饋控制系統中，並且在汽車駕駛安全控制、衛星姿態控制、飛彈運動控制等領域有著很大的潛在市場。目前。國內外對MEMS角加速度計的研究遠遠沒有MEMS線加速度計那么廣泛，還不能得到高解析度的角加速度感測器。另一個發展方向是採用傳統加工方法套用新型的測量原理，如超導效應，米提高角加速度計的解析度，從而將其套用於空間實驗中的重力梯度分析等領域。這種感測器雖然能得到極高的解析度，但它的體積大，製造費用昂貴，角加速度測量範圍以及頻率頻寬較窄。目前．牲衛星的姿態及防抖控制、天線的穩定控制、機器人手臂運動控制以及一些測試系統動力學控制等領域，要求重量輕、體積小、解析度高、測量範圍廣、頻頻寬的角加速度計。