CN106093468B - 一种用于角加速度测量的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开的一种用于角加速度测量的装置，涉及角加速度测量技术，能够降低石英挠性加速度计进行角加速度测量时高昂的标定成本和时间成本。该装置两只石英挠性加速度计敏感轴平行安装，两只石英挠性加速度计质心之间的距离通过精密角振动台精确标定得出，两只石英挠性加速度计，敏感到的线加速度可分解为指向旋转轴方向的向心加速度a向和垂直于向心加速度的切向加速度a切两个分量，通过两只石英挠性加速度计输出值的差值与标定距离的比值计算得到被测运动载体的角加速度，用于角加速度测量。

Description

一种用于角加速度测量的装置
技术领域
本发明涉及角加速度测量技术领域，尤其涉及一种用于角加速度测量的装置。
背景技术
石英挠性加速度计作为一种线加速度传感器，广泛应用于惯性导航、碰撞检测等领域，通过测量运动载体的线加速度值，经过积分转化为速率和位移。
在工业生产和生活服务中，转轴方向固定的运动形式普遍存在，比如各种转台和角振动台；对于这种运动形式，通过测量垂直于其转轴方向的平面上任意一点的线加速度以及该测量点与转轴中心的距离，可得到切向加速度计，切向加速度计与距离之比即为角加速度计。其缺点在于测量点与转轴中心的距离需要精确变动，并且每测量一次均需要重新标定一次，高昂的标定成本和时间成本制约了基于石英挠性加速度计进行角加速度测量的推广和应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术不足，提供了一种用于角加速度测量的装置，能够降低石英挠性加速度计进行角加速度测量时高昂的标定成本和时间成本。
本发明的技术解决方案：
一种用于角加速度测量的装置，用于转轴方向固定的运动形式的角加速度测量，该装置包括安装基座、两只石英挠性加速度计和信号处理电路；
所述安装基座分为顶部、中间隔层和底部，所述安装基座的底部用于和被测运动载体台面连接，所述安装基座的顶部设有第一加速度计安装槽和第二加速度计安装槽，所述第一加速度计安装槽和所述第二加速度计安装槽各自安装一只石英挠性加速度计，两只石英挠性加速度计敏感轴平行安装，两只石英挠性加速度计质心之间的距离通过精密角振动台精确标定得出，两只石英挠性加速度计质心连线保持水平，通过两只石英挠性加速度计输出值的差值与标定距离的比值计算得到被测运动载体的角加速度；
所述安装基座的中间隔层用于放置信号处理电路板，所述安装基座的底部设有多个螺纹孔，穿过螺纹孔的螺杆将信号处理电路板固定在中间隔层内。
进一步可选的，所述第一加速度计安装槽和所述第二加速度计安装槽中心距离为50mm-200mm。
进一步可选的，所述安装基座的底部设有快速安装槽，被测运动载体台面上的螺栓伸入所述快速安装槽内，将所述安装基座固定在被测运动载体台面上。
进一步可选的，所述信号处理电路包括AD转换模块和处理器；
其中，所述AD转换模块用于接收两只石英挠性加速度计的信号，所述处理器通过公式计算被测运动载体的角加速度，
其中，a1＝a1向+a1切＝(R1sinθ)ω2+(R1cosθ)ε＝h0ω2+r1ε；
a2＝a2向+a2切＝(R2sinβ)ω2+(R2cosβ)ε＝h0ω2+r2ε；
a向＝(R1sinθ)ω2＝h0ω2；
a切＝(R1cosθ)ε＝r1ε；
式中，a向是向心加速度，a切是切向加速度，R1为石英挠性加速度计质心和旋转轴之间的距离，角度θ为加速度计敏感轴方向和加速度计质心、旋转轴连线的夹角的余角，ω为测量载体的角速率，ε为测量载体当前的角加速度，d0是两只加速度计质心之间的距离，h0是加速度计质心和转轴连线在其敏感轴方向上的投影高度，r1是加速度计质心和转轴连线在其敏感轴垂直方向上的投影距离。
本发明实施例提供的一种用于角加速度测量的装置，两只石英挠性加速度计，敏感到的线加速度可分解为指向旋转轴方向的向心加速度a向和垂直于向心加速度的切向加速度a切两个分量，通过两只石英挠性加速度计输出值的差值与标定距离的比值计算得到被测运动载体的角加速度，该装置可避免安装距离测量一次标定一次的问题，从而将石英挠性加速度计从线加速度测量领域扩展至角加速度测量领域。
附图说明
所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1、图2、图3为本发明实施例提供的用于角加速度测量的装置结构图；
图4为本发明实施例中信号处理电路原理图；
图5为本发明实施例中石英挠性加速度计线加速度测量原理图；
图6为本发明实施例中石英挠性加速度计组合角加速度测量原理图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。在下面的描述中，出于解释而非限制性的目的，阐述了具体细节，以帮助全面地理解本发明。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，也可以在脱离了这些具体细节的其它实施例中实践本发明。
在此需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的设备结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
本发明实施例提供一种用于角加速度测量的装置，如图1、图2、图3所示，包括安装基座、两只石英挠性加速度计和信号处理电路；
安装基座分为顶部、中间隔层和底部，安装基座的底部用于和被测运动载体台面连接，安装基座的顶部设有第一加速度计安装槽和第二加速度计安装槽，第一加速度计安装槽和第二加速度计安装槽各自安装一只石英挠性加速度计，两只石英挠性加速度计敏感轴平行安装，两只石英挠性加速度计质心之间的距离通过精密角振动台精确标定得出，两只石英挠性加速度计质心连线保持水平，通过两只石英挠性加速度计输出值的差值与标定距离的比值计算得到被测运动载体的角加速度；
安装基座的中间隔层用于放置信号处理电路板，安装基座的底部设有多个螺纹孔，穿过螺纹孔的螺杆将信号处理电路板固定在中间隔层内。
优选的，第一加速度计安装槽和第二加速度计安装槽中心距离为0-200mm，尤其可选则50mm-200mm之间的任一距离。
优选的，安装基座的底部设有快速安装槽，被测运动载体台面上的螺栓伸入所述快速安装槽内，将安装基座固定在被测运动载体台面上。
优选的，如图4所示，信号处理电路包括AD转换模块和处理器；其中，AD转换模块用于接收两只石英挠性加速度计的信号，处理器通过公式计算被测运动载体的角加速度，
其中，a1＝a1向+a1切＝(R1sinθ)ω2+(R1cosθ)ε＝h0ω2+r1ε；
a2＝a2向+a2切＝(R2sinβ)ω2+(R2cosβ)ε＝h0ω2+r2ε；
a向＝(R1sinθ)ω2＝h0ω2；
a切＝(R1cosθ)ε＝r1ε；
式中，a向是向心加速度，a切是切向加速度，R1为石英挠性加速度计质心和旋转轴之间的距离，角度θ为加速度计敏感轴方向和加速度计质心、旋转轴连线的夹角的余角，ω为测量载体的角速率，ε为测量载体当前的角加速度，d0是两只加速度计质心之间的距离，h0是加速度计质心和转轴连线在其敏感轴方向上的投影高度，r1是加速度计质心和转轴连线在其敏感轴垂直方向上的投影距离。
本发明实施例提供的一种用于角加速度测量的装置，两只石英挠性加速度计，敏感到的线加速度可分解为指向旋转轴方向的向心加速度a向和垂直于向心加速度的切向加速度a切两个分量，通过两只石英挠性加速度计输出值的差值与标定距离的比值计算得到被测运动载体的角加速度，该装置可避免安装距离测量一次标定一次的问题，从而将石英挠性加速度计从线加速度测量领域扩展至角加速度测量领域。
为了读者清楚上述实施例提供的用于角加速度测量的装置的工作原理及工作过程，下面结合实例详述使用上述装置进行角加速度测量的过程：
石英挠性加速度计组合通过3安装在转台平面上，用以测量来自向心和切向两个方向的加速度。
安装于1和2位置处的两只石英挠性加速度计，敏感到的线加速度可分解为指向旋转轴方向的向心加速度a向和垂直于向心加速度的切向加速度a切两个分量，如图5所示，其中：
向心加速度a向大小取决于加速度计质心和转轴连线在其敏感轴方向上的投影高度h0，即：a向＝(R1sinθ)ω2＝h0ω2；
切向加速度a切大小取决于加速度计质心和转轴连线在其敏感轴垂直方向上的投影距离r1，即：a切＝(R1cosθ)ε＝r1ε。
其中，R1为石英挠性加速度计质心和旋转轴之间的距离，角度θ为加速度计敏感轴方向和加速度计质心、旋转轴连线的夹角的余角，ω为测量载体的角速率，ε为测量载体当前的角加速度。
两只加速度计质心之间的距离d0在应用前已经通过角振动台精确标定得出，无需反复标定，在图6所示的测量方案中，存在如下方程：
a1＝a1向+a1切＝(R1sinθ)ω2+(R1cosθ)ε＝h0ω2+r1ε；
a2＝a2向+a2切＝(R2sinβ)ω2+(R2cosβ)ε＝h0ω2+r2ε；
两式相减可得到：
上述运算功能由信号处理电路完成，信号处理电路通过四处安装孔4固定于安装基座上。
在本测量方案中，石英挠性加速度计组合测量精度和分辨率受限于石英挠性加速度计自身的测量能力。石英挠性加速度计典型的静态分辨率为10-5m/s2(1╳10-6g)，测量范围为10g，假设两个加速度计质心距离d0为50mm：
本加速度计组合测量分辨率为：
本加速度计组合测量范围为：
如上针对一种实施例描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施例中使用，和/或与其它实施例中的特征相结合或替代其它实施例中的特征使用。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤、组件或其组合的存在或附加。
这些实施例的许多特征和优点根据该详细描述是清楚的，因此所附权利要求旨在覆盖这些实施例的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本发明的实施例限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物。
本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (3)

1.一种用于角加速度测量的装置，其特征在于，用于转轴方向固定的运动形式的角加速度测量，该装置包括安装基座、两只石英挠性加速度计和信号处理电路；
所述安装基座分为顶部、中间隔层和底部，所述安装基座的底部用于和被测运动载体台面连接，所述安装基座的顶部设有第一加速度计安装槽和第二加速度计安装槽，所述第一加速度计安装槽和所述第二加速度计安装槽各自安装一只石英挠性加速度计，两只石英挠性加速度计敏感轴平行安装，所述石英挠性加速度计敏感轴与两只石英挠性加速度计质心之间的连线互相垂直，两只石英挠性加速度计质心之间的距离通过精密角振动台精确标定得出，两只石英挠性加速度计质心连线保持水平，通过两只石英挠性加速度计输出值的差值与标定距离的比值计算得到被测运动载体的角加速度；
所述安装基座的中间隔层用于放置信号处理电路板，所述安装基座的底部设有多个螺纹孔，穿过螺纹孔的螺杆将信号处理电路板固定在中间隔层内；
所述信号处理电路包括AD转换模块和处理器；
其中，所述AD转换模块用于接收两只石英挠性加速度计的信号，所述处理器通过公式计算被测运动载体的角加速度，
其中，a1＝a1向+a1切＝(R1sinθ)ω2+(R1cosθ)ε＝h0ω2+r1ε；
a2＝a2向+a2切＝(R2sinβ)ω2+(R2cosβ)ε＝h0ω2+r2ε；
a向＝(R1sinθ)ω2＝h0ω2；
a切＝(R1cosθ)ε＝r1ε；
式中，a向是向心加速度，a切是切向加速度，R1为第一加速度计质心和转轴中心之间的距离，R2为第二加速度计质心和转轴中心之间的距离；角度θ为第一加速度计敏感轴方向和第一加速度计质心、转轴中心连线的夹角的余角；角度β为第二加速度计敏感轴方向和第二加速度计质心、转轴中心连线的夹角的余角，ω为被测运动载体的角速率，ε为被测运动载体当前的角加速度，d0是第一加速度计质心和第二加速度计质心之间的距离，h0是加速度计质心和转轴中心连线在其敏感轴方向上的投影高度，r1是第一加速度计质心和转轴中心连线在其敏感轴垂直方向上的投影距离，r2是第二加速度计质心和转轴中心连线在其敏感轴垂直方向上的投影距离，α1切是第一加速度计切向加速度，α1向是第一加速度计向心加速度，α2切是第二加速度计切向加速度，α2向是第二加速度计向心加速度。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一加速度计安装槽和所述第二加速度计安装槽中心距离为50mm-200mm。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述安装基座的底部设有快速安装槽，被测运动载体台面上的螺栓伸入所述快速安装槽内，将所述安装基座固定在被测运动载体台面上。
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