專利名稱：角速度測量方法及測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及角速度測量技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，本發(fā)明涉及一種對于無參照物情況下的飛行物體進(jìn)行角速度測量的方法和裝置，該方法和裝置利用測量旋轉(zhuǎn)物體上加速度傳感器的離心加速度來計算旋轉(zhuǎn)物體的角速度。
背景技術(shù)：
測量物體轉(zhuǎn)速的器件有光電式轉(zhuǎn)速計、磁力轉(zhuǎn)速計等等，但光電式轉(zhuǎn)速計要求必須有相對固定的可參照物，不適用于飛行物體；考慮到地磁場屏蔽原因，磁力轉(zhuǎn)速計只適用于非金屬外殼的被測物體。因此需要有一種能夠在無參照物、無磁場情況下，測量獨(dú)立飛行物旋轉(zhuǎn)角速度的儀器。
運(yùn)動物體的角速度一般是由陀螺儀進(jìn)行測量的?，F(xiàn)有的陀螺儀主要有以下一些類型。
1、采用傳統(tǒng)慣性原理的陀螺儀。這類陀螺儀有兩個重要特性①定軸性高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子具有力圖保持其旋轉(zhuǎn)軸在慣性空間內(nèi)方向穩(wěn)定不變的特性。②進(jìn)動性在外力矩作用下，旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子力圖使其旋轉(zhuǎn)軸沿最短路徑趨向外力矩作用方向。這種陀螺儀可以達(dá)到很高的精度，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用壽命短，成本高，一般僅用于導(dǎo)航方面。典型產(chǎn)品有液浮陀螺儀、靜電陀螺儀及撓性陀螺儀。
2、采用光學(xué)原理的陀螺儀。這類陀螺儀的原理是利用光程差來測量旋轉(zhuǎn)角速度(Sagnac效應(yīng))，在閉合光路中，由同一光源發(fā)出的沿順時針方向和反時針方向傳輸?shù)膬墒庀嗷ジ缮妫脵z測相位差或干涉條紋變化，可以測出閉合光路的旋轉(zhuǎn)角速度。典型產(chǎn)品如光纖陀螺，但造價很高。
3、微機(jī)械陀螺。近年出現(xiàn)的微機(jī)械陀螺的基本原理是利用旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的科氏力效應(yīng)測量空間角速度，常見的角速度傳感器有雙平衡環(huán)結(jié)構(gòu)、懸臂梁結(jié)構(gòu)、音叉結(jié)構(gòu)、振動環(huán)結(jié)構(gòu)等，都是通過敏感元件的自身振動來測量角速度的。
以上各種類型的陀螺儀各有特點(diǎn)，但其測量角速度的變化范圍和抗沖擊振動能力均有較大的限制，在高沖擊過載加速度和高轉(zhuǎn)速條件下很難正常工作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有角速度傳感器在適應(yīng)環(huán)境能力方面的缺點(diǎn)和不足，提供一種基于離心加速度測量原理的角速度測量方法和測量裝置，可以測量高沖擊過載加速度和高轉(zhuǎn)速條件下的飛行物體角速度。
本發(fā)明的角速度測量方法是采用兩只相同的加速度傳感器，使兩只傳感器以敏感方向相同且重合在一條直線上的方式安裝在與物體旋轉(zhuǎn)軸垂直的同一平面上，當(dāng)物體旋轉(zhuǎn)時，由于離心加速度的作用，兩只傳感器產(chǎn)生輸出變化。測量兩只傳感器各自感受的離心加速度在傳感器敏感方向上的分量，取其差值，通過下式計算旋轉(zhuǎn)物體的角速度ω=ΔA/B]]>其中，ω為旋轉(zhuǎn)物體的角速度值；ΔA為兩只加速度傳感器各自感受的離心加速度在傳感器敏感方向上分量的差值；B為兩只加速度傳感器的安裝距離。
本發(fā)明的角速度測量方法的工作原理是物體的運(yùn)動可以分解為平移和自轉(zhuǎn)，由于兩只加速度傳感器的靈敏度及安裝的敏感方向相同，重合于一條直線，且處在同一平面上，因此，物體因線加速度在兩只傳感器上產(chǎn)生的加速度數(shù)值大小及方向完全相同，經(jīng)過減法運(yùn)算，因線加速度產(chǎn)生的數(shù)值將被抵消，兩只傳感器的輸出差值只與物體的角速度和兩只傳感器之間的安裝距離有關(guān)。下面結(jié)合圖1對以上結(jié)論推導(dǎo)如下圖1中，O點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)軸心；C點(diǎn)和D點(diǎn)分別為傳感器1、傳感器2的敏感點(diǎn)安裝位置；CD為兩只傳感器的安裝距離B；CDE為兩只傳感器的敏感方向；E點(diǎn)為軸心O點(diǎn)在CDE上面的垂足。
發(fā)生旋轉(zhuǎn)時，傳感器1、2感受到的加速度分別為各自承受的離心加速度AC、AD在傳感器敏感方向即CDE方向的分量A1和A2，故兩只傳感器的輸出差值為ΔA＝A1-A2＝AC×cosα-AD×cosβ＝ω2×OC×cosα-ω2×OD×cosβ＝ω2×(OC×cosα-OD×cosβ)＝ω2×(CE-DE)＝ω2×CD＝ω2×B從而得到ω=ΔA/B]]>由此看出，只要得到上述兩只加速度傳感器輸出測量結(jié)果的差值，就可以求得物體自轉(zhuǎn)的角速度。
從上述推導(dǎo)還可以得知，兩只加速度傳感器的輸出差值與傳感器安裝位置到旋轉(zhuǎn)軸心的距離無關(guān)，即加速度傳感器可以安裝在與旋轉(zhuǎn)軸垂直的平面內(nèi)任意位置，且靈敏度不受影響。
但考慮到傳感器的量程，在使用本發(fā)明的角速度測量方法時，應(yīng)使兩只傳感器的位置相對于旋轉(zhuǎn)軸的軸心對稱，這樣可以得到最大的角速度測量范圍。
此時，兩只加速度傳感器位于以旋轉(zhuǎn)軸心為圓心的圓周的兩端，在旋轉(zhuǎn)過程中承受著大小相同方向相反的離心加速度作用，兩只傳感器的輸出差值為兩倍的離心加速度值，而安裝距離B即為圓周的直徑2R，因此，可以通過下式計算旋轉(zhuǎn)物體的角速度ω=ΔA/(2R)]]>其中，ω為旋轉(zhuǎn)物體的角速度值；ΔA為兩只加速度傳感器各自感受的離心加速度的差值；R為加速度傳感器與旋轉(zhuǎn)軸軸心之間的距離。
由上述推導(dǎo)過程可以得出結(jié)論，旋轉(zhuǎn)物體的角速度大小與其上安裝的兩個加速度傳感器感受的離心加速度的差值(ΔA)以及加速度傳感器之間的間距(2R)相關(guān)。
通過上述角速度計算公式同樣可以知道，調(diào)整兩只加速度傳感器的安裝距離B，可以調(diào)整角速度測量的靈敏度。在加速度傳感器靈敏度不變的情況下，加大兩只加速度傳感器在敏感方向上的距離，可以提高角速度測量的靈敏度。
本發(fā)明也提供了一種適合于上述角速度測量方法的角速度測量裝置，該裝置由加速度傳感器和與其連接的信號處理電路組成。
加速度傳感器包括在垂直于旋轉(zhuǎn)物體旋轉(zhuǎn)軸的一個平面上安裝的兩只相同的加速度傳感器，兩只傳感器安裝的敏感方向相同，并重合在一條直線上，用于測量旋轉(zhuǎn)時兩只加速度傳感器各自感受的離心加速度在傳感器敏感方向上的分量值。兩只加速度傳感器可以安裝在與旋轉(zhuǎn)物體旋轉(zhuǎn)軸垂直的一個平面上的任意位置，優(yōu)選地，兩只加速度傳感器的安裝位置相對于旋轉(zhuǎn)軸的軸心對稱。
信號處理電路包括信號調(diào)理電路、減法運(yùn)算電路和角速度運(yùn)算電路，其中的信號調(diào)理電路是對加速度傳感器輸出的分量值信號進(jìn)行放大調(diào)理、降噪及濾波，使兩只加速度傳感器的靈敏度一致；減法運(yùn)算電路是對由信號調(diào)理電路傳輸來的兩只加速度傳感器經(jīng)過調(diào)理的分量值信號進(jìn)行減法運(yùn)算，并輸出分量差值；角速度運(yùn)算電路是依據(jù)公式ω=ΔA/B,]]>對由減法運(yùn)算電路傳輸來的分量差值進(jìn)行運(yùn)算，并輸出角速度值。
該測量裝置采用差分電路，通過提取離心加速度值的辦法測量運(yùn)動物體的角速度，由于兩只加速度傳感器的靈敏度及敏感方向相同，且兩只傳感器處在同一平面上，整個裝置因線加速度產(chǎn)生在兩只傳感器上的加速度數(shù)值大小及方向完全相同，經(jīng)減法運(yùn)算，因線加速度產(chǎn)生的數(shù)值被抵消，徹底消除了線加速度的影響，再經(jīng)過角速度運(yùn)算電路處理，得到正比于角速度的電壓輸出，從而反映出物體的旋轉(zhuǎn)角速度大小。因此，本發(fā)明的角速度測量裝置在測量角速度時，不受被測物體姿態(tài)的影響，無需任何參照物，特別適用于飛行物體的角速度測試。
本發(fā)明提供的基于離心加速度測量原理的角速度測量方法和裝置，由于角速度傳感器內(nèi)部沒有自振運(yùn)動，不需要自身振動，抗沖擊振動能力強(qiáng)，可以在高沖擊過載加速度和高轉(zhuǎn)速的條件下正常工作，克服了現(xiàn)有角速度傳感器環(huán)境適應(yīng)能力較弱的不足，可以對飛行物體的高速自轉(zhuǎn)進(jìn)行無參照物自主角速度測量，具有環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、抗惡劣環(huán)境能力更強(qiáng)的特點(diǎn)。
通過合理選擇兩只加速度傳感器的距離，就可以在一定的靈敏度范圍內(nèi)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速量程，測量角速度的變化范圍，并且隨著飛行物體轉(zhuǎn)速的升高，測量的靈敏度也被提高。本發(fā)明的角速度測量方法和裝置可用于測量較高的轉(zhuǎn)速，采用兩只量程為50g的加速度傳感器，在兩只傳感器安裝距離20mm的情況下，本發(fā)明測量裝置的角速度最大測量值可以達(dá)到2100周/分，這是采用其他傳統(tǒng)無參照物自主角速度測量方法在測量飛行物體轉(zhuǎn)速時難以達(dá)到的，測量范圍比傳統(tǒng)陀螺儀擴(kuò)大了許多。
本發(fā)明的加速度傳感器采用一體化MEMS芯片集成封裝技術(shù)，使裝置的體積更小、重量更輕、功耗更低，抗惡劣環(huán)境能力更強(qiáng)，同時結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉。


圖1為本發(fā)明角速度測量方法的原理示意圖；圖2為本發(fā)明角速度測量裝置的原理框圖。
具體實施例方式
實施例1根據(jù)圖1所示的測量原理，可設(shè)計出基于加速度傳感器的角速度測量裝置產(chǎn)品，其原理框圖見圖2。在飛行物體殼體內(nèi)設(shè)置有一個與飛行物體旋轉(zhuǎn)軸相垂直的安裝平面，沿平面安裝兩只相同的單軸向加速度傳感器，兩只傳感器間的安裝距離為B，并使其敏感方向一致且敏感軸重合。
兩只傳感器分別連接信號調(diào)理電路，將傳感器輸出的信號進(jìn)行放大調(diào)理、降噪及濾波，使兩路信號具有相同的零位輸出和靈敏度系數(shù)。
飛行物體旋轉(zhuǎn)時，由于離心加速度的作用，兩只加速度傳感器將產(chǎn)生輸出變化，測量兩只傳感器各自感受的離心加速度在傳感器敏感方向上的分量值，并將經(jīng)信號調(diào)理電路調(diào)理后的分量值A(chǔ)1和A2輸送給減法運(yùn)算電路，由減法運(yùn)算電路進(jìn)行減法運(yùn)算，求取兩者間的差值ΔA，輸送至角速度運(yùn)算電路。
角速度運(yùn)算電路獲取由減法運(yùn)算電路傳輸來的分量差值信號ΔA和兩只傳感器間安裝距離信號B，依據(jù)公式ω=ΔA/B,]]>經(jīng)過一個開平方解算模塊進(jìn)行運(yùn)算處理后，使傳感器輸出信號與飛行物體的旋轉(zhuǎn)角速度成正比例，輸出角速度值信號，從而實現(xiàn)測量飛行物體角速度的目的。
實施例2測量原理同實施例1，在飛行物體的殼體內(nèi)設(shè)置有一個與飛行物體旋轉(zhuǎn)軸相垂直的安裝平面，安裝平面上標(biāo)有一條安裝刻線，該安裝刻線與飛行物體的旋轉(zhuǎn)軸垂直相交，沿刻線安裝兩只相同的單軸向加速度傳感器并使傳感器相對于旋轉(zhuǎn)軸對稱，并使其敏感方向一致且敏感軸重合，則每只傳感器與旋轉(zhuǎn)軸之間的距離為R。
兩只傳感器分別連接信號調(diào)理電路，將傳感器輸出的信號進(jìn)行放大調(diào)理、降噪及濾波，使兩路信號具有相同的零位輸出和靈敏度系數(shù)。
飛行物體旋轉(zhuǎn)時，由于離心加速度的作用，加速度傳感器將產(chǎn)生輸出變化，測量傳感器感受的離心加速度值，并將經(jīng)信號調(diào)理電路調(diào)理后的信號值A(chǔ)1和A2輸送給減法運(yùn)算電路。此時A1和A2大小相等，方向相反。由減法運(yùn)算電路進(jìn)行減法運(yùn)算，求取兩者間的差值ΔA，輸送至角速度運(yùn)算電路。
角速度運(yùn)算電路獲取由減法運(yùn)算電路傳輸來的差值信號ΔA和傳感器與旋轉(zhuǎn)軸間的距離信號R，依據(jù)公式ω=ΔA/(2R),]]>經(jīng)過一個開平方解算模塊進(jìn)行運(yùn)算處理后，使傳感器輸出信號與飛行物體的旋轉(zhuǎn)角速度成正比例，輸出角速度值信號，從而實現(xiàn)測量飛行物體角速度的目的。
權(quán)利要求
1.一種角速度測量方法，其特征是在垂直于旋轉(zhuǎn)物體旋轉(zhuǎn)軸的平面上安裝兩只相同的加速度傳感器，使兩只加速度傳感器敏感方向相同并重合在一條直線上，測量物體旋轉(zhuǎn)時兩只加速度傳感器各自感受的離心加速度在傳感器敏感方向上的分量，取其差值，通過下式計算旋轉(zhuǎn)物體的角速度ω=ΔA/B]]>其中，ω為旋轉(zhuǎn)物體的角速度值；ΔA為兩只加速度傳感器各自感受的離心加速度在傳感器敏感方向上分量的差值；B為兩只加速度傳感器的安裝距離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的角速度測量方法，其特征是兩只加速度傳感器安裝在與旋轉(zhuǎn)物體旋轉(zhuǎn)軸垂直的一個平面上的任意位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的角速度測量方法，其特征是兩只加速度傳感器安裝在與旋轉(zhuǎn)物體旋轉(zhuǎn)軸垂直的一個平面上，相對于旋轉(zhuǎn)軸的軸心對稱。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的角速度測量方法，其特征是當(dāng)兩只加速度傳感器相對于旋轉(zhuǎn)軸的軸心對稱時，通過下式計算旋轉(zhuǎn)物體的角速度ω=ΔA/(2R)]]>其中，ω為旋轉(zhuǎn)物體的角速度值；ΔA為兩只加速度傳感器各自感受的離心加速度在傳感器敏感方向上分量的差值；R為加速度傳感器與旋轉(zhuǎn)軸軸心之間的距離。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的角速度測量方法，其特征是通過調(diào)整兩只加速度傳感器的安裝距離B，調(diào)整角速度測量的靈敏度。
6.一種角速度測量裝置，由加速度傳感器和與其連接的信號處理電路組成，信號處理電路根據(jù)加速度傳感器的分量差值進(jìn)行角速度運(yùn)算，其中，所述的加速度傳感器包括在垂直于旋轉(zhuǎn)物體旋轉(zhuǎn)軸的一個平面上安裝的兩只相同的加速度傳感器，兩只傳感器安裝敏感方向相同，并重合在一條直線上，用于測量旋轉(zhuǎn)時兩只加速度傳感器各自感受的離心加速度在傳感器敏感方向上的分量值；所述的信號處理電路包括信號調(diào)理電路對加速度傳感器輸出的分量值信號進(jìn)行放大調(diào)理、降噪及濾波，使兩只加速度傳感器的靈敏度一致；減法運(yùn)算電路對由信號調(diào)理電路傳輸來的兩只加速度傳感器經(jīng)過調(diào)理的分量值信號進(jìn)行減法運(yùn)算，輸出分量的差值；角速度運(yùn)算電路依據(jù)公式ω=ΔA/B]]>對由減法運(yùn)算電路傳輸來的分量的差值進(jìn)行運(yùn)算，輸出角速度值。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的角速度測量裝置，其特征是兩只加速度傳感器安裝在與旋轉(zhuǎn)物體旋轉(zhuǎn)軸垂直的一個平面上的任意位置。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的角速度測量方法，其特征是兩只加速度傳感器安裝在與旋轉(zhuǎn)物體旋轉(zhuǎn)軸垂直的一個平面上，相對于旋轉(zhuǎn)軸的軸心對稱。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種角速度測量方法和測量裝置，是采用兩只相同的加速度傳感器，使其以敏感方向相同且重合在一條直線上的方式安裝在與物體旋轉(zhuǎn)軸垂直的同一平面上，物體旋轉(zhuǎn)時，由于離心加速度作用，兩只傳感器產(chǎn)生輸出變化。測量離心加速度在傳感器敏感方向上的分量，取其差值，經(jīng)過信號處理電路處理，輸出角速度值。本發(fā)明測量角速度不受物體姿態(tài)影響，無需參照物，特別適于飛行物體的角速度測試，傳感器內(nèi)部沒有自振運(yùn)動，可在高沖擊過載加速度和高轉(zhuǎn)速條件下正常工作，抗沖擊振動能力強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。
文檔編號G01P7/00GK1851473SQ20061001274
公開日2006年10月25日 申請日期2006年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月23日
發(fā)明者劉國忠, 侯興輝, 陳雅, 張海濤 申請人:山西科泰微技術(shù)有限公司