伺服式加速度测量是一种按力平衡反馈原理构成的闭环测试系统。图1(a)是其工作原理图,图(b)是其原理框图。它由检测质量m、弹簧k、阻尼器C、位置传感器Sd、伺服放大器SS、力发生器SF,和标准电阻RL,等主要部分组成。当壳体固定在载体上感受被测加速度后,检测质量m相对壳体作位移z,此位移由位置传感器检测并转换成电压,经伺服放大器放大成电流i,供给力发生器产生电恢复力,使检测质量返回到初始平衡位置。系统的运动方程为
(1)
式中,SF为力发生器灵敏度(N/A),对于常用的由永久磁铁和动圈组成的磁电式力发生器,SF=BL,B为磁路气隙的磁感应强度(T),L为动圈导线的有效长度(m)。
图1 伺服加速度计
由于电流i为
(2)
式中,Sd为位置传感器的灵敏度(V/m),SS为伺服放大器的灵敏度(A/V)。
将式(3)代入式(2)得关系式
(3)
式中,ωn为系统无阻尼固有圆频率;ζ为系统阻尼比。它们分别为
(4)
(5)
由式(4)和式(5)可以看出,伺服式加速度计的ωn和ξ不仅与机械弹簧的刚度和阻尼器阻尼系数有关,还与反馈引起的电刚度SdSSSF有关。因此便可通过选择和调节电路的结构和参数来进行调节,具有很大的灵活性。
当系统处于加速度计工作状态时,
因此,电压灵敏度Sa为
(6)
如选用刚度小的弹簧,使其满足SdSSSF>>k,则
即Sa仅决定于m、RL、B和L等结构参数,而与位置传感器、伺服放大器、弹簧等特性无关。若能采取措施使这些参数稳定,不受温度等外界环境的影响,便可达到很高的性能。
由于有反馈作用,增强了抗干扰能力,提高了测量精度,扩大了测量范围,伺服加速度测量被广泛应用于惯性导航和惯性制导系统中,在高精度的振动测量和标定中也有应用。
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