重積分加速度計

輸出與輸入加速度對時間的重積分成正比例的加速度計。

基本介紹

• 中文名：重積分加速度計
• 外文名：double integrating accelerometer
• 領域：導航
• 性質：加速度計
• 由來：輸出輸入加速度時間重積分成正比
• 相關名詞：積分加速度計

簡介

輸出與輸入加速度對時間的重積分成正比例的加速度計。加速度計是一種測量適當加速度的裝置。正確的加速度，即身體在其自身的瞬時靜止框架中的加速度（或速度變化率）與坐標加速度不同，即坐標加速度是固定坐標系中的加速度。例如，位於地球表面的加速度計將測量由於地球的重力，直線向上（通過定義）g≈9.81m/ s2的加速度。相比之下，自由落體的加速度計（以9.81米/秒2的速度向地球中心落下）將測量為零。

加速度計在工業和科學領域有著多種套用。高靈敏度加速度計是飛機和飛彈的慣性導航系統的組成部分。加速度計用於檢測和監測旋轉機械中的振動。加速度計用於平板電腦和數位相機，以便螢幕上的圖像始終直立顯示。加速度計用於無人機用於飛行穩定。協調加速度計可用於測量在空間分離中適當加速度，特別是重力的差異;即重力場的梯度。這種重力梯度是有用的，因為絕對重力是一個很弱的影響，取決於地球的局部密度是非常可變的。

加速度計的單軸和多軸型號可用於檢測正確加速度的大小和方向作為矢量，並可用於檢測取向（由於重量變化的方向），坐標加速度，振動，衝擊和下降在電阻介質中（適當的加速度變化，因為它從零開始，然後增加）的情況。微機械加速度計越來越多地存在於攜帶型電子設備和視頻遊戲控制器中，以檢測設備的位置或提供遊戲輸入。

物理原理

重積分加速度計測量適當的加速度，這是相對於自由落體的加速度，是人和物體的加速度。換句話說，在時空的任何時刻，等價原則保證了本地慣性框架的存在，加速度計測量相對於該幀的加速度。這種加速度被廣泛地表示為g力；即與標準重力相比。

由於地球表面上的任何一點相對於局部慣性框架（表面附近的自由落體物體的框架）向上加速，相對於地球表面的加速度計將停留約1g。為了獲得相對於地球運動的加速度，必須減去這個“重力偏移”，並對由於地球相對於慣性框架的旋轉而產生的影響進行修正。

出現引力偏移的原因是愛因斯坦的等效原理，其中指出重力對物體的影響與加速度無法區分。當通過例如施加地面反作用力或等效的向上推力將其固定在重力場中時，用於加速度計（其自身殼體）的參考系相對於自由下落的參考系向上加速。這種加速度的影響與儀器經歷的任何其他加速度無法區分，因此加速度計無法檢測坐在發射台上的火箭之間的差異，並且在使用其發動機加速時處於相同的深空中的火箭中在1g由於類似的原因，在任何類型的自由落體期間，加速度計將讀為零。這包括在遠離任何質量的太空飛船，繞地球運行的太空飛船，拋物線“零克”弧形的飛機或任何自由落下的真空中使用的海岸太空飛船。另一個例子是在足夠高的高度自由落體，大氣效應可以忽略不計。

然而，這不包括空氣阻力產生減小加速度的拖曳力（直到達到恆定的最終速度）的（非自由）下降。在終端速度下，加速度計將表示1g加速度向上。同樣的原因，一名跳傘運動員在達到終點速度時，感覺不到他或她處於“自由落體”狀態，而是經歷類似於在升高空氣的“床”上被支撐（1克）的感覺。

加速度以SI單位米/秒/秒（m / s2），cgs單位gal（Gal）或通常以標準重力（g）來量化。

為了找到相對於地球的物體的加速度的實際目的，例如用於慣性導航系統中，需要了解局部重力。這可以通過校準靜止裝置或在大約當前位置從已知的重力模型獲得。

結構

在概念上，重積分加速度計在彈簧上表現為阻尼質量。當加速度計經歷加速度時，質量移動到彈簧能夠以與殼體相同的速率加速質量的點。然後測量位移以給出加速度。

在商業設備中，壓電，壓阻和電容部件通常用於將機械運動轉換為電信號。壓電加速度計依靠壓電陶瓷（例如鋯鈦酸鉛）或單晶（例如石英，電氣石）。它們在高頻範圍，低重量和高溫範圍方面是無與倫比的。壓電加速度計在高衝擊套用中是優選的。電容加速度計通常使用矽微加工感應元件。它們在低頻範圍內的性能優越，可以在伺服模式下工作，實現高穩定性和線性度。

現代加速度計通常是小型微機電系統（MEMS），並且確實是可能的最簡單的MEMS裝置，其組成僅包括具有證明質量（也稱為地震質量）的懸臂樑。來自封閉在設備中的殘留氣體的阻尼結果。只要Q因子不太低，阻尼不會導致較低的靈敏度。

在外部加速度的影響下，證明物質從其中性位置偏轉。該偏轉以模擬或數字方式測量。最常見的是，測量一組固定光束與附著於校準物質的一組光束之間的電容。該方法簡單，可靠，價格便宜。在彈簧中集成壓敏電阻以檢測彈簧變形，從而檢測彈性變形，因此是偏轉，但是在製造順序中需要更多的工藝步驟。對於非常高的靈敏度，也使用量子隧穿;這需要一個專門的過程，使其非常昂貴。實驗室規模已經證明了光學測量。

另一種不那么普遍的類型的基於MEMS的加速度計在非常小的圓頂的底部包含一個小的加熱器，這加熱了圓頂內部的空氣使其升高。圓頂上的熱電偶確定加熱的空氣到達圓頂的位置，偏離中心的位置是對感測器施加的加速度的量度。

大多數微機械加速度計在平面內工作，也就是說，它們被設計為僅對模具平面中的方向敏感。通過將兩個裝置垂直地集成在單個模具上，可以製造雙軸加速度計。通過添加另外的平面外設備，可以測量三個軸。這種組合可能具有比包裝之後組合的三個離散模型低得多的失準誤差。

微機械加速度計有多種測量範圍，可達數千g。設計師必須在靈敏度和可測量的最大加速度之間做出妥協。

套用

工程

重積分加速度計可用於測量車輛加速度。可用於測量汽車，機器，建築物，過程控制系統和安全設施的振動，也可用於測量地震活動，傾角，機器振動，動態距離和速度，有無重力的影響。用於測量重力的加速度計的套用，其中加速度計專門配置用於重力測量，稱為重力計。

裝有加速度計的筆記本電腦可以幫助Quake-Catcher網路（QCN），這是一個旨在科學研究地震的BOINC項目。

生物學

重積分加速度計也越來越多地用於生物科學領域。雙軸或三軸加速度的高頻記錄允許在動物看不見時區分行為模式。此外，加速記錄允許研究人員通過確定肢體中風頻率，或諸如整體動態身體加速度的措施來量化動物在野外消耗能量的速率。這些方法主要被採用由於海洋科學家由於無法使用視覺觀察在野外研究動物，然而越來越多的陸生生物學家正在採用類似的方法。該器件可以連線到放大器放大信號。

建築和結構監測

重積分加速度計用於測量暴露於動態載荷的結構的運動和振動。

在結構套用中，測量和記錄結構如何動態地回響這些輸入對於評估結構的安全性和可行性至關重要。這種類型的監測稱為健康監測，通常涉及其他類型的儀器，例如位移感測器 - 電位器，LVDT等 - 變形感測器 - 壓力計，伸縮計，負載感測器 - 負載感測器，壓電感測器其他。

醫療套用

Zoll的AED Plus使用包含加速度計的CPR-D·padz來測量CPR胸部按壓的深度。

在過去的幾年中，有幾家公司已經為跑步者生產和銷售了運動手錶，其中包括腳踏，包含加速度計，以幫助確定穿著本機的跑步者的速度和距離。

在比利時，政府推動加速度計步兵台鼓勵人們每天步行數千步。

赫爾曼數字訓練師使用加速度計測量身體訓練中的罷工力。

有人建議用加速度計製造足球頭盔，以測量頭碰撞的影響。

加速度計已被用於計算步態參數，如姿態和擺動階段。這種感測器可用於測量或監控人們。

導航

慣性導航系統是導航輔助裝置，其使用計算機和運動感測器（加速度計）來連續計算運動物體的位置，方位和速度（運動方向和速度），而無需外部參考。用於指慣性導航系統或密切相關的裝置的其它術語包括慣性引導系統，慣性參考平台以及許多其他變型。

單獨的加速度計不適合確定重力垂直方向的重要程度如飛機和火箭的重要程度的距離的高度變化。在存在重力梯度的情況下，校準和數據簡化過程在數值上不穩定。