角加速度計

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傳感器。

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，這類角加速度傳感器的特點是：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類角加速度傳感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，此類傳感器直接安裝在被測物體上。因此x及Y類角加速度傳感器的根本區別體現在參考點的選取上。

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應用中．延遲特性是極為重要的，在這些應用中系統要求對參考信號或反饋信號有足夠短的響應時聞。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帶寬完全分開時．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：實時控制或監控應用中)，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。

1992年，Godler等報導了一種角加速度傳感器，這種角加速度傳感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。這種角加速度傳感器採用機械光電傳感裝置感應角加速度，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傳感器。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。這種微傳感器採用硅的微細加工方法制造，並且傳感器的機械部分和檢測控制電路集成在一起。

1995年，Raid Lassow等人報道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。工作温度為9.2K，在此温度下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傳感器，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報導了體硅微加工角加速度計，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 ^[2]  。

上海交通大學的陸愛珍等人報道了一種液浮飛輪式精密角加速度計。這種角加速度計的傳感部分由飛輪子、角度傳感器、力矩器、支承部件、浮液、温控裝置、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傳感器，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用於硬盤驅動的角加速度計衝擊能力好等優點 ^[2]  。

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啓動，以削弱這些不安全因素對車上乘員的人身傷害。

為了及時佈置抑制裝置，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，由線加速度傳感器和角速率傳感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啓動抑制裝置，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。對角速度傳感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。角加速度傳感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 ^[2]  。

隨着高新技術在軍事領域的廣泛應用，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。對戰術導彈而言，為提高導彈的機動性能，縮短髮射時間，就必須採用大扇面或全方位發射技術。一般戰術導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)的變化來控制導彈的飛行狀態。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傳感器，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，導致導彈失穩。另外，僅根據裝定扇面角來控制導彈轉彎，無法控制導彈的法向過載，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導彈在全姿態、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導彈進行穩定和控制，較好地實現了導彈從90°直至180°的幾種大扇面角發射 ^[2]  。

在新型小衞星姿態控制技術中，採用角加速度計來測量小衞星高姿態抖動。星跟蹤器和角加速度計(高帶寬0 .1～1000Hz)兩個傳感器的輸出在混合電路中進行數據融合，提供寬帶範圍內的姿態抖動測量的估值，用於抑制小衞星姿態的殘餘抖動，保證衞星的視軸精確定向穩定精度;同時，加速度計的輸出通過座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。安裝在小衞星上的角加速度計成為它有效載荷的一部分 ^[2]  。

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。角加速度傳感器，除應用於控制系統中，還大量地應用在測試方面，如飛機的機動性能測試，交通工具的啓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，則常將傳感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 ^{[2]  [3]}  。

對角加速度傳感器的研究目前朝兩個方向發展。一個發展方向是採用MEMS技術對傳感器進行微型化，MEMS角加速度計能夠將傳感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應用於硬盤防衝擊、防振動前向反饋控制系統中，並且在汽車駕駛安全控制、衞星姿態控制、飛彈運動控制等領域有着很大的潛在市場。目前。國內外對MEMS角加速度計的研究遠遠沒有MEMS線加速度計那麼廣泛，還不能得到高分辨率的角加速度傳感器。另一個發展方向是採用傳統加工方法應用新型的測量原理，如超導效應，米提高角加速度計的分辨率，從而將其應用於空間實驗中的重力梯度分析等領域。這種傳感器雖然能得到極高的分辨率，但它的體積大，製造費用昂貴，角加速度測量範圍以及頻率帶寬較窄。目前．牲衞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、分辨率高、測量範圍廣、頻帶寬的角加速度計 ^[3]  。