CN101713787A - 电容式加速计 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电容式加速计。具体而言，大致相同的第一表面(11)和第二表面(12)具有大致相同的轮廓和表面积，围绕受到支承以便在表面之间移动的检测质量件(20)彼此面对。表面(11，12)和检测质量件(20)具有导电部分，容许估算差动电容来用于测量加速度。在实施例中，导电部分连接到调节电路上。

Description

电容式加速计
技术领域
本发明大体上涉及电容式加速计，并且更具体地涉及耐极端条件尤其是耐高温的加速计。
背景技术
加速计用于测量加速度且呈现出若干形式。电容式加速计具有悬置在两个传导性板件之间的一定类型的弹簧上的传导性质量件，其称为地震性或惯性检测质量件(proof mass)。气体，如空气或非活性气体，占据了质量件与板件之间的空间。该布置形成了两个电容器，各板件与检测质量件之间各一个，其中，气体用作电介质。当装置经受加速度时，检测质量件移动以更为靠近一个板件或另一个板件，减小检测质量件与一个板件之间的间隙，同时增大检测质量件与另一个板件之间的距离，从而改变电容器中的电容。通过比较电容，可确定加速度的方向和大小。然而，大多数电容式加速计由于其结构而只能测量沿一条轴线的加速度。为了测量沿一条以上的轴线的加速度，必须对于所涉及的每条轴线提供一个加速计，这可能会变得复杂。此外，由于它们的材料和构造，电容式加速计趋于在高温下容易损坏，例如，在燃气涡轮机中可能经受的高温。
发明内容
在一个实施例中，加速计具有表面积大致相等的凹入的第一表面和凹入的第二表面，其围绕检测质量件彼此面对，该检测质量件受到支承以便在表面之间移动。表面和检测质量件具有导电部分，容许估算差动电容(differential capacitance)用于测量加速度。
另一个实施例具有一种系统，该系统包括具有凹入的第一表面和凹入的第二表面的加速计，该第一表面面向该第二表面，在第一表面和第二表面中的各表面的相应部分上均具有至少一个导电区域。加速计还具有支承在第一表面与第二表面之间以便移动的检测质量件，其中，检测质量件的至少一部分为导电的。该系统包括调节电路，该调节电路连接到第一表面和第二表面的各导电区域和检测质量件的导电的至少一部分上，且构造成用以提供相应的信号，该信号指示在第一表面和第二表面的各导电区域与检测质量件的导电的至少一部分之间的电容。
附图说明
图1为根据如本文所公开的实施例的加速计的透视图。
图2为根据如本文所公开的实施例的加速计的分解透视图。
图3至图10为根据如本文所公开的实施例的加速计的半球面的简图。
图11至图13为根据实施例的调节电路的简图。
零件清单
10  加速计
11，12  第一表面和第二表面
13，14  第一板件和第二板件
20  地震性或惯性检测质量件
30  弹簧类元件
25  空间
15，16  切口
17，18  接合表面
40  外部壳体
310，320  图3和图4的导电区域
410，420，430，440，450，460，470，480  图5和图6的导电区域
510，520，530，540  图7和图8的导电区域
610，620，630，640，650，660  图9和图10的导电区域
1110  图11的第一电容
1120  图11的第二电容
1130  图11的调节电路
1140  图11的信号
1210，1220，1230，1240  图12的第一电容、第二电容、第三电容和第四电容
1250  图12的调节电路
1260  图12的第一信号
1270  图12的第二信号
1310，1320，1330，1340，1350，1360  图13的第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容和第六电容
1370  图13的调节电路
1380  图13的第一信号
1385  图13的第二信号
1385  图13的第三信号
具体实施方式
参看附图，公开了根据本发明的实施例的加速计实例。为了说明起见，附图中示出了许多细节且在随后的详细说明中进行了阐述，以便提供对本发明的实施例的完全理解。所示和所述的细节为实例，且并不限制本发明的范围。然而明显的是，可在不具有这些特定细节的情况下实施本发明的实施例。在其它情形中，示意性地示出了公知的结构和装置，以便简化附图。
如图1和图2中所见，根据实施例的加速计10包括形成在第一板件13和第二板件14中的半球形的凹入的第一表面和11和凹入的第二表面12，第一表面11面向第二表面12。尽管在示例性实施例中示出了半球形表面，但在实施例的范围内可使用其它构造，例如但不限于多边形表面、椭圆形表面、双曲线形表面、以及抛物线形表面，只要第一表面和第二表面具有大致相同的轮廓和表面积。在所示的示例性实施例中，第一表面11和第二表面12具有大致相等的曲率半径、表面积和其它尺寸，例如但不限于深度以及在板件13，14表面处的周长。第一表面11和第二表面12中的各表面均具有作为导电区域或带有导电区域的至少一部分，各导电区域以其相应部分的表面中心为中心。地震性或惯性检测质量件20通过弹簧类元件30如挠性板件悬置在第一表面11与第二表面12之间，使得检测质量件20可在至少一个维度上进行运动。尽管在示例性实施例中示出了球形检测质量件20，但在实施例的范围内可使用其它构造或轮廓，例如但不限于多边形、椭圆形、双曲线形及抛物线形轮廓。在一个实施例中，弹簧类元件30限制检测质量件20沿加速计的纵轴线运动，而在其它实施例中，弹簧类元件30容许在两个或三个维度上运动。如所公知的那样，物体在多维空间中的运动可由构件沿轴线的运动来描述。例如，二维运动可由构件沿两个相互垂直的轴线的运动来描述。同样，例如，三维运动可由构件沿三个相互垂直的轴线的运动来描述。
检测质量件20的至少一部分为导电的。检测质量件20与第一表面11和第二表面12之间的空间25填充有用作电介质的气体。在一个实施例中，气体在高温下为非活性的，或具有较低的反应性，该气体例如为氦气，但其它气体只要它们对于本文所公开的目的具有适合的较低反应性就可采用。为了容许弹簧偏移，实施例中的第一板件和第二板件中的各个板件均包括切口，如围绕相应的半球形表面11，12的开口的截头圆锥形切口15，16。第一和第二板件13，14的接合表面17，18的其余部分接合和固持挠性板件。在实施例中，第一板件13和第二板件14、弹簧类元件30以及检测质量件由非传导性材料制成。在实施例中，通过将金属涂层涂覆到板件13，14的第一表面11和第二表面12以及检测质量件20上，形成第一板件11、第二板件12以及检测质量件20的导电部分。这样的涂层将具有一定的厚度，但只要厚度大致均匀，则厚度的影响就可抵消和/或忽略。在高温应用的实施例中，实施例的金属涂层可由具有高熔点的金属制成，使得涂层在加速计所经受的高温下不受干扰。
高温应用实施例的第一板件13和第二板件14的制造材料为耐高温的陶瓷材料。在本发明的范围内可视情况使用其它材料来用于其它应用场合。尽管图1和图2中将板件13，14示为圆柱形，但在实施例也可使用其它形状。同样，尽管容许挠性板件30运动的切口部分15，16示为截头圆锥形，但其它形状只要它们允许挠性板件30的适当运动就可使用。在实施例中，尤其是在高温应用的实施例中，地震性或惯性检测质量件20的制造材料也为陶瓷材料，但也可使用其它适合的材料。
如图1中所示，挠性板件30附接到检测质量件20上，使得挠性板件30的内周边与检测质量件20一起运动。在其外周边，挠性板件30由上板件13和下板件14的端部17，18保持。外部壳体40可被包括以将组件保持在一起，以及提供用以保持介电气体的密封室。外部壳体可为不锈钢、陶瓷或其它适合的耐热材料，以用于高温应用的实施例。图1中所示的外部壳体40仅为实例，以及在不脱离实施例的范围的情况下可采用外部壳体的其它形状、尺寸、类型及组件。
如图3和图4中所见，实施例的各个半球形表面11，12均具有带有相应导电区域310，320的一个部分。在图3和图4中所示的实施例中，各个完整表面11，12均涂覆有金属，以形成导电区域310，320，但也可使用较小的涂覆区来形成导电区域310，320，只要导电区域尺寸相同并且导电区域310，320的中心与导电区域所施加到的相应表面的表面中心重合。各导电区域310，320均与检测质量件20一起形成电容器。当单个涂覆部分310，320位于各表面上时，加速计10可在加速计10受到沿轴线的加速度或至少是其分量时，通过由检测质量件20偏移所引起的电容变化来测量沿单个轴线的加速度分量。例如，如图3中所见，标为z轴的单个测量轴线穿过半球的中心。
如图5和图6中所见，一个实施例在各半球形表面11，12中采用了作为或带有导电区域410，420，430，440，450，460，470和480的四个部分。结合这些区域用来测量在三个维度上的加速度或其分量。八个导电区域410，420，430，440，450，460，470和480中的各区域均与相邻的导电区域电绝缘。例如，通过使表面部分不受涂覆以形成区域之间的边界来实现电绝缘。各导电区域均与间隔开的检测质量件一起有效地形成电容器。对置的成对区域形成对置的电容器，这些对置的电容器可测量沿穿过相应的对置成对区域的轴线的加速度或至少是其分量。此外，对置的成对区域组或区域组合可用于测量沿穿过相应的成对区域组合的轴线的加速度或至少是其分量。例如，在实施例中，使用如图5和图6中所见的八个导电区域的结合容许例如通过测量沿三个相互垂直的笛卡尔轴线测量加速度分量来测量空间中的加速度。例如，通过将第一组区域410和450的总电容与第二组区域430和470的总电容相比较，可实现对沿如图6中所标示的y轴的加速度分量进行测量，通过将第三组区域420和460的总电容与第四组区域440和480的总电容相比较，可实现对沿如图6中所标示的x轴的加速度分量进行测量，以及通过将第五组区域410至440的总电容与第六组区域450至480的总电容相比较，可实现对沿z轴的加速度分量进行测量。在实施例中也可使用其它组和其它定向来提供类似的结果。
在一个实施例中，正如上文所述的每个半球形表面实施例的单个导电区域，导电区域可小于它们所施加到的表面的相应部分，只要各导电区域的中心与其所施加到的相应部分的表面中心重合。此外，在实施例中，导电区域都将具有相同尺寸。
根据实施例的更为通用的原理在于，由对置的导电区域或其对置的对称组或组合以及检测质量件所形成的对置的成对电容器可测量沿一条轴线的加速度，该轴线穿过对置的电性部分的中心和处于其初始位置的检测质量件的中心。因此，实施例并不限于如上文所述的每个半球形表面上具有一个或四个导电区域，而是可视给定情形而具有两个、三个、五个或更多导电区域。当前的制造实践使得一些实施例的使用过于困难和/或昂贵，但期望的是，制造方面的改进和改良将使可能有用的一些(如果并非所有)实施例的制作更为容易且成本更低。
例如，如图7和图8中所见，示出了根据一个实施例的可测量平面中的加速度的加速计。各半球形表面11，12均具有彼此电绝缘的两个导电区域510，520，530，540。如上文所述，电绝缘通过使表面部分不受涂覆而形成区域之间的期望边界来实现。各区域均与间隔开的检测质量件20一起有效地形成相应的电容器，且简单地通过将一对区域中的一个区域的电容与一对区域中的另一个区域的电容相比较，对置的成对区域510/540，520/530就可测量沿穿过相应的对置成对区域的轴线的加速度分量。如果加速计或至少是半球形表面适当地定向，则可实现由图3和图5至图9中所示的x轴和z轴所形成的x-z平面中的加速度测量。因此，通过将z轴的顶部区域510，520的总电容与底部区域530，540的总电容相比较，以及将对于x轴一侧的区域510，530的总电容与另一侧520，540的总电容相比较，可实现在x-z平面上的测量。
如图9和图10中所见，根据一个实施例的备选三轴线加速计采用彼此电绝缘的六个导电区域610，620，630，640，650，660，每个半球形表面11，12中有三个。此外，通过使表面部分不受涂覆以形成区域之间的边界来实现电绝缘。半球11，12其导电区域具有大致相同的布置，但一个相对于另一个在x-y平面中旋转180度，以将上半球11的区域610，620，630从下半球12的对应区域640，650，660安置成与检测质量件20相对。各区域均与间隔开的检测质量件20一起有效地形成相应的电容器，且对置的成对区域610/660，620/650和630/640可测量沿穿过相应的对置成对区域的中心的轴线的加速度或至少是其分量。使用如图9和图10中所见的三个对置的成对区域容许沿三条轴线进行测量，以便利用加速计10的适当定向和/或应用于调节电路和/或处理硬件和/或软件的适合的校正因素，可测量沿相互垂直的三个笛卡尔轴线的加速度分量。
正如上文所述的实施例，每个半球形表面采用一个和四个导电区域，实施例的导电区域可小于它们所施加到的表面上的相应部分，只要各导电区域的中心均与其所施加到的相应部分的表面中心重合。此外，在实施例中导电区域都将具有相同尺寸。
在实施例中，如上文所述，检测质量件和对置的成对电容器或对置的对称电容器组或组合连接到调节电路上。调节电路监测各电容器或电容器组合与检测质量件之间的电容，且提供相应的信号，例如电压，指示在对置的成对电容器或对置的对称电容器组或组合之间的差动电容。各信号均随所监测的电容自初始值的变化程度而变，指示加速计所经受的加速度大小和/或方向。
因此，如图11中所见，通过将包括第一电容器或电容器组的第一电容1110和包括第二电容器或电容器组1120的第二电容1120连接到调节电路1130上来实现单个轴线的加速度测量。调节电路1130提供指示第一电容1110与第二电容1120之间的差动电容的信号1140。信号1140随第一电容1110和第二电容1120自初始值的变化程度而变，指示加速计所经受的加速度的大小和/或方向。例如，如表1中所见，调节电路1130可用于：
表1
  附图实施例：   由检测质量件20和导电区域所形成的第一电容1110：   由检测质量件20和导电区域所形成的第二电容1120：
  图3和图4   310   320
  图5和图6   410-440   450-480
  图5和图6   410，450   430，470
  图5和图6   420，460   440，480
  图5和图6   410，440，450，480   420，430，460，470
  图5和图6   410，420，450，460   430，440，470，480
  图7和图8   510，520   530，540
  图7和图8   510，530   520，540
  附图实施例：   由检测质量件20和导电区域所形成的第一电容1110：   由检测质量件20和导电区域所形成的第二电容1120：
  图9和图10   610   660
  图9和图10   620   650
  图9和图10   630   640
对于实施例的特定情形，各实例中的组可视情况在第一电容1110与第二电容1120之间切换。
同样，如图12中所见，通过将第一电容1210、第二电容1220、第三电容1230和第四电容1240连接到调节电路1250上，可实现两个轴线的加速度测量。如上文所述，各电容均可为单个电容器或一组电容器。调节电路1250提供指示在第一电容1210与第二电容1220之间的差动电容的第一信号1260，以及指示在第三电容与第四电容之间的差动电容的第二信号1270。例如，如表2中所见，调节电路1250可用于：
表2
  附图实施例：   由检测质量件20和导电区域所形成的第一/第三电容1210/1230：   由检测质量件20和导电区域所形成的第二/第四电容1220/1240：
  图5和图6   410-440   450-480
  图5和图6   410，450   430，470
  图5和图6   420，460   440，480
  图5和图6   410，440，450，480   420，430，460，470
  图5和图6   410，420，450，460   430，440，470，480
  图7和图8   510，520   530，540
  图7和图8   510，530   520，540
  图9和图10   610   660
  图9和图10   620   650
  图9和图10   630   640
对于实施例的特定情形，各实例中的组可视情况在第一电容1210/第三电容1230与第二电容1220/第四电容1240之间切换。
同样，如图13中所见，通过将第一电容1310、第二电容1320、第三电容1330、第四电容1340、第五电容1350和第六电容1360连接到调节电路1370上，可实现三个轴线的加速度测量。如上文所述，各电容均可为单个电容器或一组电容器。调节电路1370提供指示第一电容1310与第二电容1320之间的差动电容的第一信号1380、指示第三电容1330与第四电容1340之间的差动电容的第二信号1385，以及指示第五电容1350与第六电容1360之间的差动电容的第三信号1390。例如，如表3中所见，调节电路1370可用于：
表3
  附图实施例：   由检测质量件20和导电区域所形成的第一/第三/第五电容1310/1330/1350：   由检测质量件20和导电区域形成的第二/第四/第六电容1320/1340/1360：
  图5和图6   410-440   450-480
  图5和图6   410，450   430，470
  图5和图6   420，460   440，480
  图5和图6   410，440，450，480   420，430，460，470
  图5和图6   410，420，450，460   430，440，470，480
  图9和图10   610   660
  图9和图10   620   650
  图9和图10   630   640
对于实施例的特定情形，各实例中的组可视情况在第一电容1310/第三电容1330/第五电容1350与第二电容1320/第四电容1340/第六电容1360之间切换。
通过应用如本文所公开的实施例，提供了紧凑且稳健的加速计。具体而言，提供了可经受例如存在于燃气涡轮机中的极端温度的多轴线加速计。
尽管已参照一个或多个示例性实施例描述了本文的公开内容，但本领域它的技术人员将会理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可做出多种改变，并且可用等同物代替其元件。此外，在不脱离本发明的范围的情况下，可做出许多修改以使特定的情势或材料适应本文所教导的内容。因此，期望的是使本文不限于作为为执行本发明而构思出的最佳方式所公开的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种加速计(10)，包括：
轮廓和表面积大致相同的凹入的第一表面(11)和凹入的第二表面(12)，所述第一表面面向所述第二表面；
位于所述第一表面(11)和所述第二表面(12)中的各个表面的相应部分上的至少一个导电区域，所述第一表面(11)和所述第二表面(12)的各个所述至少一个导电区域均以其相应部分的表面中心为中心；
支承在所述第一表面(11)与所述第二表面(12)之间以便在其间运动的检测质量件，所述检测质量件的至少一部分是导电的。
2.根据权利要求1所述的加速计(10)，其特征在于，所述第一表面(11)和所述第二表面(12)大体上为半径大致相等的半球形。
3.根据权利要求1所述的加速计(10)，其特征在于，所述第一表面(11)和所述第二表面(12)形成在相应的第一板件(13)和第二板件(14)中，所述加速计(10)还包括支承所述检测质量件且由所述第一板件(13)和所述第二板件(14)支承的挠性板件。
4.根据权利要求1所述的加速计(10)，其特征在于，所述第一表面(11)和所述第二表面(12)中的各个表面的所述至少一个导电区域为彼此电绝缘的多个导电区域，且设置成使得所述第一表面的导电区域具有相应的对置的所述第二表面的导电区域。
5.根据权利要求4所述的加速计(10)，其特征在于，多个导电区域中的各个导电区域均包括四个导电区域(410，420，430，440，450，460，470，480)。
6.根据权利要求2所述的加速计(10)，其特征在于，所述检测质量件处于初始位置时与所述第一表面(11)和所述第二表面(12)的曲率中心同心，以及具有比所述第一表面(11)和所述第二表面(12)的半径更小的半径。
7.一种系统，包括：
加速计(10)，其包括：
凹入的第一表面(11)和凹入的第二表面(12)，所述第一表面面向所述第二表面；
位于所述第一表面(11)和所述第二表面(12)中的各个表面的相应部分上的至少一个导电区域；以及
支承在所述第一表面(11)与所述第二表面(12)之间以便运动的检测质量件，所述检测质量件的至少一部分是导电的；以及
调节电路，其连接到所述第一表面(11)和所述第二表面(12)的各导电区域以及所述检测质量件的导电的至少一部分上，且构造成用以提供指示所述第一表面(11)和所述第二表面(12)的各导电区域与所述检测质量件的导电的至少一部分之间的电容的相应信号。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第一表面(11)和所述第二表面(12)中的各个表面的所述至少一个导电区域分别为第一多个区域和第二多个区域，所述第一多个区域的各导电区域具有相应的对置的所述第二多个区域的导电区域。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述第一多个导电区域和所述第二多个导电区域均包括四个导电区域(410，420，430，440，450，460，470，480)，所述四个导电区域的相应部分分别为所述第一表面(11)和所述第二表面(12)中的其相应表面的大致四分之一。
10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述调节电路提供指示第一组所述导电区域与对置的第二组所述导电区域之间的第一差动电容的第一信号、指示第三组所述导电区域与对置的第四组所述导电区域之间的第二差动电容的第二信号以及指示第五组所述导电区域与对置的第六组所述导电区域之间的第三差动电容的第三信号。
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