CN102384983A - 一种超声悬浮加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声悬浮加速度计，包括壳体，在所述的壳体内设置有悬浮物，在所述的壳体的底部设置有压电陶瓷片，在壳体内下表面设置电容上极板，在悬浮物的上表面设置电容下极板。本发明与现有技术相比，结构更加紧凑，加工和装配都易于实现较高的精度，同时更便于安装和应用。由于用于敏感元件的质量没有机械支承结构，消除了机械弹力的影响，本发明中加速度计的灵敏度在理论可以很高。

Description

一种超声悬浮加速度计

技术领域：

本发明涉及一种惯性器件领域中的加速度计，具体是超声悬浮加速度计。

背景技术：

加速度计是利用检测质量块的惯性力来测量载体加速度的敏感装置，传统的加速度计主要有摆式加速度计、振弦加速度计和压电加速度计等。随着航空航天等领域对加速度计的需求日益增大，对其精度、抗干扰能力和灵敏度等方面的要求也越来越高，目前的各类加速度计面临着技术和成本的矛盾，难以实现高性能和低成本的统一。因此，提出新原理和新结构的高精度、不受电磁干扰且灵敏度高的加速度计是很有必要的。本发明提出一种采用超声悬浮机理来实现加速度计的功能，能在很大程度上满足航空航天等领域对加速度计日益广泛的需求。

发明内容：

本发明的目的就在于研制一种体积小，易于加工、装配和使用，成本低廉，精度高，抗干扰能力强，灵敏度高，应用范围广的超声悬浮加速度计。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种超声悬浮加速度计，包括壳体，其特征在于：在所述的壳体内设置有悬浮物，在所述的壳体的底部设置有压电陶瓷片，在壳体内下表面设置电容上极板，在悬浮物的上表面设置电容下极板。

所述的壳体包括筒壁、上盖以及底盖，在筒壁的上端为上盖，在筒壁的下端为底盖，所述的悬浮物设置在底盖与上盖之间，在所述的底盖下表面设置有压电陶瓷片，在所述的上盖下表面设置电容上极板，在悬浮物的上表面设置电容下极板。

本发明超声悬浮加速度计利用压电陶瓷的逆压电效应，通过外加电信号，使压电陶瓷产生机械变形，从而激发底盖定子产生超声波振动，在底盖定子和悬浮物之间形成超声近场悬浮效应，产生声辐射压将悬浮物支撑起来，并且与底盖定子存在数微米至数百微米的间隙距离。在悬浮物的上表面粘贴电容的下极板，而电容的上极板固定在上盖的下表面，因此通过改变上下极板的位置可实现电容的改变。由于上极板是固定在上盖的下表面上，因此下极板的位置改变是电容输出值改变的关键。下极板粘贴在悬浮物上，因此只要使得悬浮物产生扰动就能保证电容发生改变，即外界给定一个加速度，使得悬浮物产生一个朝着与加速度方向相反的惯性力，从而改变悬浮物与底盖定子的位置。当悬浮物的位置不发生改变时，说明近场悬浮作用产生的悬浮力与悬浮物的重力以及惯性力相抵消，因此只需从外界测得电容变化即可得到加速度的大小，其中由底盖定子悬浮起来的总重量为电容极板和悬浮物两者重量之和。

本发明与现有技术相比，结构更加紧凑，加工和装配都易于实现较高的精度，同时更便于安装和应用。由于用于敏感元件的质量没有机械支承结构，消除了机械弹力的影响，本发明中加速度计的灵敏度在理论可以很高。

附图说明：

图1是超声悬浮加速度计的结构示意图。

图1中的标号名称：1.上盖；2.电容上极板；3.筒壁；4电容下极板；5.悬浮物；6.底盖(定子)；7.压电陶瓷片。

具体实施方式：

下面结合附图，对本发明作详细说明，如图1所示，本发明加速度计，包括由筒壁3、上盖1以及底盖6构成的壳体，在筒壁3的上端为上盖1，在筒壁2的下端为底盖6，悬浮物5置于底盖6与上盖1之间，在底盖6上设置有压电陶瓷片7，在上盖1下表面粘贴电容上极板2，在悬浮物5的上表面粘贴电容下极板4。

本发明利用压电陶瓷片的逆压电效应激出底盖即定子的振动，由此诱发其表面形成近场声悬浮，产生支撑悬浮物的声悬浮力，从而使悬浮物静止在距离定子几微米至数百微米的位置，一旦外界有振动，由测量物体的加速度变化所引起的惯性力作用将导致固定在悬浮物上的电容上下极板位置发生改变并通过外接电路使变化量输出，从而得到加速度的大小的超声悬浮加速度计。它主要由定子、悬浮物、电容、壳体等四部分组成。图1是本发明的具体结构示意图，由图可知，加速度计的定子由底盖6和压电陶瓷片7组成，而压电陶瓷片7均匀粘贴在底盖6的下表面，底盖6固定在筒壁3上。电容上极板2与上盖1连为一体，两者互不影响，而电容下极板4粘贴在悬浮物5的上表面，上下极板之间的高度与悬浮物5与底盖6之间的高度的和是一个定值。悬浮物的运动对上下极板之间的电量不产生影响，这样才能保证电容的变化是随着极板间距的变化而变化，属于单一变量。外接电容的测量电路采用运算放大器式电路，能有效地克服变间隙电容的非线性问题。

通过结构设计得到的超声悬浮加速度计的基础理论推导公式如下：

初始假定悬浮物稳定，此时有

F₁＝mg                                            (1)

且悬浮物稳定状态下的悬浮力

$F_1=\frac{{\mathrm{\πp}}_0\mathrm{\γ}(\mathrm{\γ}+1)B(0,r_a)}{{h_0}^2}---\left(2\right)$

其中

$B(0,r_a)={\∫}_0^{r_a}{w}^2\left(r\right)\mathrm{rdr}---\left(3\right)$

其中：m为悬浮物的质量，g为当地的重力加速度，p0为环境压强，w(r)为定子上表面振型函数，F1为悬浮力，h0为悬浮物与定子之间的初始稳定高度，γ为气体的比热容比，ra为悬浮物的半径。

令

A＝πp₀γ(γ+1)B(0，r_a)                                      (4)

当有方向向上的加速度a后，由于惯性力的作用，悬浮物必定向下运动位移Δd，此时

h₁＝h₀-Δd                                      (5)

d₁＝d₀+Δd                                      (6)

其中，h1为加速度作用后，悬浮物稳定时与定子间的高度；

d0为悬浮物初始稳定时的电容极板间距；

d1为加速度作用后，悬浮物稳定时电容极板间距。

而此时的悬浮力

$F_2=\frac{A}{{(h_0-\mathrm{\Δd})}^2}---\left(7\right)$

并且存在

F₂＝mg+ma                                         (8)

因此

$F_2-F_1=A\frac{{2h}_0\mathrm{\Δd}-{\mathrm{\Δd}}^2}{{(h_0-\mathrm{\Δd})}^2{h_0}^2}=\mathrm{ma}---\left(9\right)$

即加速度和悬浮力成正比。所以

$\mathrm{\Δd}=h_0-\frac{h_0}{\sqrt{{{\mathrm{maAh}}_0}^2+A^2}}---\left(10\right)$

而电容极板同样改变Δd，利用运算放大器测量电路，得到

即

其中，

为输出电压信号，C_X为传感器的电容，

为交流电源电压，C为电

路中固定电容的值。

Claims (3)

1.一种超声悬浮加速度计，包括壳体，其特征在于：在所述的壳体内设置有悬浮物，在所述的壳体的底部设置有压电陶瓷片，在壳体内下表面设置电容上极板，在悬浮物的上表面设置电容下极板。

2.根据权利要求1所述的超声悬浮加速度计，其特征在于，所述的壳体包括筒壁、上盖以及底盖，在筒壁的上端为上盖，在筒壁的下端为底盖，所述的悬浮物设置在底盖与上盖之间，在所述的底盖下表面设置有压电陶瓷片，在所述的上盖下表面设置电容上极板，在悬浮物的上表面设置电容下极板。

3.根据权利要求2所述的超声悬浮加速度计，其特征在于，所述的电容上极板与上盖粘贴，所述的电容下极板与悬浮物粘贴，压电陶瓷片与底盖粘贴。

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