CN108508234B - 正交静电悬浮加速度计敏感结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种正交静电悬浮加速度计敏感结构，正交静电悬浮加速度计敏感结构包括敏感质量块和电极，敏感质量块包括分别沿X轴、Y轴及Z轴延伸的X轴测量管、Y轴测量管及Z轴测量管，电极为多个，多个电极非接触安装在敏感质量块上以向敏感质量块施加静电悬浮力和反馈控制力，以使敏感质量块处于悬浮状态。根据本发明实施的正交静电悬浮加速度计敏感结构，敏感质量块形成中空结构使得相同的支承电压下电极能提供较大的支承力，从而扩大了量程。此外，由于正交静电悬浮加速度计敏感结构的整体结构紧凑，能够实现三轴加速度的同步测量，测量的集成度较高，各轴的测量和控制的同步性较好实现，简化了测量及控制电路。

Description

正交静电悬浮加速度计敏感结构

技术领域

本发明涉及加速度计的敏感结构，特别是涉及静电悬浮加速度计的敏感结构设计与电极配置方案。

背景技术

航空重力仪等重力测量设备要求重力异常的测量精度达到1mGal(1×10^-6g)，相应地要求精度优于1×10^-6g的加速度计作为重力敏感器。

静电悬浮加速度计是一种依靠静电力实现检验质量无接触悬浮的力平衡式加速度计。其特点是易实现小量程、高精度、高稳定性，可以同时测量载体三个正交方向的线加速度，单个仪表可实现惯导系统所需的三轴加速度计组件功能，是实现加速度计高精度的重要技术发展方向，在航天、航海、航空等领域的惯性导航及精密测量方面具有广阔的应景前景。

现有静电悬浮加速度计大多面向空间应用，其量程很小，应用范围受到局限，三轴大量程设计不多。其中，现有技术提出了一种面向地面惯性导航应用的静电悬浮加速度计方案，检验质量块包括六块薄板构成空心结构，目的是提高面积质量比，检验质量块的材料可用铍、硬铝、钛合金、石英或陶瓷等，12块电极用于六自由度悬浮的加力与检测。例如，质量块用硬铝时，薄板尺寸取20×10×0.3mm(薄板之间采用激光焊接)，质量仅为1g；若质量块材料用石英时，薄板尺寸取20×9.8×0.3mm(薄板之间采用键合方式)，六面体框架取1×1×10mm，此时质量为1.5g。电极板尺寸为45×10×5mm，标号48为止档，标号47为未用区域，保持电位与质量块相同，采用真空镀膜，超声波开槽，通过金丝施加高频载波和偏置电压。

除此之外，未见在地面应用的报道。在太空微重力环境中的小量程应用中，主要有两种结构形式，一种是立方体状检验质量块，另一种为圆筒形质量块加速度计。

立方体检验质量块加速度计采用三轴对称设计，共计包括六组十二块电极，电极组件呈六面体结构，六自由度静电悬浮，与圆筒状检验质量块相比，采用立方体质量块后的三轴解耦性能提高，还可输出三轴角加速度。采用带土星环的圆筒形质量块加速度计采用五自由度静电悬浮。

对于采用MEMS技术的微静电加速度计，受到设计和工艺局限，也大多采用其中一轴与其他两轴不对称的结构，不易实现三轴测量一致性。对于三轴测量的加速度计，现有技术的液体介质三轴静电加速度计，其三轴参数一致，但原理和结构相对复杂，加工和装配工序较为繁复。

目前，静电悬浮加速度计的主要问题是地面支承悬浮电压较高，由此带来支承电路系统复杂、支承电路误差大等问题，难以实现高精度、高稳定性。此外，现有加速度计设计大多在各方向上的结构和测量参数设计不对称，难以实现三轴测量，或各轴的测量一致性不佳。因此，需要一种结构简单、三轴对称、支承电压低的加速度计设计。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种正交静电悬浮加速度计敏感结构，所述正交静电悬浮加速度计敏感结构的结构较为简单。

根据本发明实施例的正交静电悬浮加速度计敏感结构，包括：敏感质量块，所述敏感质量块包括分别沿X轴、Y轴及Z轴轴向两侧延伸的X轴测量管、Y轴测量管及Z轴测量管；电极，所述电极为多个，多个所述电极非接触安装在所述敏感质量块的各个测量管周围，且所述电极分别在所述X轴测量管、Y轴测量管及Z轴测量管上成对设置，每对所述电极均分别位于相应测量管的内侧和外侧；其中：所述X轴、所述Y轴及所述Z轴形成为直角坐标系，通电时多个所述电极对所述敏感质量块施加静电悬浮力和反馈控制力，以使所述敏感质量块处于悬浮状态。

根据本发明实施的正交静电悬浮加速度计敏感结构，由于敏感质量块为中空结构且内外表面均可用于安置电极，使得敏感质量块具有较大的表面积质量比，即在相同的支承电压下，电极能提供较大的支承力，从而扩大了正交静电悬浮加速度计敏感结构的量程。此外，由于正交静电悬浮加速度计敏感结构的整体结构紧凑，能够实现三轴加速度的同步测量，测量的集成度较高，各轴的测量和控制的同步性较好实现，简化了测量及控制电路。

在一些实施例中，所述X轴测量管、Y轴测量管及Z轴测量管均为圆管。

在一些实施例中，所述X轴测量管的管壁内侧设有多个沿周向间隔开分布的第一内电极，所述X轴测量管的管壁外侧设有多个沿周向间隔开分布的第一外电极，所述第一内电极和所述第一外电极一一对应设置。

具体地，相邻两个所述第一外电极之间有间距且不导通，相邻两个所述第一内电极之间的距离等于相邻两个第一外电极之间的间距。

具体地，所述第一外电极与所述第一内电极的个数均为偶数，中心相对的两个所述第一外电极施加的电压符号相反，中心相对的两个所述第一内电极施加的电压符号相反。

在一些实施例中，所述Y轴测量管的管壁内侧设有多个沿周向间隔开分布的第二内电极，所述Y轴测量管的管壁外侧设有多个沿周向间隔开分布的第二外电极，所述第二内电极和所述第二外电极一一对应设置。

具体地，所述第二外电极与所述第二内电极的个数均为偶数，中心相对的两个所述第二外电极的极性相反，中心相对的两个所述第二内电极的极性相反。

在一些实施例中，所述Z轴测量管的管壁内侧设有多个沿周向间隔开分布的第三内电极，所述Z轴测量管的管壁外侧设有多个沿周向间隔开分布的第三外电极，所述第三内电极和所述第三外电极一一对应设置。

具体地，所述第三外电极与所述第三内电极的个数均为偶数，中心相对的两个所述第三外电极施加的电压符号相反，中心相对的两个第三内电极施加的电压符号相反。

在一些实施例中，所述X轴测量管、Y轴测量管及Z轴测量管的形状相同，长度相等，所述电极的数量相等。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的正交静电悬浮加速度计敏感结构的整体结构示意图。

图2是根据本发明实施例的敏感质量块的结构示意图。

图3是根据本发明实施例的X轴测量管的上的电极分布示意图。

图4是根据本发明实施例的正交静电悬浮加速度计敏感结构的电极分组示意图。

附图标记：

正交静电悬浮加速度计敏感结构10、

X轴测量管110、

第一内电极111、第一外电极112、

Y轴测量管120、

第二内电极121、第二外电极122、

Z轴测量管130、

第三内电极131、第三外电极132。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面参考图1-图4描述根据本发明实施例的正交静电悬浮加速度计敏感结构10的具体结构。

如图1-图2所示，根据本发明实施例的正交静电悬浮加速度计敏感结构10包括敏感质量块和电极，敏感质量块包括分别沿X轴、Y轴及Z轴轴向两侧延伸的X轴测量管110、Y轴测量管120及Z轴测量管130，电极为多个，多个电极非接触安装在敏感质量块的各测量管周围，且电极分别在X轴测量管110、Y轴测量管120及Z轴测量管130上成对设置，每对电极均分别位于相应测量管的内侧和外侧。X轴、Y轴及Z轴形成为直角坐标系，通电时多个电极对敏感质量块施加静电悬浮力和反馈控制力，以使敏感质量块处于悬浮状态。

需要说明的是，在通电状态下，多个电极对敏感质量块施加静电悬浮力使得敏感质量块处于初始悬浮状态，当敏感质量块发生运动时，会偏离初始悬浮状态，此时与正交静电悬浮加速度计敏感结构10的相连检测机构检测到了敏感质量块的偏移，此时为了使得敏感质量块回复到初始悬浮状态，需要对电极的电压进行调整，完成调整的电极会对敏感质量块施加反馈控制力，以使敏感质量块回复到初始悬浮位置，通过电极电压的变化即可得到敏感质量块的加速度，从而反应出敏感质量块所受到的加速度。这里需要额外说明的是，反馈控制力的本质还是电极施加给敏感质量块的静电悬浮力，是克服敏感质量块的加速度而施加的静电悬浮力，这样，保证敏感质量块始终处于力平衡状态。

可以理解的是，由于X轴测量管110、Y轴测量管120及Z轴测量管130均为中空结构，因此在三个测量管的管壁内侧和外侧均可以设置电极，从而能够使得敏感质量块具有较大的表面积-质量比，也就是说在相同的支承电压下电极能够提供的静电悬浮力较大，从而增大正交静电悬浮加速度计敏感结构10的量程。此外，由于敏感质量块在结构上三轴测量管连接较为紧凑，这样可以同时实现三轴的加速度测量，测量的集成度较高，各轴的测量和控制的同步性较好实现，简化了测量及控制电路。

根据本发明实施的正交静电悬浮加速度计敏感结构10，由于敏感质量块为中空结构且内外表面均可用于安置电极，使得敏感质量块具有较大的单位体积比表面积，即在相同的支承电压下，电极能提供较大的支承力，从而扩大了正交静电悬浮加速度计敏感结构10得到量程。此外，由于正交静电悬浮加速度计敏感结构10的整体结构紧凑，能够实现三轴加速度的同步测量，测量的集成度较高，各轴的测量和控制的同步性较好实现，简化了测量及控制电路。

在一些实施例中，X轴测量管110、Y轴测量管120及Z轴测量管130均为圆管。圆管的加工较为方便，降低了正交静电悬浮加速度计敏感结构10的生产成本，当然，X轴测量管110、Y轴测量管120或者Z轴测量管130也可以形成为其他管件，例如方管，椭圆管等等。

在一些实施例中，如图1所示，X轴测量管110的管壁内侧设有多个沿周向间隔开分布的第一内电极111，X轴测量管110的管壁外侧设有多个沿周向间隔开分布的第一外电极112，第一内电极111和第一外电极112一一对应设置。可以理解的是，在X轴测量管110上设有沿周向间隔开的第一外电极112和第一内电极111能够实现对X轴测量管110内的待测量块在Y轴和Z轴上方向上的移动及绕X轴的转动测量，从而实现了待测量的三自由度控制和检测，提高了正交静电悬浮加速度计敏感结构10的集成性。

具体地，相邻两个第一外电极112之间设有间距，此间距大小需满足相邻电压达到最大差值时，电极之间无击穿放电，相邻两个第一内电极111之间的距离等于相邻两个第一外电极112之间的间距。可以理解的是，相邻两个第一外电极112之间的间距过大会损失电极面积，导致敏感质量块在受到相同加速度情况下，需要施加在电极上的电压加大，间距过小则容易发生相邻两个第一外电极112击穿放电造成短接，影响测量结果。在实际应用中，相邻两个第一外电极112之间的间距可以根据实际情况做出调整。

具体地，第一外电极112与第一内电极111的个数均为偶数，中心相对的两个第一外电极112施加的电压符号相反，中心相对的两个第一内电极111施加的电压符号相反。由此，可以使得位于X轴测量管110中的待测量块电位为零，能够平稳的悬浮在X轴测量管110内，避免了敏感质量块偏离X轴测量管110的轴线，从而影响测量精度。

在一些实施例中，如图1所示，Y轴测量管120的管壁内侧设有多个沿周向间隔开分布的第二内电极121，Y轴测量管120的管壁外侧设有多个沿周向间隔开分布的第二外电极122，第二内电极121和第二外电极122一一对应设置。可以理解的是，在Y轴测量管120上设有沿周向间隔开的第二外电极122和第二内电极121能够实现对Y轴测量管120内的待测量块在X轴和Z轴上方向上的移动及绕Y轴的转动，从而实现了待测量的三自由度控制和检测，提高了正交静电悬浮加速度计敏感结构10的集成性。

具体地，第二外电极122与第二内电极121的个数均为偶数，中心相对的两个第二外电极122施加的电压符号相反，中心相对的两个第二内电极121施加的电压符号相反。由此，可以使得位于Y轴测量管120中的待测量块能够平稳的悬浮在Y轴测量管120内，避免了带测量块偏离Y轴测量管120的轴线，从而影响测量精度。

在一些实施例中，如图1所示，Z轴测量管130的管壁内侧设有多个沿周向间隔开分布的第三内电极131，Z轴测量管130的管壁外侧设有多个沿周向间隔开分布的第三外电极132，第三内电极131和第三外电极132一一对应设置。可以理解的是，在Z轴测量管130上设有沿周向间隔开的第三外电极132和第三内电极131能够实现对Z轴测量管130内的待测量块在Y轴和Z轴上方向上的移动及绕Z轴的转动，从而实现了待测量的三自由度控制和检测，提高了正交静电悬浮加速度计敏感结构10的集成性。

具体地，第三外电极132与第三内电极131的个数均为偶数，中心相对的两个第三外电极132施加的电压符号相反，中心相对的两个第三内电极131施加的电压符号相反。由此，可以使得位于Z轴测量管130中的待测量块能够平稳的悬浮在Z轴测量管130内，避免了待测量块偏离Z轴测量管130的轴线，从而影响测量精度。

在一些实施例中，X轴测量管110、Y轴测量管120及Z轴测量管130的形状相同，长度相等，电极的数量相等。由此，三轴的结构参数完全一致，其测量和控制的电路也会相同，从而保证了三轴的测量和控制一致性。在本发明的其他实施例中，X轴测量管110、Y轴测量管120及Z轴测量管130的形状，长度和电极个数等可以均不相同。

在一些实施例中，X轴测量管110、Y轴测量管120及Z轴测量管130采用强度好，密度小的金属例如，铝、铍、钛合金等制成，也可以采用玻璃、陶瓷等非金属镀敷金属膜制成。可以理解的是，上述材料通过精密加工进行制备，能够较好地实现尺寸、圆柱度、各轴正交度等几何特征，从而制造轻质量、高精度、大面积的测量管。

下面参考图1-图4描述本发明一个具体实施例的正交悬浮加速度计敏感结构。

如图1-图2所示，正交静电悬浮加速度计敏感结构10包括敏感质量块和电极，敏感质量块包括分别沿X轴、Y轴及Z轴延伸的X轴测量管110、Y轴测量管120及Z轴测量管130，X轴、Y轴及Z轴形成为直角坐标系，X轴测量管110、Y轴测量管120及Z轴测量管130两两连通。X轴测量管110、Y轴测量管120及Z轴测量管130均为直径为20mm，壁厚为0.5mm，长度为60mm的圆管。如图1所示，X轴测量管110的管壁内侧设有四个沿周向间隔开设置的第一内电极111，外周壁上设有四个沿周向间隔开设置的第一外电极112。Y轴测量管120的管壁内侧设有四个沿周向间隔开设置的第二内电极121，外周壁上设有四个沿周向间隔开设置的第二外电极122。Z轴测量管130的管壁内侧设有四个沿周向间隔开设置的第三内电极131，外周壁上设有四个沿周向间隔开设置的第三外电极132。如图3所示,以X轴测量管110为例，第一外电极112包含1a、2a、3a、4a四块，第二内电极121包括1b、2b、3b、4b四块。以相对的1a、1b、2a、2b为例，对其中1a与2b、1b与2a分别连通构成两部分等势极板，以施加大小相等、方向相反的控制电压。各电极板通过引线均与外界进行电气连接，由此即可保证待测质量块在X轴测量管110内平稳悬浮。

如图4所示，电极分配为若干组，以实现三个平动、三个转动的六自由度控制。例如，图中X轴测量管110、Y轴测量管120及Z轴测量管130上中心相对的两个内电极和两个外电极为一组，也就是说，X轴测量管110、Y轴测量管120及Z轴测量管130设有X1、X2、X3、X4、Y1、Y2、Y3、Y4、Z1、Z2、Z3、Z4共12组。整体上，沿X轴平动自由度由X1、X2、X3、X4极板组进行控制；沿Y轴平动自由度由Y1、Y2、Y3、Y4极板组进行控制；沿Z轴平动自由度由Z1、Z2、Z3、Z4极板组进行控制；绕X轴转动自由度由Y2、Y4、Z2、Z4极板组控制；绕Y轴转动自由度由X2、X4、Z1、Z3极板组控制；绕Z轴转动自由度由X1、X3、Y1、Y3极板组进行控制。每组电极如前文所述，同向极板电气连通，对向极板施加大小相等、方向相反的控制电压，实现单臂单方向的位移检测和控制。位移检测可通过电容检测实现。

本实施例的正交静电悬浮加速度计敏感结构10的优点如下：

(1)采用正交圆柱结构可同时实现三轴六自由度的加速度测量，且三轴的结构参数完全一致，测量集成度高，各轴测量和控制的一致性好；

(2)采用薄壁检测管结构，有效减轻检测管自重，提高表面积质量比，相比其他设计，更容易实现高加工精度，从而减小检测质量与电极的间隙。有效降低支承电压量级及其引入的误差，实现大量程的同时能保证高的测量精度与分辨率。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种正交静电悬浮加速度计敏感结构，其特征在于，包括：

敏感质量块，所述敏感质量块包括分别沿X轴、Y轴及Z轴轴向两侧延伸的X轴测量管、Y轴测量管及Z轴测量管；

电极，所述电极为多个，多个所述电极非接触安装在所述敏感质量块的多个各测量管周围，且所述电极分别在所述X轴测量管、Y轴测量管及Z轴测量管上成对设置，每对所述电极均分别位于相应测量管的内侧和外侧；其中：

所述X轴、所述Y轴及所述Z轴形成为直角坐标系，通电时多个所述电极对所述敏感质量块施加静电悬浮力和反馈控制力，以使所述敏感质量块处于悬浮状态。

2.根据权利要求1所述的正交静电悬浮加速度计敏感结构，其特征在于，所述X轴测量管、Y轴测量管及Z轴测量管均为圆管。

3.根据权利要求2所述的正交静电悬浮加速度计敏感结构，其特征在于，所述X轴测量管的管壁侧设有多个沿周向间隔开分布的第一内电极，所述X轴测量管的管壁外侧设有多个沿周向间隔开分布的第一外电极，所述第一内电极和所述第一外电极一一对应设置。

4.根据权利要求3所述的正交静电悬浮加速度计敏感结构，其特征在于，相邻两个所述第一外电极之间有间距且不导通，相邻两个所述第一内电极之间的距离等于相邻两个第一外电极之间的间距。

5.根据权利要求3所述的正交静电悬浮加速度计敏感结构，其特征在于，所述第一外电极与所述第一内电极的个数均为偶数，中心相对的两个所述第一外电极施加的电压符号相反，中心相对的两个所述第一内电极施加的电压符号相反。

6.根据权利要求2所述的正交静电悬浮加速度计敏感结构，其特征在于，所述Y轴测量管的管壁内侧设有多个沿周向间隔开分布的第二内电极，所述Y轴测量管的管壁外侧设有多个沿周向间隔开分布的第二外电极，所述第二内电极和所述第二外电极一一对应设置。

7.根据权利要求6所述的正交静电悬浮加速度计敏感结构，其特征在于，所述第二外电极与所述第二内电极的个数均为偶数，中心相对的两个所述第二外电极施加的电压符号相反，中心相对的两个所述第二内电极施加的电压符号相反。

8.根据权利要求2所述的正交静电悬浮加速度计敏感结构，其特征在于，所述Z轴测量管的管壁内侧设有多个沿周向间隔开分布的第三内电极，所述Z轴测量管的管壁外侧设有多个沿周向间隔开分布的第三外电极，所述第三内电极和所述第三外电极一一对应设置。

9.根据权利要求8所述的正交静电悬浮加速度计敏感结构，其特征在于，所述第三外电极与所述第三内电极的个数均为偶数，中心相对的两个所述第三外电极施加的电压符号相反，中心相对的两个第三内电极施加的电压符号相反。

10.根据权利要求1所述的正交静电悬浮加速度计敏感结构，其特征在于，所述X轴测量管、Y轴测量管及Z轴测量管的形状相同，长度相等，所述电极的数量相等。