CN110308309B - 一种耐高温电容式加速度计及其无线测试验证平台 - Google Patents

一种耐高温电容式加速度计及其无线测试验证平台 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐高温电容式加速度计及其无线测试验证平台，该加速度计由四层耐高温氧化铝生瓷片烧制而成，其中，第一层生瓷片为正方形结构，第二层生瓷片为悬臂梁‑质量块结构，第三层生瓷片为边框结构，用于增加电容极板间距，第四层生瓷片为矩形结构；该无线测试验证平台包括高精度转速控制单元、高精度温度控制单元、信号无线提取单元及电气总控制器。本发明以耐高温氧化铝陶瓷和铂浆料为材料，通过HTCC工艺成功制备了一种可用于高温环境中的电容式加速度计；并设计了一款可以实现复杂环境中加速度计测试验证的温度‑加速度复合测试平台，其可以精准地模拟在25‑1000℃、0‑10g量程下的温度‑加速度复合环境。

Description

一种耐高温电容式加速度计及其无线测试验证平台
技术领域
本发明涉及加速度计及测试平台领域，具体涉及一种耐高温电容式加速度计及其无线测试验证平台。
背景技术
在航空、深海、汽车、工业等领域，电容式加速度计凭借优良的特性(如：温漂小、功耗低、灵敏度高、稳定性好等)而具有很好的发展前景。传统的电容式加速度计基于硅等材料，材料的自身性能限制其不能工作于高温环境，另一方面，针对电容式加速度计测试，由于其测试平台要求机械结构繁杂，需外接信号引线，工作温度较高等，无法实现高温环境下电容式加速度计的测试验证，缺乏高温复杂环境下加速度计通用的测试平台。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种耐高温电容式加速度计及其无线测试验证平台。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种耐高温电容式加速度计，通过以下步骤制备所得：
S1、按照第一层生瓷片、第二层生瓷片、第三层生瓷片、第四层生瓷片的结构要求将耐高温氧化铝生瓷带切割、打孔加工成相应的形状与尺寸，其中，第一层生瓷片为正方形结构，第二层生瓷片为悬臂梁-质量块结构，第三层生瓷片为边框结构，用于增加电容极板间距，第四层生瓷片为矩形结构；
S2、制备所需的丝网印刷网版，将其分别置于第二层生瓷片与第四层生瓷片的中心上方并与之对齐，使用刮刀将铂浆均匀印刷在生瓷片对应位置上；
S3、将第一层生瓷片、第二层生瓷片依次放入叠片机中进叠片，使二者成为一个整体后，再将其与第三层生瓷片、第四层生瓷片叠片成一个完整的生瓷坯体，并在空隙处填充易逝碳膜，以防层压过程基片受压塌陷、断裂；
S4、将叠片后的生瓷片坯体放入层压机中层压30min后，将完成层压的生瓷片放入马弗炉中烧结至一个致密的整体，峰值温度为1500℃，保温30min，在烧结过程中，碳膜与氧气反应生成CO2挥发，然后，使生瓷片自然降温，即得耐高温电容式加速度计。
本发明还提供了上述耐高温电容式加速度计的无线测试验证平台，包括高精度转速控制单元、高精度温度控制单元、信号无线提取单元及电气总控制器，高精度转速控制单元通过转速台、隔热台、耐高温陶瓷转子、耐高温电感线圈、耐高温陶瓷基座及电气总控制器组合实现测试平台的高精度转速控制；高精度温度控制单元通过温控箱、加热丝、温度控制器及电气总控制器的组合实现测试平台的高精度温度控制；信号无线提取单元通过耐高温测试天线及网络分析仪的组合，基于射频LC无线耦合原理，实现加速度信号的无线获取。
进一步地，所述高精度转速控制单元包括转速台、隔热台、耐高温陶瓷转子、耐高温电感线圈及耐高温陶瓷基座，转速台安装于最下方，用于反映作用在电容式加速度计上的加速度；隔热台置于转速台上方，实现转速台与温度控制单元的热隔离，延长转速台使用寿命；耐高温陶瓷转子置于隔热台上方，通过转轴与转速台相连；耐高温电感线圈缠绕于陶瓷转子上；耐高温陶瓷基座置于陶瓷转子表面，用以固定电容式加速度计。
进一步地，所述高精度温度控制单元包括温控箱、加热丝及温度控制器，温控箱置于陶瓷转子上方；加热丝置于温控箱内；温度控制器与加热丝相连。
进一步地，所述信号无线提取单元包括耐高温测试天线及网络分析仪，基于射频LC无线耦合原理，实现加速度信号的无线获取，测试天线置于温控箱上方，并与电感线圈同轴心，通过固定钳固定；网络分析仪与测试天线的输出端相连。
进一步地，所述电感线圈与测试天线由耐高温金属钨丝制备而成，隔热台由莫来石制备而成，耐高温电感线圈及测试天线可实现高温环境下信号的无线传输。
进一步地，所述测试平台可实现25-1000℃温度、0-10g加速度下的复合测试环境模拟，并能够精确控制各个测试参数值。
所述的无线测试验证平台测试时，将电容式加速度计通过陶瓷基座安装于陶瓷转子上，并与耐高温陶瓷转子上的耐高温电感线圈两端连接构成一个LC串联谐振回路，通过电气总控制器设置好测试温度与转速，回路的谐振频率随转速发生变化，并通过测试天线与电感线圈的无线非接触互感耦合将测试数据传输至网络分析仪内，通过求解网络分析仪储存的数据得到频率与转速的关系，进而求得加速度计电容与加速度的关系，即可实现温度-加速度复合环境下耐高温电容式加速度计的测试验证。
本发明以耐高温氧化铝陶瓷和铂浆料为材料，通过HTCC工艺成功制备了一种可用于高温环境中的电容式加速度计；并设计了一款可以实现复杂环境中加速度计测试验证的温度-加速度复合测试平台，其高精度温度控制单元和高精度转速控制单元可实现温度、转速的精确控制，进而可以精准地模拟在25-1000℃、0-10g量程下的温度-加速度复合环境。
附图说明
图1为本发明加速度计的制备流程图。
图2为本发明的加速度计的剖面图。
图3为本发明的温度-加速度复合测试平台结构图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供了一种耐高温电容式加速度计，如图1所示，通过以下步骤制备所得：
S1、按照第一层生瓷片、第二层生瓷片、第三层生瓷片、第四层生瓷片的结构要求将耐高温氧化铝生瓷带切割、打孔加工成相应的形状与尺寸，其中，第一层生瓷片为正方形结构，第二层生瓷片为悬臂梁-质量块结构，第三层生瓷片为边框结构，用于增加电容极板间距，第四层生瓷片为矩形结构；
S2、制备所需的丝网印刷网版，将其分别置于第二层生瓷片与第四层生瓷片的中心上方并与之对齐，使用刮刀将铂浆均匀印刷在生瓷片对应位置上；
S3、将第一层生瓷片、第二层生瓷片依次放入叠片机中进叠片，使二者成为一个整体后，再将其与第三层生瓷片、第四层生瓷片叠片成一个完整的生瓷坯体，并在空隙处填充易逝碳膜，以防层压过程基片受压塌陷、断裂；
S4、将叠片后的生瓷片坯体放入层压机中层压30min后，将完成层压的生瓷片放入马弗炉中烧结至一个致密的整体，峰值温度为1500℃，保温30min，在烧结过程中，碳膜与氧气反应生成CO2挥发，然后，使生瓷片自然降温，即得耐高温电容式加速度计。
本发明还提供了上述耐高温电容式加速度计的无线测试验证平台，该测试验证平台可实现25-1000℃温度、0-10g加速度下的复合测试环境模拟，并能够精确控制各个测试参数值。如图3所示，该测试验证平台包括高精度转速控制单元、高精度温度控制单元、信号无线提取单元及电气总控制器。所述高精度转速控制单元、高精度温度控制单元与电气总控制器电连接，以精确控制测试温度高低与转速大小；所述高精度转速控制单元用于实现测试平台的高精度转速控制，能达到的最大加速度为10g，包括转速台8、隔热台7、耐高温陶瓷转子5、耐高温电感线圈6及耐高温陶瓷基座9，转速台8安装于最下方，用于反映作用在电容式加速度计上的加速度；隔热台7置于转速台上方，实现转速台8与温度控制单元的热隔离，延长转速台使用寿命；耐高温陶瓷转子5置于隔热台7上方，通过转轴与转速台8相连；耐高温电感线圈6缠绕于陶瓷转子5上；耐高温陶瓷基座9置于耐高温陶瓷转子5表面，用以固定电容式加速度计；
所述高精度温度控制单元用于合实现测试平台的高精度温度控制，能达到的最高温度为1000℃，包括温控箱3、加热丝4及温度控制器，温控箱3置于陶瓷转子5上方；加热丝4置于温控箱3内；温度控制器与加热丝相连；
所述信号无线提取单元基于射频LC无线耦合原理，实现加速度信号的无线获取，包括耐高温测试天线2及网络分析仪，测试天线2通过固定钳1固定于温控箱上方，且与电感线圈同轴心；网络分析仪与测试天线2的输出端相连。
本实施例中，所述电感线圈与测试天线由耐高温金属钨丝制备而成，隔热台由莫来石制备而成，耐高温电感线圈及测试天线可实现高温环境下的信号无线传输。
所述的无线测试验证平台测试时，将电容式加速度计通过陶瓷基座安装于陶瓷转子上，并与耐高温陶瓷转子上的耐高温电感线圈两端连接构成一个LC串联谐振回路，通过电气总控制器设置好测试温度与转速，回路的谐振频率随转速发生变化，并通过测试天线与电感线圈的无线非接触互感耦合将测试数据传输至网络分析仪内，通过求解网络分析仪储存的数据得到频率与转速的关系，进而求得加速度计电容与加速度的关系，即可实现温度-加速度复合环境下耐高温电容式加速度计的测试验证。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种耐高温电容式加速度计，其特征在于：通过以下步骤制备所得：
S1、按照第一层生瓷片、第二层生瓷片、第三层生瓷片、第四层生瓷片的结构要求将耐高温氧化铝生瓷带切割、打孔加工成相应的形状与尺寸，其中，第一层生瓷片为正方形结构，第二层生瓷片为悬臂梁-质量块结构，第三层生瓷片为边框结构，用于增加电容极板间距，第四层生瓷片为矩形结构；
S2、制备所需的丝网印刷网版，将其分别置于第二层生瓷片与第四层生瓷片的中心上方并与之对齐，使用刮刀将铂浆均匀印刷在生瓷片对应位置上；
S3、将第一层生瓷片、第二层生瓷片依次放入叠片机中进叠片，使二者成为一个整体后，再将其与第三层生瓷片、第四层生瓷片叠片成一个完整的生瓷坯体，并在空隙处填充易逝碳膜，以防层压过程基片受压塌陷、断裂；
S4、将叠片后的生瓷片坯体放入层压机中层压30min后，将完成层压的生瓷片放入马弗炉中烧结至一个致密的整体，峰值温度为1500℃，保温30min，然后，使生瓷片自然降温，即得耐高温电容式加速度计。
2.如权利要求1所述的耐高温电容式加速度计的无线测试验证平台，其特征在于：包括高精度转速控制单元、高精度温度控制单元、信号无线提取单元及电气总控制器，高精度转速控制单元通过转速台、隔热台、耐高温陶瓷转子、耐高温电感线圈、耐高温陶瓷基座及电气总控制器组合实现测试平台的高精度转速控制；高精度温度控制单元通过温控箱、加热丝、温度控制器及电气总控制器的组合实现测试平台的高精度温度控制；信号无线提取单元通过耐高温测试天线及网络分析仪的组合，基于射频LC无线耦合原理，实现加速度信号的无线获取。
3.如权利要求2所述的无线测试验证平台，其特征在于：所述高精度转速控制单元包括转速台、隔热台、耐高温陶瓷转子、耐高温电感线圈及耐高温陶瓷基座，转速台安装于最下方，用于反映作用在电容式加速度计上的加速度；隔热台置于转速台上方，实现转速台与温度控制单元的热隔离；耐高温陶瓷转子置于隔热台上方，通过转轴与转速台相连；耐高温电感线圈缠绕于陶瓷转子上；耐高温陶瓷基座置于陶瓷转子表面，用以固定电容式加速度计。
4.如权利要求2所述的无线测试验证平台，其特征在于：所述高精度温度控制单元包括温控箱、加热丝及温度控制器，温控箱置于陶瓷转子上方；加热丝置于温控箱内；温度控制器与加热丝相连。
5.如权利要求2所述的无线测试验证平台，其特征在于：所述信号无线提取单元包括耐高温测试天线及网络分析仪，基于射频LC无线耦合原理，实现加速度信号的无线获取，测试天线置于温控箱上方，并与电感线圈同轴心，通过固定钳固定；网络分析仪与测试天线的输出端相连。
6.如权利要求2所述的无线测试验证平台，其特征在于：所述电感线圈与测试天线由耐高温金属钨丝制备而成，隔热台由莫来石制备而成，耐高温电感线圈及测试天线可实现高温环境下信号的无线传输。
7.如权利要求2所述的无线测试验证平台，其特征在于：所述测试平台可实现25-1000℃温度、0-10g加速度下的复合测试环境模拟，并能够精确控制各个测试参数值；所述测试平台能达到的加速度的最大量程为10g，最小分辨率为0.1g；所述测试平台的温度的最高量程为1000℃，最小分辨率为1℃。
8.如权利要求2所述的无线测试验证平台，其特征在于：测试时，将电容式加速度计通过陶瓷基座安装于陶瓷转子上，并与耐高温陶瓷转子上的耐高温电感线圈两端连接构成一个LC串联谐振回路，通过电气总控制器设置好测试温度与转速，回路的谐振频率随转速发生变化，并通过测试天线与电感线圈的无线非接触互感耦合将测试数据传输至网络分析仪内，通过求解网络分析仪储存的数据得到频率与转速的关系，进而求得加速度计电容与加速度的关系，即可实现温度-加速度复合环境下耐高温电容式加速度计的测试验证。
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