CN113272657A

CN113272657A - 基于粒子的加速度计

Info

Publication number: CN113272657A
Application number: CN202080007747.3A
Authority: CN
Inventors: 艾哈迈德·尤瑟夫; 纳泽·埃尔-希密
Original assignee: UTI LP
Current assignee: UTI LP
Priority date: 2019-01-24
Filing date: 2020-01-24
Publication date: 2021-08-17
Also published as: US11754590B2; WO2020150829A1; US20220011337A1

Abstract

与用于测量加速度的传感器有关的系统和方法。两个相连的容器分别填充有不同的液体。在两种液体的每个交界处放置指示器。在加速力被施加到传感器上的情况下，当两种液体之间的边界移动时指示器类似地移动。边界和指示器的移动量与施加的加速度量成正比。跟踪子系统跟踪指示器的位置，并且通过确定指示器的移动量，可以计算施加的加速力的量。指示器可以是粒子，或者指示器可以是当两种液体之间的边界移动时会偏转的梁状元件。

Description

基于粒子的加速度计

技术领域

本发明涉及用于在导航中使用的工具。更具体地，本发明涉及与加速度计相关的系统和方法，该加速度计使用对粒子的跟踪来确定正被施加到装置的加速力。

背景技术

线性加速度计是用于测量移动平台的线性加速度的惯性传感器，该移动平台沿加速度计的敏感轴的方向移动平移运动。通常，加速度计用于导航目的。因此需要将获得的加速度转化为距离和速度测量值。通过使用这些加速度计，以及从另一组惯性传感器(称为角速率传感器或陀螺仪)得出的方向可以确定移动平台的导航状态。加速度计的输出加速度需要积分一次以确定速度，然后再次积分以确定移动平台行进的距离。加速度输出需要被定向，以便计算出的移动平台的距离和速度可以表示相对于已知坐标系的导航状态。为了执行此操作，称为惯性导航系统(INS)机械化的过程发生，从而计算移动平台的导航状态。需要注意的是，线性加速度计需要以相互正交的三元组的形式提供，以在三个维度(3D)中封装移动平台的运动。

由于上述原因，线性加速度计对于惯性导航以及广泛范围的其他应用是至关重要的。然而，线性加速度计容易出现各种误差源，这些误差源会影响其描绘移动物体实际加速度的准确性。因此，无论何时使用线性加速度计进行导航，线性加速度计输出中的固有误差都会影响从INS机械化过程中获取的导航方案。

线性加速度计内固有的误差源包括偏置、加速度计输出信号中的标度因素、偏置不稳定性范围和加速度计测量内的噪声。这些误差源可能因用于生产加速度计的技术而异。然而，任何最先进的线性加速度计在其输出中都会出现这些误差。

就性能、成本和尺寸而言，线性加速度计被认为是一种成熟的传感器。因此，有多种稳定且可商用的线性加速度计，它们提供适合大多数应用的各种特性。在尺寸和成本方面，有大量生产的采用微机电系统(MEMS)技术的传感器。然而，基于MEMS的加速度计的性能可能被认为很差。这限制了它在稳定和消费级导航方面的应用，并且这种基于MEMS的加速度计被降级用于要求不高的应用，例如用于智能手机。另一方面，有些具有更高的成本和更高的性能、用于对性能要求更高的应用的加速度计。线性加速度计遵循惯性测量单元(IMU)的分类，在该分类中，IMU根据其预期性能分为不同的等级。表1(参见图10)提供了依据性能的IMU分类的总结。请注意，表1取自[1]。

传感器性能等级与其成本之间存在直接关系。根据[2]，据载战略级IMU的成本可以达到每个IMU超过100万美元。导航级IMU每单元的成本高达100,000美元，而战术级IMU每单元的成本约为2000至50000美元。然而，众所周知，商业级IMU的成本极低，其中，加速度计的成本低至每单位1美元，而陀螺仪的成本低至每单位10美元。不幸的是，此类IMU的低成本也表明此类传感器的性能较低，因此不适合惯性导航应用。因此，惯性导航的一个主要研究方面是将低成本传感器组件用于惯性导航和高精度应用。

已经进行了多次尝试来解决上述问题。下面详细介绍了其中一些尝试。

在文献中已经有各种尝试利用流体作为惯性质量。然而，与其他技术相比，基于流体的加速度计可以被认为是罕见的，并且这种加速度计在性能、尺寸和成本效益方面还没有达到与基于流体的角速率传感器相同的成熟度。

溶液电解加速度计在二战期间首次被引入到德国导弹计划中。溶液电解加速度计是基于固态离子的设备，其操作基于由于离子穿过电解质而在电解质中感应出的电势差。对于此类传感器，运动换能机构基于放置在容器中的电解质。在此类设备中，拾取机构测量沿电解质的电势差。当传感器受到外部线性加速度时，会产生电解液的流体流动。因此，电解质内的离子流会产生电位差，该电位差由读出机构测量。产生的电位差与施加的加速度成正比。拾取机构提供与施加的加速度具有良好线性比例的输出电势差。然而，电解质是热敏感的。

粘性浮子型加速度计代表在其加速度测量中利用流体的一种形式的线性加速度计。这种类型的传感器采用闭环形式设计，其中传感器结合了反馈机构，使传感元件恢复到稳定状态。这种传感器也称为积分加速度计。粘性浮子型加速度计是一种基于流体的惯性传感器，其中传感器使用旋转的流体控制体积来稳定悬浮在其中的浮子。因此，负载充当检测质量体，其中，每当传感器受到沿传感器的敏感轴的线性加速度的影响，该检测质量体沿着所述轴发生位移。运动换能机构包括可旋转的圆柱形流体容器。圆柱形容器的纵轴安装在电机的旋转轴上，电机最初以恒定角速度转动整个容器。在圆柱形流体容器内，特定密度的流体以特定压力填充容器，并且在容器内放置浮子。当传感器静止时，它的设计使得浮子以沿着容器的纵向旋转轴方向并且在旋转圆柱形容器产生的旋转电流的作用下悬浮，其中，浮子的质量中心对准圆柱形容器(即流体体积)的中间部分。每当传感器受到沿其敏感轴的线性加速度时，浮子在圆柱形容器内沿与施加的加速度相反的方向位移，位移值与施加的加速度成正比。因此，容器内浮子的位移提供了所施加加速度的间接测量值，并且所施加的加速度与浮子位移线性相关。浮子的位移通过各种形式的拾取机构进行拾取，传感器根据使用的机构进行分类。但是，需要注意的是，所有粘性浮子型加速度计都共享相同的运动换能机构。对于粘滞浮子式加速度计，拾取机构主要分为四大类，即：电感性粘滞浮子加速度计、电容性粘滞浮子加速度计、光电粘滞浮子加速度计和可变电阻粘滞浮子加速度计。已经报道了许多关于粘性浮子型加速度计的专利，例如[3]-[10]。

Schmidlin在1971年介绍了另一种形式的基于流体的线性加速度计[11]，以下称为压力驱动线性加速度计。该传感器被设计为开环系统，其中传感器被设计为没有反馈机构，因为传感器不包含用于检测其受到的线性加速度的检测质量体。传感器设计背后的科学概念是使用在容器内截留的流体电荷上产生的不同液体静压力作为线性加速度的直接测量值。为了清楚起见，从纳维叶-斯托克斯方程可知，压力梯度和粘性力应该与施加到流体的外部惯性力平衡。因此，如果设法测量压力梯度，对于恒定的粘性力，此后可以从纳维叶-斯托克斯方程计算线性加速度。然而，Schmidlin装置只是使用从纳维叶－斯托克斯方程推导出来的类比，其中假设线性加速度与产生的压力梯度成正比。

在Schmidlin装置中，传感器基本内部结构构成一个多孔的圆柱形容器，该容器可以由多孔陶瓷或烧结粉末金属压块制成。多孔容器填充有不润湿的重液体，例如汞、金属液体等。不润湿液体被设计成不会充满整个多孔圆柱形容器。多孔容器的两个底部都由两个端盖密封，这两个端盖采用复杂的设计。每个端盖都设计成有一个气体流入装置，该装置连接到与之装配的增压室。然后增压室通过一系列通道和孔口连接到不润湿液体。值得注意的是，气体流入装置具有一系列过滤器、阀门和入口计量孔，以跟踪正在通过系统扩散的质量流速。气体增压室还设有气体流出孔，这些气体流出孔在外部连接到一组压力计以测量压力差。压力计布置为使得存在从两个端盖连接到两个气体流出孔口的压力计。还有另外两个压力计，其中，每个压力计都连接到一个端盖上，它们的其他分支承受大气压以测量每个端盖内气体的绝对压力。该系列压力计代表了传感器的拾取机构。

在上述装置中，当压力驱动加速度计静止时，恒定的气体流速被泵送通过气体流入装置、穿过端盖并到达不润湿流体，同时过量的气体通过圆柱形容器的多孔壁被从传感器扩散出。发生这种情况时，两个端盖处的压力相等，因此压力梯度为零，加速度计理论上具有零加速度输出。

另一方面，当压力驱动加速度计沿其敏感轴(其是平行于多孔圆柱形容器的纵轴的轴)受到线性加速度时，液体电荷趋于遵循动量守恒定律。因此，压力在一个端盖上增加并在另一个端盖上减小。这种压力差会影响将气体泵入系统的压力，这由压力计监测。澄清一下，经历由于运动而导致的用于气体流出的升高压力的端盖将通过连接的压力计记录高绝对压力值。同时，另一个端盖将记录气体流出的较低绝对压力值。因此，两个端盖之间产生的压力差可以使用差压压力计测量，并通过两个绝对压力计进行双重检查。因此，可以根据与压力差的比例来计算线性加速度。

微机械加速度计代表不同形式的基于流体的线性加速度计。这些加速度计基于封闭室中微小热气泡的自由对流热传递工作。传感器包括放置在腔室中心的加热器。加热器以高焦耳功率运行。在加热器附近，放置了两个温度传感器，加热器的每一侧各一个。温度传感器被设计成在低焦耳功率下运行。温度传感器要么构建为热敏电阻，要么构建为热电堆。气体填充包含加热器和温度传感器的腔室。

当传感器静止时，加热器加热夹带的气体并降低其密度。发生这种情况时，会引起自由对流并建立对称的温度曲线，从而使两个温度传感器读取相同的值。然而，当传感器受到横向加速度时，温度传感器读取不同的值。因此，温度曲线朝着与所施加加速度的方向相反的方向偏转。温差值被送入调节电路，该电路产生与施加的加速度成正比的电信号。

Leung等人于1997年引入了首个热对流单轴加速度计(见参考文献[12]、[13])。Leung等人于1998年介绍了该传感器的双轴版本(见参考文献[12]、[14])。传感器遵循相同的操作概念和运动换能机构。然而，替代使用一对的热传感器，双轴热加速度计使用放置在公共平面的两个正交轴上的四个热传感器。因此，传感器可以感应沿两个正交轴的加速度。对这种形式的热加速度计进行了改进，以尝试提高其性能。已经尝试达到单片三轴热加速度计。Leung等人在2011年引入了一种三轴热加速度计，其构成安装有加热器和传感器的扣紧的悬臂组件[15]。

关于上面提到的各种类型的加速度计，它们遇到如下详述的各种问题。

无论传感器设计如何，粘性浮子型加速度计都存在一个常见问题。这个问题是热变化对封闭流体行为的影响。这反过来又会影响传感器的性能。除了这个问题之外，所选择的拾取和/或反馈再平衡机构也会对此类传感器的性能产生各种影响。对于使用电容性电拾取机构的传感器，需要一系列电刷和滑环将采集到的信号从旋转流体室传输到信号调节电路。这一要求增加了传感器的机械复杂性并影响其使用寿命。此外，反馈机构依赖于改变流体压力以将传感元件恢复到其稳定位置。对于光电粘性浮子加速度计，这种传感器中的浮子再平衡是通过改变旋转电机的速度来实现的。改变流体容器的旋转速度会对浮子稳定性产生影响，因此它可能无法在其容纳腔内保持中心位置并与壁产生摩擦。对于可变电阻粘性浮子加速度计，需要特定类型的导电流体才能测量施加的加速度。电感性粘性浮子加速度计需要适当的磁屏蔽和电屏蔽，以避免杂散磁场对传感器采集信号的影响。

压力驱动加速度计据推断容易受到一些限制。此类限制包括对冲击和阻尼敏感，因为这些预计会影响液体内的压力，从而可能导致压差测量结果受损。另一个问题是传感器的拾取机构(即压力计的设置)需要连续校准以考虑气体流入率因素。此外，传感器需要通过每个端盖泵送恒定的气体流入，这很难精确实现。传感器内的液体应该是不润湿的流体，这样流体将具有高表面张力值，从而防止液体穿过多孔壁的孔。应选择多孔容器材料，使得孔大小应允许气体通过的同时截留液体。

尽管有许多限制，但热加速度计已经商业化。大多数热加速度计的研究都与优化流体有关，目的是获得一种热特性足以实现热加速度计所需性能水平的流体。这种流体热特性包括例如热导率、热扩散率和运动粘度。研究还考虑增强加速度计内的温度传感机构[12]。对于微机械惯性传感器，需要考虑的其他主要研究方面是增加带宽、增强温度补偿以及全面开发单片IMU[12]。此外，研究方面还包括提高集成度、灵敏度以及减少热和交叉耦合误差[12]。

总而言之，大多数基于流体的线性加速度计由于冲击和阻尼而易于出错，并且因此需要适当的平台稳定化来描述实际动力学状况。此外，所使用的拾取机构需要适当的磁和电屏蔽，以消除杂散磁场和/或电场的影响。最后，由于传感器使用流体作为传感元件，需要具备温度和压力的稳定化以确保正常的传感器性能。

综上所述，因此需要克服或至少减轻现有技术的缺点的系统和方法。

发明内容

本发明提供了与用于测量加速度的传感器相关的系统和方法。两个相连的容器分别填充有不同的液体。在两种液体的每个交界处放置指示器。在加速力被施加到传感器情况下，当两种液体之间的边界移动时，指示器类似地移动。边界和指示器的移动量与施加的加速度成正比。跟踪子系统跟踪指示器的位置，并且通过确定指示器的移动量，可以计算施加的加速力的量。指示器可以是粒子，或者指示器可以是当两种液体之间的边界移动时偏转的梁状元件。

在第一方面，本发明提供了一种传感器，用于感测施加到安装有所述传感器的装置的加速力，所述传感器包括：

-容纳第一液体的第一密封容器；

-容纳第二液体的第二密封容器，所述第一密封容器和所述第二密封容器具有两个公共交接点，使得在每个交接点处所述第一液体与所述第二液体之间存在边界；

-两个指示器，每个指示器位于所述第一密封容器和所述第二密封容器之间的所述两个公共交接点之一处；

-跟踪子系统，用于在所述指示器的至少一部分随所述边界移动时跟踪所述指示器的位置；

其中，

-所述第一液体与所述第二液体之间的边界受施加到所述装置的加速力的影响，使得当向所述装置施加加速度时所述边界移动，所述边界的移动量取决于施加到所述装置的加速力的量；

-所述指示器类似地受所述边界的所述移动的影响，使得所述移动对所述指示器的影响取决于施加到所述装置的所述加速度量。

在第二方面，本发明提供了一种加速度计，用于确定施加到安装有所述加速度计的装置的加速力，所述加速度计包括：

-用于测量施加在第一平面上的加速力的第一子系统；

-用于测量施加在第二平面上的加速力的第二子系统，所述第一平面和所述第二平面彼此正交；

其中，所述第一子系统和所述第二子系统中的每一个包括：

-容纳第一液体的第一密封容器；

-容纳第二液体的第二密封容器，所述第一和第二密封容器具有两个共同的交接点，使得在每个交接点，所述第一和第二液体之间存在边界；

-两个指示器，每个指示器位于所述第一和所述第二密封容器之间的所述两个公共交接点之一处；

其中，对于每个子系统，

-所述第一和第二液体之间的边界受施加到所述子系统的加速力的影响，使得当向所述子系统施加加速度时所述边界移动，所述边界的移动量取决于施加到所述子系统的加速力的量；

-所述指示器类似地受所述边界的所述移动的影响，使得所述移动对所述指示器的影响取决于施加到所述子系统的所述加速度量。

在第三方面，本发明提供了一种用于确定施加到加速度计的加速力的方法，所述加速度计包括具有至少一个公共交接点的两个容器，所述两个容器中的每一个包含第一和第二液体，使得在每个在所述交接点中，在所述第一液体和第二液体之间存在边界，所述加速度计还包括至少一个指示器，所述至少一个指示器中的每一个位于所述至少一个公共交接点之一处，该方法包括：

a)当所述至少一个指示器静止时获得所述至少一个指示器的第一图像；

b)当所述加速度计受到加速度时，获得所述至少一个指示器的至少一个第二图像；

c)确定所述第一图像和所述至少一个第二图像之间的所述至少一个指示器的变化量；

d)基于所述至少一个指示器的所述变化量确定所述加速力。

附图说明

现在将参考以下附图描述本发明，其中，相同的附图标记指代相同的元素，并且其中：

图1说明了在3D应力作用下的流体无穷小元素；

图2显示了具有和不具有线性水平加速度的流体容器的等压线；

图3是本发明一方面的一个实施例的示意图；

图4是伯努利-欧拉模型描述的梁的静态抽象模型；

图5示出了本发明另一方面的另一个实施例的示意图；

图6示出了根据本发明另一方面的传感器的3D透视图；

图7是图6所示传感器的正剖视图；

图8是图6所示传感器的侧剖视图；

图9是图6所示传感器的后剖视图；和

图10是以下说明所引用的表格。

具体实施例

为了更好地理解本发明，读者可以参考本说明书末尾的引文列表。为便于参考，在本文档中，这些引文和参考文献均以其列表编号引用。本说明书末尾的列表中的引文的内容通过引用整体并入本文。

在本发明的一个方面，提出了一种基于粒子的加速度计传感器，与当前的加速度计传感器相比，该加速度传感器是一种合适的替代方案。本发明的一个实现方式提供了一种相对成本有效的传感器，该传感器消除了在其惯性测量中的漂移误差。该实现方式还为其加速度输出信号提供了高信噪比(SNR)。

根据本发明一方面的传感器因此可以可靠地用于惯性导航应用，甚至在需要高动态范围和高灵敏度的应用中。本发明的这一方面不同于最常见的现有技术加速度计，因为本发明使用流体作为惯性传感质量体，而大多数当前传感器使用固体检测质量体。根据本发明的加速度计还利用显着增强传感器性能的创新运动拾取检测机构。

本发明的一个目的是显着降低输出加速度信号内的偏置不稳定性，尤其是因为高偏置不稳定性是惯性传感器的特点。偏置不稳定性是所有惯性传感器都会遇到的随机误差，无论其等级或成本如何。本发明的一个目的是以相对较低的成本提供一种几乎无漂移的加速度计。

本发明的另一个目的是消除通常与在大多数现有技术惯性传感器中遇到的基于电的拾取机构相关的误差。此类误差包括但不限于由于模数信号转换而发生的量化误差。本发明的一个优点是本发明的传感器不需要传感器设计内的信号调节机构来从另一测量量导出加速度信号。这降低了传感器设计的复杂性，并降低了在测量过程的信号调节阶段出现错误的风险。

本发明的另一个目的是当与相同成本范围的线性加速度计，尤其是用于惯性导航应用的加速度计相比时，提供显着高SNR的输出。

如上所述，众所周知，基于流体的惯性传感器的性能极其受系统温度的影响。因此，本发明的一个目的是提供一种基于流体的加速度计，该加速度计除了单个粒子之外不包括运动部件。假设系统组件对环境温度有适当的屏蔽，这种设计不会引起系统温度的变化，并且会在传感器的整个工作时间内保持恒定的温度。此外，本发明确保了一种不受传感器工作环境内磁场变化影响的设计。

此外，本发明的另一个目的是提供一种紧凑以使其适用于典型的导航应用的设备。同样，这样的设备将兼容各种导航平台，尤其是在大小方面。这种导航平台包括陆基、空中和海上平台。此外，本发明的设计确保了一种在传感器制造和操作过程中不需要特殊的预防措施或程序的简单结构。

在本发明的一个方面，提供了一种基于流体的三轴加速度计设置，其具有被部署为倾角计的潜力。本发明的设计采用流体作为用于所施加的传递给传感器的惯性刺激的传感元件，所述惯性刺激具体是线性加速度。本发明依赖于设计为对线性加速度敏感的牛顿不可压缩流体的控制体积，从而满足下文讨论的基本流体动力学关系。

如上所述，本发明的传感器采用粒子跟踪这一类型来执行惯性测量。粒子跟踪是流体动力学科学的一个分支，其中流体和流体流动的特性可以通过跟踪具有中性浮力并模拟实际流动动力学的粒子来确定。粒子跟踪意味着使用用于跟踪粒子的成像传感器，无论这些成像传感器是设置在沿检查流的固定位置还是移动位置。

为了提供粒子跟踪的基础，实施射影对应条件以确定粒子相对于图像空间坐标系的相对位置。应注意，图像空间表示流动通道的恒定视图，在该流动通道中粒子仅由于流体流动而运动。由于物体空间几何结构是已知的，因此使用单个成像传感器可以确定作为图像空间视图元素的任何点的物体空间位置。因此，可以直接确定粒子的位置。

下面的讨论提供了本发明的两个实施例。第一实施例适用于测量水平面(即，在地球表面上和附近的测量点处垂直于重力矢量的平面)内的加速度值。第二个实施例被设计为在测量时刻测量沿着重力矢量方向的垂直平面中的加速度。因此，整个加速度计被设计成测量地球表面上z轴始终与重力方向重合的坐标系内的加速度。

实施例1

本发明的该实施例的设计是开环设计。在此设计中，传感器执行测量而无需反馈回路以将传感元件恢复到其零位。每当未施加或移除外部加速度时，传感器内的传感元件都会呈现其零位，并且该传感元件返回零位仅取决于传感器设计施加的适当阻尼效果。

科学理念与操作

根据[16]，牛顿第二运动定律指出，作用在运动物体上的外力之和等于物体动量关于时间的变化率。运动物体的动量是其质量(m)和速度(v)的乘积。牛顿第二运动定律的数学公式由式1给出。

将牛顿第二运动定律应用于单位体积的流体流动，可以修改数学公式以表示每单位体积的外力的总和，这应该等于每单位体积的动量变化率。因此，通过将式1除以所研究的流体控制元素的体积(V)，牛顿第二运动定律的数学公式可以表示为式2：

对于式2的最右侧，可以通过关于流体密度(ρ)(即每单位体积的质量)和速度场矢量(v)的偏微分来求该微分的值。因此，牛顿第二运动定律的数学公式可以写成式3：

然而，对于稳定且不可压缩的流体流动，流体的密度是一个常数值，这使得

等于0。因此，作用在流体上的每单位体积的外力的总和应等于流体密度(ρ)与其加速度场

的乘积，式3可取抽象形式如式4所示：

为了分解作用在流体上的每单位体积的外力的总和，可以假设如图1所示的尺寸为(dx,dy,dz)的稳定不可压缩流体流内的无穷小流体元素。这样的元素受到一组外力的作用，这些外力应该与每单位体积的惯性力

平衡，正如从牛顿第二运动定律推导出的那样。作用在流体元素上的力可以分为两大类，即表面力和体积力。

表面力是由作用在控制元素的表面上的应力引起的力。这些力主要包括作用在控制元素上的静水压力和粘性应力的净值。类似于结构力学，表面力可以被认为是由于流体元素与其相邻流体元素的相互作用而产生的内力。表面力主要是由于沿该元素的空间维度的应力梯度而产生的，该空间维度在3-D分析的情况下是三个维度。

考虑图1所示的相同的无穷小控制元素，表面力是由施加在控制体积表面上的应力引起的，在下文中表示为σ_ij，其中i表示应力的方向，j表示应力作用的面。假定表面应力不是“主应力”，这意味着由于流体粘度而存在剪切应力。

作用在控制体积上的应力不能用3维矢量表示，而是用9维张量(σ)表示，因为每个面都有三个分量。流体元素的应力张量可以用式5表示。注意压力(p)总是垂直于表面起作用，所以它只存在于应力张量的对角线元素上，如式5所示。符号上的差异来自粘性力与流体压力的相反作用，因为根据定义粘性力会阻止流体流动。剪切应力表示作用在流体元素上的粘性力，用(τ_ij)表示，其中i代表剪切应力分量的方向，j代表应力正在作用的面。

如前所述，压力和粘性力是由于沿所研究的流体元素的每个维度出现的应力梯度而产生的。作用在流体元素上的表面力可以被认为是作用在流体元素每两个相对面上的力之差，如图1所示。为了清楚，可以考虑x轴方向。沿x方向的合成表面力(δf_surface/x)可以被认为是沿x方向的合成应力(δσ_x)乘以横截面积(dA)得到的乘积，如式6所示：

δf_surface/x＝δσ_x.dA (6)

根据式6中所示的应力张量，沿x方向的合成应力(δσ_x)被估算为沿x方向作用的应力的矢量和，并且可以写成式7中所示的形式。注意到沿x方向的应力分为向内应力(σ_x/in)(沿负x方向作用)和向外应力(σ_x/out)(沿正x方向作用)，如图1所示。直观上，沿所示x方向的应力在每个维度(dx,dy,dz)上相差一个增量值。

δσ_x＝σ_x/out-σ_x/in (7)

将式6代入式7并除以该元素的体积(dV＝dxdydz)得到沿x方向每单位体积的增量合成表面力(〖δF_surface/x)，可以得到公式9中的公式。

因此，沿x方向的合成应力公式可以写成式10中所示，其中应力被替换为由式(9)中先前所示的应力张量(σ)描述的它们的等效值。

类似地，可以推导出沿y方向(δf_surface/y)和z方向(δf_surface/z)的合成表面力可表示为如式11和12所示：

因此，作用在流体元素上的增量表面力可以以矢量形式写成单个公式，如公式13所示：

在式13中，

表示所研究的无穷小流体元素沿(x,y,z)方向的单位矢量。可以将式10、11和12代入式13，得出作用在流体元素上的表面力的统一公式，如式14所示：

通过重新排列式14，可以得到式15，其中表面力根据它们的物理性质重组。了清楚起见压力被分组在一个整体项内剪切粘性力也被类似地分组。

为了简化式15，并根据表面力的重组，梯度算子

可用于描述作用在任何给定流体元素(δf_surface)上的合成表面力。梯度算子

是一个矢量算子，表示任何给定的多维量关于每个维度的变化率，因此对于3-D矢量，

因此，合力可以写成式16和17：

另一方面，存在作用在流体元素上的体积力。体积力是可能作用在流体元素上的一组外力。这种力包括作用在元素的整个质量体上的电磁势或重力势。然而，电磁势只能影响很小流体质量体，并且取决于流体的电磁特性。因此，只考虑重力势。因此，对于图1所示的流体元素，作用在该元素上的重力可以写成式18：

在式18中，

是表示由于重力引起的加速度的3-D矢量。每单位体积的合成重力(δF_gravity)可以通过将式18中的公式除以无穷小元素的体积(dV)来计算，如式19所示：

对单位体积的流体应用牛顿第二运动定律，这在前面由式4给出，我们可以得到一般形式的用于流体的动量守恒定律，如式20所示。值得注意的是，当动量守恒定律应用于密度恒定的不可压缩流体时，动量守恒定律被称为纳维斯托克斯方程。

在一些典型的应用中，流体在运动时可以充当刚体。对于保持刚体运动的流体，存在应该满足一些假设。首先，在刚体运动中，流体粒子以组合的平移和旋转的方式移动。在这种情况下，相对运动不存在，这意味着没有剪切应变和应力。因此，粘性力可以忽略不计。在这种情况下，动量守恒定律可以简化为所谓的欧拉方程。欧拉方程表示用于无粘性流体的动量守恒定律，如式21所示：

对于在刚体运动中移动的流体，它必须被壁长时间限制，使得流体粒子将在没有相对运动的情况下整体平移和旋转。无论容器的形状如何，流体在封闭容器内都应该是连续的。

为了将流体运动作为刚体运动研究，由于刚体运动的原因人们应该考虑流体容器内的压力分布。因此，为了研究任何给定流体的刚体运动引起的压力分布，需要确定一个数学模型，该模型可以描述所谓的等压线。等压线是通过容器内具有相同压力的所有点的平面。表示等压线的数学模型应该隐式地表示压力分布，这将是直观的。由于假设流体进行刚体运动，因此等压线在整个容器中被认为是平行的。

为了解释给定流体的刚体运动，可以考虑如图2所示的流体容器。流体容器安装在假定以平移线性运动移动的移动平台上。因此，假设流体流动在这种情况下是二维流动是合理的，而忽略第三维，在这种情况下，即忽略y方向。图2还可以显示，当容器静止时，此类容器的等压线形状是平行的2-D水平线。然而，当容器移动时，值得注意的是流体的自由表面倾斜了一个角度，其中流体的自由表面代表了等压线的方向，因此反映了一种新的压力分布模式。

因此，为了制定数学模型来表示所示的等压线的斜率，可以依赖于由式21表示的欧拉方程。然而，在这种情况下，该式应用于二维流，其中y方向分量被消除。该式可以写成式22所示。请注意，对于等压线，压力梯度应该为零，因为位于等压线上的所有点都具有相同的压力。因此，式22中的项等于零。

在式22中，

是对x和z方向计算的二维压力梯度矢量，

分别为沿x和z方向的移动平台加速度分量，(g)为由于重力引起的加速度的大小，负号表示加速度的方向，与正z方向相反。上式22可以重新排列以表示等压线的斜率，其由从x轴朝向等压线方向测量的角度(θ)表示。等压线的斜率可以如式23中所示给出。

上面得到的公式可以用沿矢量

表示的合成加速度的作用线施加的压力梯度进行图形验证，如图2所示，等压线(包括自由表面，如果有的话)垂直于那个方向。

因此，如果可以测量倾斜角(θ),则此后可以轻松计算移动平台的线性加速度(a_x)。但是，通过式23的计算，需要测量沿垂直方向(a_z)的加速度分量才能计算线性加速度(a_x)。因此，加速度传感器的第二实施例的目的是测量垂直方向上的加速度分量。这将在下面详细讨论。

应该注意的是，在流体运动的初始时刻，即当流体粒子晃动和流动不同步直到这些效应被阻尼掉为止时，会出现一些不希望有的效应。在初始不稳定之后，流体以刚体运动流动。理想情况下，在测量加速度时不应发生这种有害的晃动效应。因此，最好通过阻尼机构施加相反的效应。这种机构可以消除这种效应，并迫使流体在受到任何外部加速度时充当刚体。

为了实现上述阻尼效果，可以利用伯努利方程及其推论为此类措施奠定科学基础。伯努利方程可以从应用于流体流动的单个流线的欧拉方程导出，也可以从热力学定律导出能量方程。伯努利方程表示无摩擦流中压力、速度和高度之间的关系。伯努利方程是在具有稳定不可压缩流动的假设下推导出来的，它适用于沿单一流线的流动。需要注意的是，对于无摩擦流动，假设流体是无旋的，因此流体中的所有流线都可以认为具有相同的能量。伯努利原理表明，流体流动的总能量沿着任何给定的流线都是恒定的，它可以用式24数学表示。

在式24中，(p₂-p₁)是沿给定流线的任意两个给定两点(点(1)和(2))之间的压力差，

和

是分别在点(1)和(2)的瞬时速度。在该式中，(z₂-z₁)为相同点(1)和(2)沿垂直方向的高度差。

如前所述，伯努利方程表示一种能量关系，其中式24中的第一项表示压力所做的功。第二项表示流体沿给定流线的流体流动的动能。第三项代表势能。在实际情况下，流动的总能量受沿流动轨迹的损失的影响。损失通常是由流体与容器壁之间的粘性摩擦或由热传递或由沿流体流动的附加障碍物引起的。忽略传热损失，伯努利方程可以写成式25。值得注意的是，传热损失是基于具有热稳定机构而被忽略的。

在式25中，伯努利原理的上述公式表示流体流动的每单位重量的能量。每单位重量他能量分量被称为能量头和它们以长度为单位。在式25中，项

和

分别是点(1)和(2)处的流动的压力水头，

和

分别表示流动点(1)和(2)的动能压头，(z₁)和(z₂)分别是在点(1)和(2)处的位势水头。类似地，(h_f)是由于壁面摩擦、流动横截面的变化和额外的流动障碍引起的压头损失的总和，这可以使用式26进行估算。

压头损失表示为流体流动的动能损失。在式26中，得到的第一项

表示由于流体和容器壁之间的摩擦引起的动能压头损失。摩擦引起的动能压头损失

是摩擦系数(f)、流动长度(l)和流体通道横截面特性尺寸(D)的函数。摩擦系数是容器壁表面粗糙度和流动模式的函数，不考虑流动是层流还是湍流。根据雷诺数确定流动是层流还是湍流。

式26中得到的第二项

表示由于额外的流动障碍引起的压头损失，并且是一系列系数之和(ΣK)的函数，这些系数是根据所述障碍的性质通过实验确定。该障碍可以体现为流动横截面的颈缩。

由上可知，引起的压头损失的总和将影响流动的总能量。如前所述，这有可能实现所需的阻尼效果，以确保正确的加速度测量。

传感器内部结构

在一个实施例中，惯性传感器包括三个主要的基本部件，即：运动换能机构、信号调节机构和读出机构。运动换能机构包括传感元件、拾取机构和阻尼机构。信号调节机构负责将来自拾取机构的获取量转换为可测量量。读出机构代表传感器与外部装置接口的部分，输出加速度信号由该外部装置利用。

运动换能机构

传感元件

在本发明的该实施例中的运动换能器利用呈矩形路径的形式的一组三个流体流动通道，其中，在置于三个相互正交的轴上的流动通道的每个分支的中间具有颈缩。每个流体流动通道都具有圆形横截面，该横截面显著小于流动通道的最小尺寸。

每个流体流动通道半填充有具有相对高密度和低动态粘度的驱动流体。流动通道的第二半部分填充有具有相对较低密度和较高动态粘度的阻尼流体。在两种流体之间的界面处，放置了在形状上为球形的两个可追踪的颜色编码的粒子。这些粒子代表任何流体流动通道内每个分支中的液体界面之间的高度差。可追踪粒子被选择为具有在驱动流体和阻尼流体的密度之间的中间相对密度。粒子的密度应确保它们沿着两种流体之间的界面悬浮。

应注意，流动通道由视觉上透明的材料制成。选定的流体用特定的编码颜色染色。但是，值得注意的是，对于传感器操作，不需要对流体进行染色——对流体进行染色更像是一种预防措施。图3示出了所述实施例内的流动通道之一的示意图。当传感器静止时，在每个分支内，液位呈现一定的高度。如图3所示当传感器受到沿流动通道的敏感轴的线性加速度时，流体流动通道的一个分支中的流体界面上升，并且另一分支中的流体界面以相同高度差下降。两个分支之间的高度差可以提供在加速度下重新形成等压线的角度的测量。因此假设存在可以测量沿z轴加速度的装置，则可以使用式23计算施加的加速度。

拾取机构

对于拾取机构，如前所述，传感器采用成像传感器作为拾取机构。该成像传感器连接到电子处理单元，该电子处理单元应用指定的图像处理算法来跟踪沿着驱动流体和阻尼流体之间的界面放置的粒子。一旦确定了每个分支内每个粒子的位置，则可以确定流体界面的倾角，然后算法就可以计算线性加速度。

阻尼机构

对于本发明的这个实施例，如上所述，通过增加沿流体路径的压头损失来确保适当的阻尼效果。详细地说，流体低通道设计有四个直角弯头转弯和沿流体路径的两个颈缩。额外的颈缩和可跟踪粒子施加了部分阻尼效果，因为粒子占据了近40％的流动通道横截面的横截面积。密度较小的阻尼流体用于加强对非期望效果的阻尼。

所选择的设计确保传感器能够承受沿除了其敏感轴之外的任何方向的高冲击和阻尼范围。

信号调节机构

本发明的一个目的是提供一种在传感器设计中不需要任何附加硬件来执行信号调节的传感器。由于获取的信号不需要任何物理操作，因此信号直接传输到读出部件。需要强调的是，采集的加速度信号不需要放大或量化，因为采集的信号是根据所使用的拾取机构的直接数字信号。

温度和压力稳定

类似于任何其他基于流体的惯性传感器，根据本发明的一个方面的传感器的性能依赖于温度和压力稳定性。由流体控制的驱动力和阻尼力取决于在加速度计的整个操作过程中流体特性是否恒定。因此优选提供一些用于稳定流体控制体积的温度和压力的装置。优选地，通过良好密封的流体流动通道的设计使压力保持恒定。

传感器设计参数

成像传感器

如上所述，拾取机构意味着使用获取加速度计的输出信号的成像传感器。优选地，加速度计的设计包括要用于检测粒子惯性运动的成像传感器的一组规范。此类规范应包括视场(F.o.V)、焦距、成像传感器是否具有可变镜头或移动镜头、以及成像传感器的空间和时间分辨率。需要注意的是，此类规范定义了惯性传感器的一些基本性能指标。具体来说，惯性传感器的带宽直接相当于成像传感器的帧率。传感器噪声是成像传感器空间分辨率的函数，因此随着空间分辨率的增加，粒子的跟踪精度更好，即具有更低的噪声值。

可以使用任何光电传感器代替典型的成像传感器，以确保本发明的加速度计具有更小的物理尺寸和更高的数据速率。光电传感器是用于检测光波强度和位置的任何传感器。在本发明的当前实施例中，所使用的成像传感器是数码相机。

流体规范

传感器设计优化应该考虑的另一方面是驱动流体和阻尼流体的流体特性。必须解决两种流体(即驱动流体和阻尼流体)的相应特性之间比率的影响。这种流体的特性包括流体粘度的密度、动态粘度和温度稳定性。应该清楚的是，要改变流体以确保达到适当的阻尼效果。

流体流动通道

影响本发明性能的另一个方面是流体流动通道的设计，尤其是与施加的阻尼效果相关的设计。应解决一组几何方面的问题，以确保如前文所解释的应用适当的压头损失。优选地，应考虑流动通道内弯曲的曲率以确保适当的损失系数(K_bend)。此外，流体流动通道的表面粗糙度也可用于确定流体流内的压头损失。从式26可以看出，表面粗糙度决定了摩擦系数。同样，流体流动通道的总长度以及通道的横截面尺寸会影响驱动力和阻尼力。呈颈缩形式的流动通道横截面的变化也影响施加在流体流动上的阻尼效果。所有这些参数应该优选地被优化以从根据本发明的传感器获得期望的性能。

粒子形状和大小

上面已经确定，要跟踪的粒子的材料应该具有作为驱动流体和阻尼流体之间的中间值的相对密度，以确保粒子保持在两种流体之间的界面上。粒子的形状及其尺寸应改变，以确保加速度计的最佳性能。

实施例2

本发明的第二实施例可用于测量沿其敏感轴的线性加速度。然而，该第二实施例的设计重点在于测量沿垂直方向的加速度。如上所述，本发明的该实施例可用于计算沿垂直方向(a_z)的线性加速度的测量值。这是因为线性加速度在数学上是式23中所示公式的输入。根据该公式，可以计算加速度(a_x)的水平分量。

与上述第一实施例类似，第二实施例的设计也是开环设计。因此，根据所选设计应用适当的阻尼效果，并且该设计包括传感器的基本设计方面。因此，传感元件通过由设计确保的预先指定的阻尼效果恢复到其零位。

科学理念与操作

本发明的这个实施例基于测量梁状元件的偏转而工作，该梁状元件被流体的作用加载和阻尼。因此，该实施例的科学概念依赖于梁理论的基础来确定数学公式，该数学公式将抗震梁状元件在流体载荷作用下的偏转和施加到传感器的垂直加速度相关联。

梁在不同载荷条件下的行为可以通过所谓的梁理论来描述。对于本发明，考虑在均匀分布的横向载荷下的简支梁。简支梁在均匀分布载荷作用下的动态行为由梁理论的一种形式描述，称为伯努利-欧拉梁理论。伯努利-欧拉理论使用描述动态均匀分布载荷作用下的梁挠度(deflection)的方程，它由式27确定。

在式27中，该式考虑了横截面积(A)和惯性矩(I)、杨氏弹性模型(E)和质量密度(ρ_beam)的简支梁。此外，

是梁挠度(y)相对于时间(t)的二阶微分，

是梁挠度(y)相对于梁(x)的轴向尺寸的四阶微分。图4显示了由伯努利-欧拉模型描述的梁的静态抽象模型。

伯努利-欧拉梁方程可以被认为是所述梁的运动方程，其中第一项表示梁的每单位长度的质量乘以偏转加速度，第二项表示每单位长度的阻力梁。该阻力取决于梁的材料和尺寸特性。式27的右侧表示施加的动态变化的均匀分布力。

伯努利-欧拉理论假设梁的长度远大于其横截面尺寸，并且其横截面沿其长度是恒定的。梁横截面被假定为对称的，因此它不会承受扭曲或扭转。假定梁的挠度与其尺寸相比相对较小。还假定梁是各向同性材料，符合胡克定律，其中梁是线性弹性的，并且材料具有线性应力-应变关系。伯努利-欧拉理论的主要假设是平面截面在受到纯弯曲力后应保持平面。

假设如果梁保持弹性，则伯努利-欧拉方程可以对所述梁的动态行为进行建模。然而，伯努利-欧拉模型的一般动力学形式的解被认为是复杂的解析解。此外，注意到伯努利-欧拉梁模型仅考虑弯曲挠度，而忽略了剪切挠度和梁横截面的转动惯量。将这些挠度项纳入到模型会增加模型复杂度，在此种情况下，该模型被称为所述铁木辛柯梁模型。

因此，用于本发明和为了简化，伯努利-欧拉模型考虑静态载荷情况下，简支梁受到均匀分布的荷载(p(x))的情况。对于这种情况，伯努利-欧拉方程可以简化为式28所示的形式。

尽管在根据本发明的传感器的操作期间具有动态负载情况，但是使用替代方法从简化的静态伯努利-欧拉模型确定施加的加速度。每当获得测量值时，该方法都假定瞬时感应到梁状元件。由于测量被设计为以高速率获取(即，每两次连续测量之间的时间间隔很短)，具有瞬时静态机制的假设是有效的。因此，在确定梁挠度的每种情况下，所施加的加速度信号可以导出作为数字信号。下面详细讨论该方法。

伯努利-欧拉模型的静态形式更直观，可以从任何给定简支梁的基本观察中推导出来。然而，感兴趣的读者可以参考参考文献[17]。

获取施加的垂直加速度的算法取决于具有以下设计：在该设计中，在以两个梁状元件形式设计的两个弹性膜之间形成流体隔室，如图5所示。梁状元件被设计为具有横截面尺寸远小于其长度。弹性膜被选择为具有高延展性的材料(即，可以被拉长到相对高的值)。流体隔室放置在气密密封的透明隔室中，隔室在上弹性膜上方和下弹性膜下方具有空间。上下间隙通过弯管相互连接，并且这些弯管可选地充满另一种流体或充满空气。根据所需的阻尼效果和传感器灵敏度确定管中是否充满另一种流体或空气。用于填充外隔室中上下空间的流体将在下面讨论。

对于每个测量实例，设计的垂直加速度检测算法意味着测量底部弹性膜沿其长度沿基本上小的增量距离的偏转。因此，弹性膜的偏转形状是明确定义的。数值微分被实施以用于确定挠度相对于膜的轴向尺寸的四阶微分

根据伯努利-欧拉方程，并已知弹性膜的材料特性(E,I)，可以很容易地计算出作用于弹性膜每单位长度的均匀载荷值(p)，如式28所示。

作用于弹性膜每单位长度的均匀载荷值(p)可以分解为两个分量，如式29所示。这两个分量是弹性膜每单位长度的流体重量和由于作用于弹性膜每单位长度的垂直加速度而产生的虚拟重量。

通过重新排列式29中的项并将左侧(p)替换为式28中的等效值，可以得到一个公式，用于根据测得的挠度四阶微分计算施加的加速度，如式30所示。注意到式30中的假设是均匀分布载荷(p)是一个常数值，进而四阶挠度微分

是常数值。

每当所施加的加速度改变方向或被移除时，由于弹性膜经历各种形状模式，弹性膜受到针对偏转的动态阻尼衰减。为了减轻这种阻尼衰减效果并获得最佳阻尼效果，可以使用例如有限元方法来实现弹性膜的解析动力学模型。或者，可以通过实验校准和改变弹性膜的设计来确定适当的阻尼效果，以确保适当的阻尼效果。对于本发明的这种实施方式，已经选择通过实验确定合适的设计以确保最佳阻尼效果。下面讨论了为获得适当的阻尼效果而需要考虑的设计参数。值得注意的是，通过纳入所有挠度分量的广义形式的铁木辛柯模型可以实现适当的方案。然后可以使用例如有限元建模来求解该模型。

传感器内部结构

如之前针对本发明的第一实施例所讨论的，该第二实施例在任何惯性传感器内封装相同的部件。传感器唯一改变的部件是运动换能和阻尼机构，下面将对其进行详细讨论。除此之外，拾取机构、信号调节和温度稳定与上面针对第一实施例讨论的相同。

运动换能机构

如上所述，本发明的第二实施例的运动换能机构包括由透明材料制成的流体隔室。隔室设计为具有两个流体入口。横跨流体隔室，两个梁状元件安装在流体隔室内并固定在两端，以便它们可以近似建模为简支梁。将梁状元件近似为简支梁是可以接受的，因为重点是弯矩作用下的挠曲挠度，而不考虑作用在梁状元件上的法向剪切力。对于每个梁状可偏转元件，选择的纵向尺寸远大于其横截面尺寸，这满足伯努利-欧拉梁理论的主要假设之一。梁状元件将流体隔室分成三个分区。梁状元件之间的分区容纳驱动流体。另外两个分区包含阻尼流体，使得两个分区通过两个横向连接的管横向连接。阻尼流体的两个分区相连，以便对由于运动而产生的任何额外压力进行适当的即时压力重新分配和消散，这有助于在适当的时间间隔内调整阻尼过程。

类似于本发明的第一实施例，在设计中使用了两种流体。一种流体用作驱动流体，另一种流体是阻尼流体。驱动流体是负责使梁状元件偏转使得其在不会导致元件失效的情况下引起可由成像传感器(即，拾取机构)检测的偏转量的流体。使用阻尼流体的目的是具有附加装置，通过该装置将阻尼效果施加到传感器以将可偏转元件恢复到其零位。阻尼流体确保可偏转元件在承受高动态时的强载荷下不会失效。本发明第二实施例示意图如图5所示。

如上所述，当传感器静止时，沿底部梁状可偏转元件的中间部分存在残余挠度。然而，当传感器受到垂直加速度时，可偏转元件内的偏转会根据所赋予的垂直加速度增加或减少，如式30所示。在此强调一下，成像传感器(即拾取机构)跟踪利用指定的图像处理算法来跟踪底部梁状元件的偏转值。梁状元件的偏转形状测量元件偏转的值。因此，通过求解式30中所示的微分方程，可以确定施加的附加加速度。

传感器设计参数

成像传感器

对本实施例的第一实施例假设的相同参数适用于该第二实施例，因为该实施例与第一实施例共享相同的拾取机构。

流体参数

对于驱动流体，应选择流体以使得其质量密度在弹性梁状元件上施加残余挠度的最小值。应选择具有最小动态粘度的驱动流体，从而提高传感器灵敏度。驱动流体的密度表示将影响可偏转梁状元件的主要载荷。因此，应该选择驱动流体，使其最大化梁状元件可以达到的最大挠度，这隐含地意味着增加加速度计的动态范围。

对于阻尼流体，要考虑的流体特性是质量密度和动态粘度。需要注意的是，阻尼流体的使用是可选的，并且这种阻尼流体不是传感器的关键设计方面。如前所述，使用阻尼流体的目的是在传感器操作中施加适当的阻尼效果。如果提供给传感器的传感元件(即驱动流体和梁状元件)的阻尼足够，则不再需要阻尼流体。第二实施例的流体隔室的上分区和下分区可以填充流体，并且该流体可以是空气、加压气体或轻质液体。综上所述，应通过实验确定应使用的阻尼流体，以确保传感器达到其所需的性能水平。

梁材料

梁状材料的最大挠度、最大抗拉强度和阻尼系数都取决于杨氏弹性模量、元件的长度和元件的横截面尺寸。应选择可偏转材料的材料以使其具有高弹性和高延展性。所选材料还应确保胡克定律适用于传感器的完整输入范围。注意到胡克定律意味着如果材料是弹性的，则给定材料的应力和应变之间的关系是线性的。元件的横截面尺寸也表示可偏转梁状元件的惯性矩。

当优化梁材料时应该考虑的另一方面是梁状元件的固定条件。如前所述，梁状单元近似建模为简支梁，这是大多数中程动力学可接受的假设。它不是上述方程的边界条件的精确解。应考虑梁状元件的边界条件(即支撑)以实现传感器的最佳建模。

传感器组件

以下部分示出了通过融合上述两个实施例的传感器的整体组件。应注意，本发明的当前实施例可进行变化和修改以在成本、结构简单性、尺寸和性能方面达到最佳传感器设计。如上所述，传感器被作为三轴陀螺仪组件引入，根据应用需求，该三轴陀螺仪组件可用作单轴加速度计。本发明的该实施例为了概括和强调传感器适用于惯性导航应用而假设三轴配置。

图6示出了传感器组件的3D透视图以及一些部件的截面图，以提供对处于其最终形式的传感器的深入了解。图7示出了通过传感器的正视截面图，而图8示出了传感器组件的侧视截面图。图9显示了传感器的后截面。

如上述附图所示，传感器包括呈3D打印立方体形式的一组三个垂直平面，并且由足够坚固以承受操作条件的材料制成。每个平面具有流体流动通道(对于传感器的第一实施例)和矩形流体隔室(对于传感器的第二实施例)。流体流动通道和流体隔室均由透明材料制成，例如玻璃、亚克力或确保透明度和足够的材料强度以抵抗阻尼和冲击的等同材料。该材料还必须允许制造公差，该制造公差确保流体流动通道可以被气密密封以将所含流体的压力保持在恒定值。

对于传感器的第一实施例，每个流体流动通道具有装配的阀，该阀用于用流体填充通道并作为粒子的进入通道。该装配的阀也可以用作用于多余的流体流动的另一阀。如前所述，每个流动通道都填充有两种流体(即驱动流体和阻尼流体)，选择这些流体以优化传感器的性能。注意，在图中，驱动流体被称为流体(A)并且阻尼流体被称为流体(B)。两个颜色编码的球形粒子被插入到流体流动通道的每个分支内，使得粒子悬浮在具有特定已知尺寸的每个分支内的两种流体之间的界面处。选择每个粒子的材料以使得粒子制造过程确保粒子的光滑表面。粒子的光滑表面最大限度地减少了在粒子周围产生微湍流的机会，因为这种湍流可能会影响通道内的粒子运动。粒子采用颜色编码，以促进和确保传感器操作中数字图像处理阶段的能力。在每个流体流动通道内跟踪粒子，并通过应用数字图像处理算法确定要考虑的适当粒子。处理算法限定了一组同心流动通道内每个粒子的位置的时间序列。对于每个粒子，运动速率是即时确定的。

关于流体的选择，优选地，驱动流体具有足够高的密度以确保流体在可偏转膜上施加适当量的负载。此外，驱动流体还应具有足够高的表面张力，以防止驱动流体通过装置的壁处留下的间隙滑落。此外，驱动液体应该是粘性液体。在一种实施方式中，汞被用作驱动液体，因为该液体满足将该装置用作加速度计的标准。

关于阻尼流体，该流体可以是满足具有足够高的粘度以阻尼由驱动流体施加到可偏转膜上的惯性力的任何流体。在一种实施方式中，用作阻尼流体的材料是空气。然而，应该注意的是，任何材料都可以用作阻尼流体或驱动流体，只要该材料具有上述特性。

对于传感器的第二实施例，每个流体隔室装配有两个进口阀。一个进口阀用于用驱动流体(在图中称为流体(C))填充截留在可偏转弹性膜之间的流体隔室的分区。第二进口阀用于用阻尼流体(在图中称为流体(D))填充梁状元件上方和下方的流体隔室的分区。梁状元件采用颜色编码，以便部署的图像处理算法可以检测和测量此类元件的偏转。

对于包含流体流动通道和流体隔室的传感器内的每个平面，存在包含具有高帧率和大F.o.V的高分辨率小型数码相机模块的相对平面。优选地，数码相机模块具有在80°到120°之间的F.o.V。在任何给定面上，与数码相机模块相邻，安装有一对光源，每个在数码相机模块的每侧安装一个光源。光源用于照亮流体流动通道。因此，三轴传感器应包含一组三个数码相机模块，每个模块放置在与包含流体通道的面相对的面上。除了相机模块之外，三轴传感器还包含一组六个光源。数码相机模块和光源的组件连接到接线板，该接线板有利于将电子元件连接到机载电子处理单元。机载电子处理单元用于实时执行设计的处理算法。

电子处理单元连接到接口，该接口可被视为控制器，该控制器可用于为机器或机器人提供反馈或可用于执行自动移动导航和地图绘制。该接口还包括可提供测量以用于瞬时可视化的监视器。该接口还可包括用于数据存储的存储模块。整个电子模块组件都连接到电源，如图9所示。

如上所述，传感器应设置有热补偿机构，其考虑环境温度的变化以及内部温度变化。如图7、8和9所示，热补偿机构包括一组隔离装有流体的隔室的内部通风通道。热补偿机构包括用于测量传感器内的系统温度的热传感器(上图中未示出)。测得的温度被反馈到处理单元，以对获取的角速率测量值进行热补偿。热补偿模型是针对传感器通过一系列校准测试预先确定的，这些校准测试可以作为传感器制造过程的一个组成部分来执行。

为了更好地理解本发明的各个方面，读者可以参考下面的引文列表。如上所述，以下引用的内容通过引用整体并入本文。

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本发明的实施例可以由以方法步骤的方式编程的计算机处理器或类似设备执行，或者可以由设置有用于执行这些步骤的装置的电子系统执行。类似地，诸如计算机磁盘、CD-ROM、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)或本领域已知的类似计算机软件存储介质之类的电子存储装置可以被编程以执行这些方法步骤。同样，代表这些方法步骤的电子信号也可以通过通信网络传输。

本发明的实施例可以用任何传统的计算机编程语言来实现。例如，优选实施例可以用过程编程语言(例如，“C”或“Go”)或面向对象的语言(例如，“C++”、“java”、“PHP”、“PYTHON”或“C#”)。本发明的替代实施例可以实现为预编程的硬件元件、其他相关组件或硬件和软件组件的组合。

实施例可以实现为与计算机系统一起使用的计算机程序产品。这样的实现可以包括一系列计算机指令，这些计算机指令固定在有形介质上，例如计算机可读介质(例如，软盘、CD-ROM、ROM或固定磁盘)或可通过调制解调器或其他方式传输到计算机系统。接口设备，例如通过介质连接到网络的通信适配器。该介质可以是有形介质(例如，光或电通信线路)或使用无线技术(例如，微波、红外线或其他传输技术)实现的介质。该系列计算机指令体现了之前在此描述的全部或部分功能。本领域技术人员应当理解，可以用多种编程语言编写此类计算机指令，以用于许多计算机体系结构或操作系统。此外，此类指令可以存储在任何存储设备中，例如半导体、磁、光或其他存储设备，并且可以使用任何通信技术(例如光、红外、微波或其他传输技术)传输。预计这种计算机程序产品可以作为带有印刷或电子文档(例如压缩包装软件)的可移动介质分发，预装计算机系统(例如，在系统ROM或固定磁盘上)，或从网络(例如，互联网或万维网)上的服务器。当然，本发明的一些实施例可以实现为软件(例如，计算机程序产品)和硬件的组合。本发明的其他实施例可以完全实现为硬件，或完全实现为软件(例如，计算机程序产品)。

理解本发明的人现在可以设想替代结构和实施例或上述的变型，所有这些都旨在落入如以下权利要求所限定的本发明的范围内。

Claims

1.一种传感器，用于感测施加到安装有所述传感器的装置的加速力，所述传感器包括：

-容纳第一液体的第一密封容器；

-容纳第二液体的第二密封容器，所述第一密封容器和所述第二密封容器具有两个公共交接点，使得在每个所述公共交接点处所述第一液体与所述第二液体之间存在边界；

其中，

-所述指示器类似地受所述边界的移动的影响，使得所述移动对所述指示器的影响取决于施加到所述装置的所述加速的量。

2.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述跟踪子系统是跟踪所述指示器的所述至少一部分的位置的成像跟踪子系统。

3.根据权利要求1的传感器，其中，所述两个指示器中的至少一个是位置可由所述跟踪子系统跟踪的至少一个粒子。

4.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述两个指示器中的至少一个是梁状元件，并且其中，每当所述边界移动时，所述元件的一部分偏转，所述元件的偏转与施加到所述装置的所述加速力成比例。

5.根据权利要求1的传感器，其中，所述第一液体和所述第二液体是彼此不混溶的不同颜色的液体。

6.根据权利要求3所述的传感器，其中，所述至少一个粒子在所述第一液体和所述第二液体两者中均具有中性浮力。

7.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述跟踪子系统包括数据处理模块，所述数据处理模块用于基于由所述指示器的所述一部分的移动量确定的所述边界的所述移动量来计算加速力。

8.一种加速度计，用于确定施加到安装有所述加速度计的装置的加速力，所述加速度计包括：

-用于测量施加在第一平面上的加速力的第一子系统；

其中，所述第一子系统和所述第二子系统中的每一个包括：

-容纳第一液体的第一密封容器；

-容纳第二液体的第二密封容器，所述第一密封容器和所述第二密封容器具有两个公共交接点，使得在每个交接点处所述第一液体与第二液体之间存在边界；

并且其中，对于每个子系统，

-所述第一液体与所述第二液体之间的边界受施加到所述子系统的加速力的影响，使得当向所述子系统施加加速度时所述边界移动，所述边界的移动量取决于施加到所述子系统的加速力的量；

-所述指示器类似地受所述边界的所述移动的影响，使得所述移动对所述指示器的影响取决于施加到所述子系统的所述加速度的量。

9.根据权利要求8所述的加速度计，其中，对于所述第一子系统和所述第二子系统中的至少一个，所述跟踪子系统是跟踪所述指示器的所述至少所述一部分的位置的成像跟踪子系统。

10.根据权利要求8所述的加速度计，其中，对于所述第一子系统和所述第二子系统中的至少一个，所述两个指示器中的至少一个是位置可由所述跟踪子系统跟踪的至少一个粒子。

11.根据权利要求8所述的加速度计，其中，对于所述第一子系统和所述第二子系统中的至少一个，所述两个指示器中的至少一个是梁状元件，并且其中，每当所述边界移动时，所述元件的一部分偏转，所述元件的偏转与施加到所述子系统的所述加速力成比例。

12.根据权利要求8所述的加速度计，其中，对于所述第一子系统和所述第二子系统中的至少一个，所述第一液体和所述第二液体是彼此不混溶的不同颜色的液体。

13.根据权利要求8所述的加速度计，其中，对于所述第一子系统和所述第二子系统中的至少一个，所述至少一个粒子在所述第一液体和所述第二液体两者中均具有中性浮力。

14.根据权利要求8所述的加速度计，其中，对于所述第一子系统和所述第二子系统中的至少一个，所述跟踪子系统包括数据处理模块，所述数据处理模块用于基于由所述指示器的所述一部分的位移量确定的所述边界的所述移动量来计算加速力。

15.一种用于确定施加到加速度计的加速力的方法，所述加速度计包括具有至少一个公共交接点的两个容器，所述两个容器中的每一个包含第一液体和第二液体，使得在每个所述交接点处，所述第一液体与所述第二液体之间存在边界，所述加速度计还包括至少一个指示器，所述至少一个指示器中的每一个位于所述至少一个公共交接点之一处，所述方法包括：

a)当所述至少一个指示器静止时，获得所述至少一个指示器的第一图像；

c)确定所述第一图像和所述至少一个第二图像之间所述至少一个指示器的变化量；

d)基于所述至少一个指示器的所述变化量确定所述加速力。

16.根据权利要求15的方法，其中，所述至少一个指示器是梁状元件。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述至少一个指示器的所述变化量是所述梁状元件的偏转量。

18.根据权利要求15所述的方法，其中所述至少一个指示器是在所述第一液体和所述第二液体中漂浮的标记物。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述至少一个指示器的所述变化量是所述至少一个指示器在所述第一图像中的第一位置和所述至少一个第二图像中的至少一个第二位置之间的位移量。

20.根据权利要求17所述的方法，还包括基于所述偏转量确定所述加速力。

21.根据权利要求19所述的方法，还包括基于所述位移量确定所述加速力。