CN1156677C - 分子型液环式角加速度计 - Google Patents
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Abstract
分子型液环式角加速度计利用液体双电层理论及动电学理论，用来敏感输入轴方向的角加速度输入信号，并输出与该角加速度信号成正比的电信号，它主要由液环及放大器构成，液环是其核心部分，它包括环圈、溶剂补偿器、工作液体、其上分布有许多微小孔隙转换器和电极，工作液体充满在环圈内，环圈的内环与溶剂补偿器相连接，并通过一毛细管相连通，转换器镶嵌在环圈内，转换器两侧各紧贴一环型或网状电极，电极与放大器相连接。本实用新型具有结构简单、重量轻、安装方便、准备时间短、无任何机械转动部件、对随动系统的极性测量等诸多特点；对于提高控制的可靠性、抗干扰能力等都具有较大的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种角加速度计，特别是利用液体双电层理论及动电学理论研制而成的一种分子型液环式角加速度计。
背景技术
目前，在航空、航天及其它领域，测试角加速度信号通常是对速率陀螺的输出数据进行电子或电磁微分获得，但这种方式获得信号的质量或可靠性较差。此外，也有采用几个线加速度计进行测量再经过信息处理获得角加速度信号的方案，这种方法测试复杂，且价格昂贵。而直接敏感角加速度信号的角加速度计尚未发现。
发明内容
本发明的技术解决问题是：提供一种小型、轻便、可靠性好、灵敏度高，直接且只敏感角加速度信号的分子型液环式角加速计。
本发明的技术解决方案是：分子型液环式角加速度计的特点在于：利用液体双电层理论及动电学理论，用来敏感输入轴方向的角加速度输入信号，并输出与该角加速度信号成正比的电信号，该角加速度计是由液环和放大器组成，其中液环包括环圈、溶剂补偿器、工作液体、其上分布有微小孔隙的转换器和电极，工作液体充满在环圈内，环圈的内环与溶剂补偿器相连接，并通过一毛细管相连通，转换器镶嵌在环圈内，转换器两侧装有电极，电极与放大器相连接。
在电学领域中，有一种电动现象称流动电势效应(也称“Quincke”效应)，即当液体通过多孔性物质流动时，在多孔物质的两端产生电位差。本发明的工作原理就是建立在上述效应的基础上：液环内的工作液体作为惯性质量相对于转换器运动时，液体的流动转移“转换器一液体”界面处的电荷，由于“Quincke″效应，液体的惯性运动直接转换为与角加速度信号相对应的电信号。大多数物质与极性介质(例如水、丙酮等)接触，它们的表面都会带上电荷，在固-液界面上固体表面带电影响表面附近工作液体中的电荷的分布，同号电荷相斥，异号电荷相吸，形成电荷的相互分离的趋势，同时，热运动使两种电荷恢复到均匀混合趋势，在两种相反的趋势的综合作用下，过剩的异号电荷将以扩散的方式分布在带电表面附近的极性介质中，从而在带电表面处形成双电层。当工作液体充满转换器的毛细孔隙时，形成的双电层中部分电荷与固体非刚性连接，处于运动状态，导致在充满工作液体的转换器孔隙中存在大量的剩余单极带电离子。当角加速度计液环内液体受到压力作用通过转换器形成流动时，这些离子被运动着的液体带动，在毛细管中形成电离子流，通过电极上的电化学反应或双层电极电容的再充电，该离子流转变为金属导线电流，此电流经前置放大器的负载电阻输出一个电压值，这样，外加的角加速度与输出的电压便产生了联系。
本发明与其它类型角加速度计相比(如微分式机械电磁类角加速度计)，具有以下特点：
a.结构简单，重量轻，无任何机械转动部件；
b.频带宽，灵敏度在低频段也较好；
c.对垂直方向的交叉耦合小于1％，对线加速度不敏感，且安装方便；
d.准备时间短，仅为5s；
e.能够对随动系统极性变化进行测量，其它仪表无法替代；
f.无精密机加件，机械部件少，非磁性材料，因此可靠性高，抗干扰能力强。
g.采用这种结构制作的角加速度计寿命长，不易失效。
附图说明
图1为发明的液环结构示意图；
图2为本发明工作原理图；
图3为本发明中电化学系统的等效电路图；
图4为本发明中放大电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进一步详细说明。
如图1、2所示，本发明实施例由液环和放大器构成，液环包括工作液体1、环圈2、溶剂补偿器4、电极5和转换器6，环圈2和溶剂补偿器4的材料是由玻璃或金属(如不锈钢等)制成，其相互间通过熔结或焊接的方式连接在一起，并以一根毛细管3相连通。环圈2内充满工作液体1，工作液体1由丙酮或丙酮中添加甲苯等有机溶剂组成；当温度发生改变时，工作液体1的体积发生改变，通过毛细管3实现环圈2内的液体与溶剂补偿器4内液体的相互连接，填补因温度的变化产生的环圈2内液体的体积变化(毛细管内径很小，气泡无法进入环圈2内)。在环圈2内镶嵌着一片转换器6，转换器6是由硅酸盐玻璃或氧化陶瓷等绝缘材料烧结而成，其内部分布着大量的毛细孔隙，转换器6两侧各紧贴一开口环型或网状铂电极5，该电极5与放大器相连接。
当工作液体1充满转换器6的毛细孔隙时，在转换器6和工作液体1的界面上由于相间电荷分离产生双电层，双电层中部分电荷与转换器6非刚性连接，处于运动状态，导致在充满工作液体的转换器内毛细孔隙中存在大量的剩余单极带电离子，从而工作液体形成极性。当本发明液环2内工作液体1受到压力作用通过转换器6时，这些离子被运动着的极性液体带动，在毛细管中形成离子流，通过电极5上的电化学反应，该离子流转变为金属导线电流，此电流经放大器的负载电阻输出电压值。
如图3所示，电化学系统的过程可以用电路图来描述，实现上是电极表面的双层电容充放电过程，即转换器6的毛细孔隙中剩余单极带电离子因流动形成的离子流通过电极的电化学反应转换成导线的电流这一过程。
如图4所示，放大器电路主要由运算放大器amp及其外围电路组成，其功能包括反馈放大和温度补偿，考虑到噪声的因素，运算放大器amp可以选取场效应三极管集成运放和双极性三极管集成运放。温度补偿的目的是对因工作液体随温度变化而导致电极输出信号的变化，选取三极管的热敏特性来作为温度补偿器。整个电路是采取T型网络的思路。
Claims (4)
1、分子型液环式角加速度计，其特征在于：由液环和放大器组成，液环包括环圈、溶剂补偿器、工作液体、其上分布有微小孔隙的转换器和电极，工作液体充满在环圈内，环圈的内环与溶剂补偿器相连接，并通过一毛细管相连通，转换器镶嵌在环圈内，转换器的两侧装有电极，电极与放大器相连接。
2、根据权利要求1所述的分子型液环式角加速度计，其特征在于：环圈和溶剂补偿器由玻璃或金属制成。
3、根据权利要求1所述的分子型液环式角加速度计，其特征在于：工作液体由丙酮或丙酮中添加甲苯有机溶剂构成。
4、根据权利要求1所述的分子型液环式角加速度计，其特征在于：带有微小孔隙的转换器由硅酸盐玻璃或氧化陶瓷绝缘材料烧结而成。
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