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    重庆时时彩开奖号码查询35: 一种静电支撑式差分电容法测量三维加速度的方法.pdf

    摘要
    申请专利号:

    重庆时时彩单双窍门 www.4mum.com.cn CN201310246477.3

    申请日:

    2013.06.21

    公开号:

    CN103344786A

    公开日:

    2013.10.09

    当前法律状态:

    撤回

    有效性:

    无权

    法律详情: 发明专利申请公布后的视为撤回IPC(主分类):G01P 15/18申请公布日:20131009|||实质审查的生效IPC(主分类):G01P 15/18申请日:20130621|||公开
    IPC分类号: G01P15/18(2013.01)I; G01P15/125 主分类号: G01P15/18
    申请人: 浙江大学
    发明人: 叶凌云; 黄添添; 李彩霞; 宋开臣
    地址: 310058 浙江省杭州市西湖区余杭塘路866号
    优先权:
    专利代理机构: 杭州求是专利事务所有限公司 33200 代理人: 周烽
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201310246477.3

    授权公告号:

    ||||||

    法律状态公告日:

    2015.09.02|||2013.11.06|||2013.10.09

    法律状态类型:

    发明专利申请公布后的视为撤回|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明公开了一种静电支撑式差分电容法测量三维加速度的方法。本发明以液体物质作为敏感质量体、采用正六面体结构、用差分电容法检测液体形变和位置变化、用静电力平衡惯性力实现三维加速度的测量。本发明检测加速度的方法,以液体作为敏感质量体,可在大冲击或高过载后恢复正常工作;采用静电支撑技术,静电力和惯性力是线性关系,具有灵敏度高、量程范围宽等特点。

    权利要求书

    权利要求书
    1.  一种静电支撑式差分电容法测量三维加速度的方法,其特征在于,该方法是以金属液体作为敏感质量体、用差分电容法检测液体形状和位置变化、用静电力平衡惯性力测量加速度,该方法在液体差分电容式三维加速度计上实现,该液体差分电容式三维加速度计包括绝缘球腔(3)、固定于绝缘球腔(3)外表面的圆电极(1)和与圆电极(1)相连的电极引线(2),绝缘球腔(3)内封装有玻璃正六面体(5),玻璃正六面体(5)端面外表面覆盖有六块金属极板(4)、每块金属极板(4)分为金属极板第一象限(11)、金属极板第二象限(12)、金属极板第三象限(13)、金属极板第四象限(14)和位于金属极板(14)中心位置的金属极板引线孔(10)以及通过该引线孔的金属极板引线(9)、在玻璃正六面体(5)内封装金属液滴(6),绝缘球腔(3)上开有引线孔(7),金属液滴(6)通过接地引线(8)经引线孔(7)接地;该方法包括以下步骤:
    步骤1:将液体差分电容式三维加速度计安置在载体上,当加速度为0时,给圆电极(1)施加直流偏置电压,圆电极(1)产生的静电力使金属液滴(6)处于悬浮状态,即金属液滴(6)不受玻璃正六面体(5)各端面的支撑力,同时金属液滴(6)的质心与玻璃正六面体(5)的质心重合;金属液滴(6)与同一端面的金属极板(4)的四个象限形成四个电容,此时,金属液滴(6)与玻璃正六面体(5)端面的接触面积为轴对称结构;因此,金属液滴(6)与六块金属极板(4)的四个象限形成的24个电容值相等;
    步骤2:当载体处于加速状态时,金属液滴(6)受力变形,与玻璃正六面体(5)端面的接触面积发生变化;
    步骤3:调整施加在圆电极(1)上的直流偏置电压,使金属液滴(6)的质心回到玻璃正六面体(5)的质心处,实现静电支撑控制;该步骤采用差分电容法来确定金属液滴(6)的质心回到玻璃正六面体(5)的质心处:当金属液滴(6)与六块金属极板(4)组成的24个电容值一致,且与步骤1中的电容值一致,即认为金属液滴(6)的质心回到玻璃正六面体(5)的质心处;
    步骤4:通过步骤3中控制电压的调节,金属液滴(6)处于静电支撑的平衡态,即受力平衡:                                               ;
    此时,金属液滴(6)的受力满足Young-Laplace方程,从而得到载体的三维加速度信息:
    ;
    其中,是表面张力产生的压强分量,为表面张力系数,、是金属液滴(6)自由表面的曲率半径;是加速度力产生的压强分量,为金属液滴(6)密度,为载体的三维加速度信息,为金属液滴(6)内某点到其自由表面的垂直高度;是参考点界面两侧的压强差;是电场力产生的压强分量,是金属液滴(6)的介电常数,为静电场在液体自由表面法线方向的分量。

    说明书

    说明书一种静电支撑式差分电容法测量三维加速度的方法
    技术领域
     本发明属于高精度惯性测量技术领域,尤其涉及一种静电支撑式差分电容法测量三维加速度的方法。 
    背景技术
    加速度的测量是将加速度这一物理信号转变为可以测量的电信号。例如可以通过变面积、变介电常量、变间隙三种方法把被测的加速度转化为电容器的电容量变化。传统的基于电容式加速度计的测量方法采用差动式变间隙结构,通过对敏感电极与固定电极之间的间隙变化引起的两电极之间电容量变化的测量,来实现对加速度的测量。由于采用固体极板作为敏感电极,在固体极板与壳体固定时,需通过固体弹性介质连接,当出现大冲击或高过载时,固定固体极板的固体弹性介质极易损坏,致使加速度传感器失去作用,加速度测量无法正常进行;同时,以固体极板作为敏感电极的加速度测量方法对加速度不敏感,结构复杂;因此传统的采用固体极板作为敏感电极的加速度测量方法应用范围受到限制。 
    为了解决以固体极板作为敏感电极进行加速度测量的方法结构复杂、灵敏度不高、无法满足高过载量程比等缺点,以液体作为敏感电极的加速度测量方法得到提出和应用。该方法是一种电容偏差法:将液体封装在圆柱壳体内,液体与壳体端面的定极板形成电容,由于表面张力的原因,液体在壳体两端角处形成特定的曲面,与壳体端面内壁有一定的接触面积。当加速度作用时,液体与端面的接触面积发生变化,电容值随着变化,电容的变化量反映了加速度的大小。由于采用液体作为敏感电极,可在大冲击或高过载后恢复正常工作,具有灵敏度高等优点。然而,目前的液体加速度计测量方法采用圆柱体结构,只能实现一维加速度的测量;同时,由于测量方法是偏差法,液体受到加速度作用的变形与加速度的大小是非线性关系,存在非线性的问题;且液体变形后质心无法及时回到原先位置,因此,存在测量范围小的问题。 
    发明内容
    本发明的目的在于克服以固态物质作为敏感质量体的加速度测量方法结构复杂、灵敏度不高、不适合在大冲击或高过载的条件下应用以及目前存在的液体加速度测量方法无法实现三维加速度测量、测量范围小、液体形变与加速度大小的关系是非线性的等缺点,提供了一种以金属液体作为敏感质量体、静电支撑金属液体、差分电容法检测液体形变的三维加速度测量方法。 
    本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:本发明的三维加速度测量方法是在以金属液体为敏感质量体、用差分电容法检测液体形变、用静电力平衡惯性力的液体差分电容式三维加速度计上实现,液体差分电容式三维加速度计包括绝缘球腔、固定于绝缘球腔外表面的圆电极和与圆电极相连的电极引线,绝缘球腔内封装有玻璃正六面体,玻璃正六面体端面外表面覆盖有六块金属极板、在玻璃正六面体内封装金属液滴,绝缘球腔上开有引线孔,金属液滴通过接地引线经引线孔接地。该方法包括以下步骤: 
    步骤1:将液体差分电容式三维加速度计安置在载体上,当加速度为0时,给圆电极施加直流偏置电压,圆电极产生的静电力使金属液滴处于悬浮状态,即金属液滴不受玻璃正六面体各端面的支撑力,同时金属液滴的质心与玻璃正六面体的质心重合。金属液滴与同一端面的金属极板的四个象限形成四个电容,此时,金属液滴与玻璃正六面体端面的接触面积为轴对称结构,因此,金属液滴与六块金属极板的四个象限形成的24个电容值相等。
    步骤2:当载体处于加速状态时,金属液滴受力变形,与玻璃正六面体端面的接触面积发生变化。 
    步骤3:调整施加在圆电极上的直流偏置电压,使金属液滴的质心回到玻璃正六面体的质心处,实现静电支撑控制。在本发明中采用差分电容法来确定金属液滴的质心回到玻璃正六面体的质心处:当金属液滴与六块金属极板组成的24个电容值一致,且与步骤1中的电容值一致,即认为金属液滴的质心回到玻璃正六面体的质心处。 
    步骤4:通过步骤3中控制电压的调节,金属液滴处于平衡态(金属液滴的质心与玻璃正六面体质心重合),即受力平衡: 。 
    此时,金属液滴的受力满足Young-Laplace方程,从而得到载体的三维加速度信息: 
    ;
    其中,是表面张力产生的压强分量,为表面张力系数,、是金属液滴自由表面的曲率半径;是加速度力产生的压强分量,为金属液滴密度,为载体三维加速度信息,为金属液滴内某点到其自由表面的垂直高度;是参考点界面两侧的压强差;是电场力产生的压强分量,是金属液滴的介电常数,为静电场在液体自由表面法线方向的分量。
    本发明的有益效果为:本发明由于采用金属液滴作为敏感质量体,可在大冲击或高过载后恢复正常工作,采用玻璃正六面体结构,差分电容检测方法,不仅可以测量多维度面积的改变,也能实现位置检测,具有三维加速度测量的突出优点。同时,由于采用了静电支撑技术,金属液滴相当于示零器,即用差分电容法检测液滴质心位置是否回到零位,这种测量方法与现有的液体加速度测量方法相比,灵敏度有了很大提高、静电力与惯性力是线性关系、测量范围大。 
    附图说明
    图1是静电支撑式差分电容法加速度传感器的结构示意图; 
    图2是金属极板示意图;
    图中,圆电极1、电极引线2、绝缘球腔3、金属极板4、玻璃正六面体5、金属液滴6、引线孔7、接地引线8、金属极板引线9、金属极板引线孔10、金属极板第一象限11、金属极板第二象限12、金属极板第三象限13、金属极板第四象限14。
    具体实施方式
    本发明的测量原理简述如下: 
           本发明三维加速度的测量方法,是一种静电支撑式差分电容法测量三维加速度的方法。以金属液滴作为对加速度敏感的质量体,将其封装在玻璃正六面体中,由于金属液滴具有很大的表面张力,金属液滴在玻璃正六面体端角处形成特定的曲面,与玻璃正六面体端面内壁有一定的接触面积。通过圆电极施加的直流电压,给金属液滴提供静电力,通过闭环控制使金属液滴在静电力的作用下受力平衡。当加速度为0时,给圆电极施加一定的直流偏置电压,产生的静电力使金属液滴处于悬浮状态,即不受玻璃正六面体各端面的支撑力,同时金属液滴的质心与玻璃正六面体的质心重合。金属液滴与同一端面的金属极板的四个象限形成四个电容,此时,金属液滴与玻璃正六面体端面的接触面积为轴对称结构,因此,金属液滴与同一端面的金属极板的四个象限形成的四个电容值相等。当载体处于加速状态时,金属液滴受力变形,与玻璃正六面体端面的接触面积发生变化。在本发明中采用差分电容法检测接触面积的位置和大小改变。检测到金属液滴与玻璃正六面体端面接触面积的大小和位置变化后,调整施加在圆电极上的静电偏置电压,使金属液滴的质心回到玻璃正六面体的质心处,实现支撑控制。此时金属液滴处于平衡态,即受力平衡:。
    此时,金属液滴的受力满足Young-Laplace方程,从而得到载体的三维加速度信息: 
    ;            
    其中,是表面张力产生的压强分量,为表面张力系数,、是金属液滴自由表面的曲率半径;是加速度力产生的压强分量,为金属液滴密度,为载体的三维加速度信息,为金属液滴内某点到其自由表面的垂直高度;是参考点界面两侧的压强差;是电场力产生的压强分量,是金属液滴的介电常数,为静电场在液体自由表面法线方向的分量。
    下面结合附图说明一种具体的实施方式。本发明的三维加速度测量方法是在以金属液体为敏感质量体、用差分电容法检测液体形变、用静电力平衡惯性力的液体差分电容式三维加速度计上实现,液体差分电容式三维加速度计包括绝缘球腔3、固定于绝缘球腔3外表面的圆电极1和与圆电极1相连的电极引线2,绝缘球腔3内封装有玻璃正六面体5,玻璃正六面体5端面外表面覆盖有六块金属极板4、每块金属极板4分为金属极板第一象限11、金属极板第二象限12、金属极板第三象限13、金属极板第四象限14和位于金属极板中心位置金属极板引线孔10以及通过该引线孔的金属极板引线9,在玻璃正六面体5内封装金属液滴6,绝缘球腔3上开有引线孔7,金属液滴6通过接地引线8经引线孔7接地。该方法包括以下步骤: 
    步骤1:将液体差分电容式三维加速度计安置在载体上,当加速度为0时,给圆电极1施加直流偏置电压,圆电极1产生的静电力使金属液滴6处于悬浮状态,即金属液滴6不受玻璃正六面体5各端面的支撑力,同时金属液滴6的质心与玻璃正六面体5的质心重合。金属液滴6与同一端面的金属极板4的四个象限形成四个电容,此时,金属液滴6与玻璃正六面体5端面的接触面积为轴对称结构,因此,金属液滴6与同一端面的金属极板4的四个象限形成的四个电容值相等。
    步骤2:当载体处于加速状态时,金属液滴6受力变形,与玻璃正六面体5端面的接触面积发生变化。 
    步骤3:调整施加在圆电极1上的直流偏置电压,使金属液滴6的质心回到玻璃正六面体5的质心处,实现静电支撑控制。在本发明中采用差分电容法来确定金属液滴6的质心回到玻璃正六面体5的质心处,如图1所示。当金属液滴6与六块金属极板4组成的24个电容值与步骤1一致,即认为金属液滴6的质心回到玻璃正六面体5的质心处。 
    实现稳定的静电支撑的前提条件是保证金属液滴6的电位恒定。这样才能通过改变施加在圆电极1上的电位来调节对金属液滴6所施加的静电力的大小和方向。为了保证金属液滴6的电位恒定,本发明将金属液滴6通过接地引线8经引线孔7接地。 
    步骤4:通过步骤3中控制电压的调节,金属液滴6处于静电支撑的平衡态,即受力平衡:。 
    此时,金属液滴6的受力满足Young-Laplace方程,从而得到载体的三维加速度信息: 
    其中,是表面张力产生的压强分量,为表面张力系数,、是金属液滴6自由表面的曲率半径;是加速度力产生的压强分量,为金属液滴6密度,为载体的三维加速度信息,为金属液滴6内某点到其自由表面的垂直高度;是参考点界面两侧的压强差;是电场力产生的压强分量,是金属液滴6的介电常数,为静电场在液体自由表面法线方向的分量。
    本技术领域的人员根据本发明所提供的文字描述、附图以及权利要求书能够很容易在不脱离权利要求书所限定的本发明的思想和范围条件下,可以做出多种变化和改动。凡是依据本发明的技术思想和实质对上述实施例进行的任何修改、等同变化,均属于本发明的权利要求所限定的?;し段е?。 

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    一种 静电 支撑 式差分 电容 测量 三维 加速度 方法
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