一种基于气体电容电场效应的加速度传感验证装置及方法

技术领域

本发明属于测量技术领域，具体涉及一种加速度传感验证装置及方法。

背景技术

传统的加速度传感器多依据胡克定律和牛顿第二定律进行设计，这种加速度计已经在各种领域表现出了广阔的应用前景。依据胡克定律，弹簧的形变与其所受的力成正比；依据牛顿第二定律，质量一定的情况下物体加速度又与作用力成正比；因此可进行特定的结构构造，使得弹簧形变与加速度之间存在一定的量化关系；亦即可以通过弹簧形变来测量加速度，这就是此类加速度计的基本工作原理。

此类加速度计通常由检测质量(也称敏感质量)体、支承、电位器、弹簧、阻尼器和壳体组成。检测质量体受支承的约束只能沿一条轴线移动，这个轴常称为输入轴或敏感轴。根据牛顿定律，当仪表壳体随着运载体沿敏感轴方向作加速运动时，具有一定惯性的检测质量体力图保持其原来的运动状态不变；它与壳体之间将产生相对运动，进而使弹簧变形，于是检测质量体在弹簧力的作用下随之加速运动。当弹簧力与检测质量体加速运动时产生的惯性力相平衡时，检测质量体与壳体之间便不再有相对运动，此刻弹簧的变形反映被测加速度的大小。然后通过位移传感元件把加速度信号转换为电信号以供输出。然而这种加速度计由于弹簧的特性会产生振荡，它本质上是一个一自由度的振荡系统，须采用阻尼器来改善系统的动态品质。

当前大多数加速度计主要是利用如上所述原理与构造对加速度进行测量计算的；并且显而易见，其关键零件是检测质量体和弹簧。但是由于弹簧本身具有一定的阻尼，弹簧自身的弹性系数也会随着弹簧的不断磨损而发生变化，所以此类加速度计在使用一段时间之后会产生极大的测量误差，有可能因测量不准，对使用设备的安全造成极大隐患。在这种加速度测量装置中，由于装置本身固有的工作原理，检测质量体与弹簧及阻尼器构成的这种结构必然会存在有一定的反应时间，所以必然导致该类加速度计的测量值输出延迟，不能做到对加速度进行真正的实时监测。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种不依据胡克定律，进而无检测质量体、无弹簧等固体结构，而是基于气体加速度特性、与电容电场效应的加速度传感验证装置。该装置构造出一个长方体的封闭空间腔体，封闭一定的介质气体；在长方体长壁两侧，构造出多个相同尺度的平板电容，以长方腔体中的气体做为媒质。由于介质气体分子之间范德华力的作用，若无外力作用则介质气体均匀分布，这些平板电容的电容值相同。当该装置整体沿着长方体长边有加速度运动的过程中，介质气体分子具有质量，受到加速度作用的过程中必然产生作用力；该长方体封闭区间内的空气分子密度必然随着加速度的变化而变化。给长方体腔体边壁构造的平板电容加电，则介质气体的极化特性必然不同，进而电容值也不同。因此通过测量长方体腔体沿着长边方向的电容分布，即可获取其中介质气体密度的分布，进而获得加速度的测量值。

本发明包括壳体基座、封盖、密封垫圈、上气门嘴、下气门嘴、电容测量基片。主要有三个功能模块。第一个功能模块为壳体基座、封盖、密封垫圈，用于构成一个封闭的长方体腔体。第二个功能模块为上气门嘴、下气门嘴，两个气门嘴用于腔体内部气体介质的换气。第三个功能模块为两组电容基片，贴在长方形腔体两侧壁上，用于形成以腔体气体为介质，面积相同、距离相同的平板电容；电容通过引线输出到密封腔体外部，并且与整个壳体绝缘。本发明提供的装置结构紧凑设计科学合理，可应用于气体电容加速度特性的验证和测量，能够更加精确实时地验证被测测量平台的加速度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种基于气体电容电场效应的加速度传感验证装置，包括壳体基座、封盖、密封垫圈、上气门嘴、下气门嘴、电容测量基片、结构平板电容器和外电路板；所述壳体基座为长方体，壳体基座内部为长方体空腔，长方体空腔的一个侧面敞开；所述密封垫圈夹在壳体基座的敞开侧面与封盖之间，用于增强加速度传感验证装置的气密性；所述壳体基座、密封垫圈和封盖用多颗铆钉固定，从而将长方体空腔密封；所述壳体基座内部两个相对侧面上分别安装一片电容测量基片，两片电容测量基片大小相同；所述结构平板电容器有N个，每个结构平板电容器的两个极板分别安装在两片电容测量基片上，N个结构平板电容器在电容测量基片上均匀分布；所述壳体基座的上下两个侧面中间相对位置开孔，所述上气门嘴和下气门嘴分别安装在壳体基座的上下两个侧面中间相对位置所开的孔上，用于更换壳体基座内的介质气体。

优选地，所述壳体基座外部与敞开侧面相对的底面上有四个分别位于壳体基座四角的底座固定耳，用于将加速度传感验证装置固定在移动平台上。

优选地，所述上气门嘴和下气门嘴内部含有气门芯，在对长方体空腔填充介质气体时能够自动打开气门芯以使介质气体进入内部空间，充气完毕后气门芯能够自动关闭并密封介质气体。

优选地，所述长方体空腔内的介质气体能够更换，对于不同介质气体进行加速度传感验证装置的技术验证。

优选地，所述壳体基座内与底面上开有2N个小孔，用于N个结构平板电容器的引脚接出，用于连接电信号；对装置内部不同位置的电容值进行测量，进而完成对移动平台加速度的验证测量；所述2N个引脚分别焊接在2N个小孔中，将小孔密封。

优选地，所述N＝5。

一种基于气体电容电场效应的加速度传感验证装置测量加速度的方法，包括以下步骤：

步骤1：对于位于地球表面的裸露气体，假设气体位于三维直角坐标系xyz中，则单位体积元内的气体分子数dN

其中，n

由于

所以

则位于开放空间的气体分子数的密度n为：

其中V

ε

则n与加速度a方向的位移x就存在函数关系，x不同n也不同，其表达式为：

步骤2：假设加速度传感验证装置以加速度a持续向x方向做加速运动，定义长方体空腔内的气体分子总数为N，气体的最大分子数密度为n′

显然n′

其中，l为电容测量基片的长度，V为长方体空腔内部体积，故长方体空腔内气体的最大分子数密度n′

进而求得长方体空腔内分子数密度分布n(x)为：

步骤3：由于介质气体中的介电系数与介质分子的分布密度呈正相关，即对应介质气体密度不同的位置，空气的导电能力也不相同；

假定介质气体的介电常数：

ε

其中b为一待测常数；则

其中，d为结构平板电容器两个极板之间的距离；则

由此计算得到长方体空腔内任意一点介电常数与位置坐标的关系式ε(x)为：

若P为介质气体的极化强度，χ

P＝ε

在介质气体中，电场强度E、电位移矢量D和介质气体的极化率χ

D＝ε

ε＝ε

D＝εE (18)

依据介质静电场方程，得到面积为S，距离为d的平行金属板电容C为：

本长方体腔体内部宽度w是固定的，其电容微元dC为：

对特定空间dC(x)进行积分，则得到其整体电容，如长方体空腔整体电容C为：

步骤4：对加速度传感验证装置中5个结构平板电容器的电容值进行推导：

步骤4-1：对于前

该部分的电容微元为

即对应坐标系中

则有

步骤4-2：对于

即对应坐标系中

其沿x方向的整体电容表达式C

则有：

步骤4-3：对于

即对应坐标系中

其沿x方向的整体电容表达式C

则有

步骤4-4：对

即对应坐标系中

其沿x方向的整体电容表达式C

则有：

步骤4-5：对于

即对应坐标系中

其沿x方向的整体电容表达式C

则有：

步骤4-7：通过公式：

对每个结构平板电容器的b值进行计算；

步骤4-7：结论：加速度传感验证装置内电容器的电容仅与加速度a的大小有关，其余部分均为常系数，电容与a构成单值函数关系式，即测得任意位置处的电容值，就能实时得到加速度传感验证装置的加速度a。

一种验证基于气体电容电场效应的加速度传感验证装置的方法，包括以下步骤：

步骤1：所述加速度传感验证装置的壳体基座内部空间能够通过气门嘴对所填充的介质气体进行充装与气体种类的更换操作，在使用时能够填充不同的气体介质；并且在使用过程中还能够对装置进行定期充气与换气操作，从而保证装置的验证测量精度；

步骤2：将充满测试气体的加速度传感验证装置固定在一个移动平台上，使加速度传感验证装置的被测电容沿着加速度方向分布；连接测试电缆使加速度传感验证装置工作；

步骤3：在移动平台无加速度的情况下，通过多电容测试平台对加速度传感验证装置中的电容分别进行多次测试，并记录测试结果；

步骤4：通过移动平台设定一个加速度值，并保证该加速度值恒定，通过多电容测试平台对加速度传感验证装置中的电容分别进行多次测试，并记录测试结果；

步骤5：通过移动平台设定一个新的加速度值，并保证该加速度值恒定，通过多电容测试平台对加速度传感验证装置中的电容分别进行多次测试，并记录测试结果；

步骤6：重复步骤5，直到达到设定重复次数；

步骤7：如果更换介质气体，则重复第1步～第6步；

步骤8：对于上述测试结果进行分析，验证移动平台的加速度与加速度传感验证装置参数的关系。

本发明的有益效果如下：

1.本发明提供的装置，无弹簧、无固体敏感质量体，取消了对应的支承、阻尼器等一系列结构构造，结构更加简单。

2.本发明提供的装置无弹簧、无固体敏感质量、无支承、无阻尼器等，反应时间更短，加速度测试更快；

3.本发明设置密封结构且有两个气门嘴，可对其内部空间填充不同的气体介质，能够实现在不同气体的测量验证。

4.本发明设置密封结构且有两个气门嘴，可对特定气体介质填充不同压力，使其能够实现在不同气压条件下的测量验证。

5.本装置无弹簧、质量体、支承等结构，因此加速度测量范围可以更大，不仅适用于小加速度移动平台，而且适用于大加速度移动平台。

6.本装置设置了多组电容器，可以描述特定加速度下内部气体分子分布情况，对上述技术方案进行测试验证。

附图说明

图1是本发明装置的整体外形结构示意图。

图2是本发明装置各组成结构器件的构造示意图。

图3是本发明装置的各面视图。

图4是本发明装置中壳体基座的结构示意图及各面视图。

图5是本发明装置中封盖的结构示意图及各面视图。

图6是本发明中装置中对电容测量基片选取坐标系建立的电容测量基片简图。

图7是本发明实施例结构示意图。

其中：1—壳体基座；2—上气门嘴；3—下气门嘴；4—电容测量基片；5—电容测量基片；6—密封垫圈；7—封盖；8—铆钉；9—结构平板电容器；10—加速度传感验证装置示意；11—移动平台；12—多电容测试平台；13—测试电缆。

a—壳体基座的下表面；b—壳体基座的上表面；c—壳体基座的后侧面；d—壳体基座的前侧面；e—壳体基座的右侧面；f—壳体基座的左侧面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明提供一种基于气体电容电场效应的加速度传感验证装置。该装置精巧紧凑，适用于各种需要测量加速度的移动平台，能牢固固定于各类移动平台之上，确保各移动平台在移动过程中能够更加精确、实时地验证测量其加速度。

一种基于气体电容电场效应的加速度传感验证装置，包括壳体基座1、封盖7、密封垫圈6、上气门嘴2、下气门嘴3、电容测量基片4、结构平板电容器9和外电路板；所述壳体基座1为长方体，壳体基座1内部为长方体空腔，长方体空腔的一个侧面敞开；所述密封垫圈6夹在壳体基座1的敞开侧面与封盖7之间，可将壳体基座1及封盖7之间可能存在的空隙完全密封，从而保证装置的气密性；所述壳体基座1、密封垫圈6和封盖7用多颗铆钉8固定，将长方体空腔密封，长方体空腔内填充介质气体；所述封盖7的形状大小与所述壳体基座1的a面形状大小完全相同，且所述封盖7留有的铆钉孔径略大于所述铆钉8的直径以保证能与铆钉8契合，所述封盖7留有的铆钉孔位置与所述壳体基座1上留有的铆钉孔位置相同；所述壳体基座1内部两个相对侧面上分别安装一片电容测量基片4，两片电容测量基片4大小相同；所述结构平板电容器9有N个，每个结构平板电容器9的两个极板分别安装在两片电容测量基片4上，N个结构平板电容器9在电容测量基片4上均匀分布；所述壳体基座1的上下两个侧面中间相对位置开孔，所述上气门嘴2和下气门嘴3分别安装在壳体基座1的上下两个侧面中间相对位置所开的孔上，上气门嘴2与下气门嘴3的直径与壳体基座1预留的安装孔孔径相同，用于更换壳体基座1内的介质气体。

优选地，所述壳体基座1外部与敞开侧面相对的底面上有四个分别位于壳体基座1四角的底座固定耳，用于将加速度传感验证装置固定在移动平台上。

优选地，所述上气门嘴2和下气门嘴3内部含有气门芯，在对长方体空腔填充介质气体时能够自动打开气门芯以使介质气体进入内部空间，充气完毕后气门芯能够自动关闭并密封介质气体。

优选地，所述长方体空腔内的介质气体能够更换，对于不同介质气体进行加速度传感验证装置的技术验证。

优选地，所述壳体基座1内与底面上开有2N个小孔，用于N个结构平板电容器9的引脚接出，用于连接电信号；对装置内部不同位置的电容值进行测量，进而完成对移动平台加速度的验证测量；所述2N个引脚分别焊接在2N个小孔中，将小孔密封。

优选地，所述壳体基座1内部两个相对侧面上各有四个凹槽卡榫，电容测量基片4卡在四个凹槽卡榫中间，安装在壳体基座1上。

优选地，如图5所示，所述固定壳体基座1、密封垫圈6和封盖7的铆钉8有20颗。

优选地，所述N＝5。

一种验证基于气体电容电场效应的加速度传感验证装置的方法，包括以下步骤：

步骤1：所述加速度传感验证装置的壳体基座内部空间能够通过气门嘴对所填充的介质气体进行充装与气体种类的更换操作，在使用时能够填充不同的气体介质；并且在使用过程中还能够对装置进行定期充气与换气操作，从而保证装置的验证测量精度；

步骤2：将充满测试气体的加速度传感验证装置固定在一个移动平台上，使加速度传感验证装置的被测电容沿着加速度方向分布；连接测试电缆使加速度传感验证装置工作；

步骤3：在移动平台无加速度的情况下，通过多电容测试平台对加速度传感验证装置中的电容分别进行多次测试，并记录测试结果；

步骤4：通过移动平台设定一个加速度值，并保证该加速度值恒定，通过多电容测试平台对加速度传感验证装置中的电容分别进行多次测试，并记录测试结果；

步骤5：通过移动平台设定一个新的加速度值，并保证该加速度值恒定，通过多电容测试平台对加速度传感验证装置中的电容分别进行多次测试，并记录测试结果；

步骤6：重复步骤5，直到达到设定重复次数；

步骤7：如果更换介质气体，则重复第1步～第6步；

步骤8：对于上述测试结果进行分析，验证移动平台的加速度与加速度传感验证装置参数的关系。

具体实施例：

如图1到图6所示，一种基于气体电容电场效应的加速度传感验证装置包括壳体基座1和可紧密贴合于壳体开口表面的封盖7，所述壳体基座1和所述封盖7之间安装有一用于增强装置气密性的密封垫圈6，所述壳体基座1和所述封盖7利用20颗铆钉8进行封紧，所述壳体基座1上下两侧在相同位置各安装有一用于更换所述加速度传感验证装置内部填充气体的上气门嘴2与下气门嘴3，所述壳体基座1内部相对左右装有一对电容测量基片4与电容测量基片5，所述电容测量基片4与所述电容测量基片5表面依中线各分布有五枚紧紧贴合的结构平板电容9。

本实施例中，所述密封垫圈6和所述封盖7主要在基壳底座上表面处起覆盖封装作用以便保持装置内的气体分子数恒定，为装置功能的实现提供保障，所述铆钉8主要将封片7与基壳底座1相连，保证装置连接的完整性以及装置的气密性完好。

本实施例中，所述电容测量基片4及电容测量基片5上各沿中线分布着紧紧贴合的五枚扁平正方体状的结构平板电容9，用于测量装置内部不同位置的电容，可通过引脚将测量数据引出到外部电路进行实时处理计算，同时可将不同位置测得的数据加以组合计算验证以保证得到的加速度更加精密。

所述上气门嘴2与所述下气门嘴3内部含有气门芯，在充气时气门嘴能够自动打开气门芯以使气体进入内部密闭空间，充气完毕后气门芯能够自动关闭并密封保存内部气体，使之与外界隔绝以确保装置的气密性。所述壳体基座1内部空间通过气门嘴进行介质气体的充气与更换操作，在使用时可以根据实际情况需要填充不同的气体介质，此外，在使用过程中还可以对装置进行定期的充气与换气操作，从而可以保证装置的验证测量精度。

本实施例中，所述壳体基座内部空间可通过气门嘴对所填充的介质气体进行充装与气体种类更换操作，在使用时可以根据实际情况需要填充不同的气体介质，此外，在使用过程中还可以对装置进行定期的充气与换气操作，从而可以保证装置的验证测量精度。

本实施例的一种使用图7所示，其中包含4个部件。其中部件10即本发明装置的抽象示意，其抽象为5个电容。部件11为移动平台；部件10固连在部件11上，与部件11运动方式相同，因此可以感应部件11的加速度。部件12为多电容测试平台，可以分别测量部件10中5个电容的电容数值。部件13为连接电缆，用于完成信号在部件10和部件12之间的连接。

对本实施例的加速度传感验证装置验证方法如下：

1、通过上气门嘴2和下气门嘴3对本发明的加速度传感验证装置填充测试气体，不同的气体介电常数不同，分子量也不同，因此表现特性也不相同；上气门嘴2和下气门嘴3任何一个都可作为进气口，另外一个为出气口；在进气口充气过程中，出气口先开放一段时间，使得容器中排放干扰气体，充满对应测试气体；然后停止出气口的气门，继续对本发明的加速度计进行充气，一直充到设定的数值为止。

2、将充满测试气体的本发明的装置10固定在上述移动平台11上，并保证装置10的5个电容沿加速度方向分布；连接好测试电缆13，并保证多电容测试平台12能够正常工作。

3、在无加速度的情况下，通过多电容测试平台12对装置10中的电容分别进行多次测试，并记录测试结果。

4、通过移动平台11设定一个特定的加速度值，并保证该加速度值稳定，通过多电容测试平台12对装置10中的电容分别进行多次测试，并记录测试结果。

5、通过移动平台11设定一个新的加速度值，并保证该加速度值稳定，通过多电容测试平台12对装置10中的电容分别进行多次测试，并记录测试结果。

6、根据需要重复第5步，若需要更换测试气体，则重复第1步～第5步。

7、对于上述试验记录数据进行分析，验证本实施例中移动平台加速度a与装置10其它因素的关系。