一种加速度测量方法和水银加速度传感器与流程

本发明属于加速度检测领域，具体地涉及一种加速度测量方法和水银加速度传感器。

背景技术：

加速度传感器是一种用来测量运动物体加速度值的器件。加速度传感器广泛应用于汽车工业、航空业、机械振动分析等。

加速度传感器的工作原理一般是：当惯性质量受到外界加速度作用时，质量就会产生位移，进而换算得到加速度。和其他传感器一样，加速度传感器通过其他容易测量到的量来间接得到难以直接测量到的加速度。在结构上大都是由弹性敏感元件、检测电路、壳体及辅助结构3部分组成，参考：高g值微机械加速度传感器的现状与发展，仪器仪表学报，2008,29(04)：892-895。

现有的加速度传感器直接测量惯性质量相对位移或间接检测弹簧变形量，最后通过一系列的转换关系得到被测物体的加速度值。一般加速度传感器分为压阻式、压电式、电容式和热对流式，参考：高冲击加速度传感器发展现状及趋势，探测与控制学报，2013,35(04)：6-10，这些类型的加速度传感器采用微机械工艺设计，具有微型化的特点，但是这些类型的加速度传感器设计复杂、材料种类要求严格且制造成本相对较高，此外，在某些大冲击或高负载的恶劣情况下，不适合使用。

技术实现要素：

本发明的目的在于为解决上述问题而提供一种利用水银的惯性和导电性质进行设计，从而对材料要求不高、设计简单、可微型化、成本低且适用在某些大冲击或高负载的恶劣情况的加速度测量方法和水银加速度传感器。

为此，本发明公开了一种加速度测量方法，在径向上设置两对电极对,且两电极对分别被加载极性相反的电压，在两对电极对之间设置两个水银柱,使这两个水银柱被一绝缘体间隔并绝缘，且使该绝缘体在径向上不能发生长度变化,同时使两个水银柱均能分别与两对电极对部分接触,而将电极对之间的电极通过水银柱电连接起来，设置方向垂直于径向且贯穿水银的磁场，当在径向上有加速度分量产生时，两个水银柱及绝缘体同步地在径向上发生位移，分别改变了两对电极对内水银柱与电极对的接触面积，通过分别检测两对电极对的电阻变化情况，换算得出在径向上的加速度；当在径向上没有加速度时，水银柱通过流经其中的电流在磁场中获得的洛仑兹力作用下复位。

进一步的，在两对电极对上施加相同的电压值，检测分别流经两对电极对的电流大小变化情况，以换算得出加速度。

进一步的，采用差分电路检测分别流经两对电极对的电流大小变化情况，以换算得出加速度。

本发明还公开了一种水银加速度传感器，包括密封的绝缘管、设置在绝缘管里面的两个水银柱、设置在两个水银柱之间的与水银不相溶的绝缘液体柱、两对电极对和磁场产生装置，所述两个水银柱和绝缘液体柱不充满绝缘管，所述两对电极对分别设置在绝缘管内的两端，所述两对电极对分别与两个水银柱部分接触并分别与外接电源连接构成两个导电回路，所述两对电极对的电流的流向相反且都垂直于绝缘管径向，所述磁场产生装置设置在绝缘管外，其产生的磁场贯穿绝缘管并与绝缘管径向垂直。

进一步的，所述绝缘管为真空管，内腔面为光滑面。

进一步的，所述绝缘液体为甘油。

进一步的，所述电极对为两片相对设置的金属片，所述金属片为与绝缘管内腔相匹配的弧形金属片。

进一步的，还包括两端开口的外壳、夹持块和封盖，所述绝缘管通过夹持块悬空固定在外壳内，所述磁场产生装置设置在外壳内，并通过夹持块固定设置在绝缘管外，所述封盖封住外壳的开口。

进一步的，所述两对电极对分别与同一个电源连接。

进一步的，还包括差分电路，所述两个导电回路的输出端分别接差分电路的两个输入端。

本发明的有益技术效果：

本发明利用水银的惯性和导电性质进行设计，采用差分的原理对流经水银的电流进行对比处理，进而换算得到加速度值，对材料要求不高、设计简单、可微型化、制造简便、成本低、检测精度高且适用在某些大冲击或高负载的恶劣情况。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例的内部结构示意图；

图3为本发明实施例的纵剖示意图；

图4为本发明实施例的夹持块示意图；

图5为本发明实施例的简化电路连接示意图。

具体实施方式

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

一种加速度测量方法，在径向上设置两对电极对，且两电极对分别被加载极性相反的电压，在两对电极对之间设置两个水银柱，使这两个水银柱被一绝缘体间隔并绝缘，且使该绝缘体在径向上不能发生长度变化，具体的，将两对电极对的规格设置为相同，两绝缘体为绝缘液体柱，液体优选为甘油。同时使两个水银柱均能分别与两对电极对部分接触,而将电极对之间的电极通过水银柱电连接起来，设置方向垂直于径向且贯穿水银的磁场，当在径向上有加速度分量产生时，两个水银柱及绝缘体同步地在径向上发生位移，分别改变了两对电极对内水银柱与电极对的接触面积，通过分别检测两对电极对的电阻变化情况，换算得出在径向上的加速度；当在径向上没有加速度时，水银柱通过流经其中的电流在磁场中获得的洛仑兹力作用下复位。

具体的，在两对电极对上施加相同的电压值，通过检测分别流经两对电极对的电流大小变化情况，以换算得出加速度。本实施例中，可以将两对电极对连接到同一个电源上，以保证电压完全相同。

进一步的，采用差分电路检测两对电极对的电流大小变化情况，换算得出加速度。采用差分电路，可以得到更大的信号输出，检测精度更高。

如图1至图5所示，本发明还公开了一种水银加速度传感器，包括密封的绝缘管1、设置在绝缘管1里面的两个水银柱3(两个水银柱3位于绝缘管1的两边)、设置在两个水银柱3之间的与水银不相溶的绝缘液体柱4、两对电极对2(本具体实施例中，为了使换算更简便，两对电极对2优选为规格相同)和磁场产生装置7。本具体实施例中，绝缘管1为玻璃管，当然也可以是由其它绝缘 材料如陶瓷制成的管子，玻璃管1的管径需小到一定的程度，使水银与玻璃管1内腔壁的表面张力与所受的重力平衡，能维持柱状，即水银柱3的直径等于玻璃管1的内腔直径，玻璃管1为真空管，其内腔面为光滑面，减少水银柱3在玻璃管1内移动的摩擦力，提高检测准确度。绝缘液体优选为甘油，当然，在其它实施例中，也可以是其它绝缘的与水银不相溶的液体。磁场产生装置7为两块由强磁性永磁体制成的磁板。

所述两个水银柱3和绝缘液体柱4不充满玻璃管1，即当两个水银柱3和绝缘液体柱4处在初始位置时，两个水银柱3分别与玻璃管1的两端还有一段距离。所述两对电极对2分别设置在玻璃管1内腔的两端，且当两个水银柱3和绝缘液体柱4处在初始位置时，两对电极对2分别与两个水银柱3部分接触且接触面积相同并将电极对2内的电极电连接起来，两对电极对2分别通过导线与外界的电源VCC连接构成两个导电回路，所述两对电极对2的电流的流向相反且都垂直于玻璃管1的径向，两个导电回路的电流输入到差分电路11的两个输入端，差分电路11的输出端输出两个导电回路的电流差值。本具体实施例中，电极对2为两片相对设置的金属片，所述金属片为与玻璃管1内腔相匹配的弧形金属片。两对电极对2可以是分别连接到两个电压相同的电源VCC上，当然，为了保证电压完全相同，使检测准确度更高，两对电极对2分别与同一个电源VCC连接，但极性相反，如图5所示。

进一步的，还包括两端开口的外壳5、夹持块6和封盖9，所述玻璃管1通过夹持块6悬空固定在外壳5内，本具体实施例中，夹持块6由绝缘材料制成，数量为4块，玻璃管1的两端分别由两块夹持块6夹持固定，夹持块6上设有与玻璃管1端部相匹配的凹槽61，用于套住玻璃管1的端部，夹持块6上还设置有让导线穿过的通孔62，所述磁板7设置在外壳1内，并通过夹持块6支撑 固定设置在玻璃管1的上下外表面，所述封盖9封住外壳1的开口，采用螺钉10进行固定，封盖9设有安装部，安装部上设有用于安装的螺孔，在封盖9与加持块6之间设有垫片8，用于将夹持块6顶紧，防止其移动。

检测过程：

接通两对电极对2的电源VCC，当没有加速度时，两个水银柱3与两对电极对2的接触面积相同，流经两个导电回路的电流大小相同，差分电路输出值为0；当有加速度时，两个水银柱3在惯性作用下会产生位移，使其中一个水银柱3与电极对2的接触面积增大，进而使流过该导电回路的电流增大；另一个水银柱3与电极对2的接触面积减小，相应导电回路中流过的电流减小，差分电路输出两个导电回路的电流差值，经过一定换算关系即可得到加速度值。当加速度消失后，由于两个水银柱3的电流大小不一致且方向相反，在磁场中产生相对而不相等的洛伦兹力，在洛伦兹力的作用下，两个水银柱3向初始位置移动，直到回到初始位置，两个水银柱3达到力平衡，不再移动。

上述实施例采用检测两个导电回路的电流变化情况，来换算得到加速度，但不限于此，在其它实施例中，也可以对两个导电回路施加恒流源，通过检测两个导电回路的电压变化情况，来换算得到加速度。上述实施例采用差分电路来检测两个导电回路的电流变化情况，使得输出信号更大，检测精度和准确度更高，但在其它实施例中，也可以没有差分电路，直接检测两个导电回路的各个回路的电路变化情况，再进行换算得到加速度。上述实施例采用流经水银的电流再磁场的洛伦兹力使水银复位，当然，在其它实施例中，也可以使用重力使水银复位。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式 上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。