流動電勢用于角加速度傳感器的研究

在某些領(lǐng)域中所使用的傳統(tǒng)的角加速度傳感器主要是在角速率陀螺的基礎(chǔ)上改型設(shè)計(jì)出來的， 屬于微分式機(jī)械電磁類角加速度傳感器。這種傳感器的加速度信號是通過在角速率陀螺輸出端串聯(lián)微分器獲得的，因而其信號的質(zhì)量和可靠性較差。此外，也有采用幾個線加速度傳感器進(jìn)行測量， 再經(jīng)過信息處理來獲得角加速度信號的方法。但這種方法實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜，價(jià)格昂貴，而且精度也不是很高.本文所介紹的角加速度傳感器，是根據(jù)流動電勢效應(yīng)，直接將角加速度信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出的，因而具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、成本低、信號質(zhì)量好、可靠性高等特點(diǎn)，可廣泛用于衛(wèi)星、飛機(jī)、軍艦、戰(zhàn)略導(dǎo)彈和火箭等運(yùn)動物體的導(dǎo)航、姿態(tài)控制以及系統(tǒng)穩(wěn)定等方面。

1 流動電勢[1～3 ]

任何固體與任何液體相互接觸時，都會使固體表面呈現(xiàn)出帶電現(xiàn)象。究其原因主要有以下幾個方面: (1) 固體表面對離子的吸附；(2) 離子晶體的溶解；(3) 固體表面的電離；(4) 固體具有n 型(空穴型)或p 型(電子過剩型) 缺陷；(5) 兩相對電子的親合力不同。不管是由哪種原因引起的，當(dāng)固體表面帶電以后，它必然要吸引等量的反極性電荷在其周圍。這樣在緊靠帶電固體表面處就形成一層特殊的表面層———雙電層。雙電層的經(jīng)典理論有以下三種:德拜—尤格爾理論；古依—查普曼理論；斯特恩理論。其中斯特恩理論對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的解釋至今絕大部分仍然是正確的。斯特恩雙電層的理論模型如圖1 所示。從圖中可以看出，雙電層由一個稱為斯特恩平面的平面(實(shí)際上是一個假想平面) 將它分成二部分:內(nèi)層為斯特恩層，外層為擴(kuò)散層，在擴(kuò)散層中，反電荷離子富集。

當(dāng)液體受壓力(或角加速度) 作用被強(qiáng)迫通過毛細(xì)管(或多孔塞) 時，靠近毛細(xì)管管壁雙電層中的擴(kuò)散層將帶著反電荷離子一起向管的一端流動， 這樣就出現(xiàn)了電流，并導(dǎo)致電勢差產(chǎn)生。電勢差產(chǎn)生與流動方向相反的傳導(dǎo)電流，二者很快達(dá)到平衡。在穩(wěn)定狀態(tài)下，與壓力差P 成正比的流動電流和與電勢差E 成正比的傳導(dǎo)電流大小相等。因此， 流動電勢E與壓力P 成正比，其線性關(guān)系為

式中E 為流動電勢， p 為毛細(xì)管或多孔塞兩端的壓力差，ε為液體的介電常數(shù)，η為液體的黏度， k 為液體的比電導(dǎo)，ζ為雙電層中滑動面(又稱剪切面)處的電勢。從(1) 式可以看出， 流動電勢是液體所受壓力的線性函數(shù)，比電導(dǎo)低、黏度小和介電常數(shù)大的液體通過毛細(xì)管或多孔塞時會產(chǎn)生相當(dāng)大的流動電勢。

2 示意結(jié)構(gòu)

根據(jù)流動電勢效應(yīng)制作的液環(huán)式角加速度傳感器的示意結(jié)構(gòu)如圖2 所示。其中，液體環(huán)由玻璃管吹拉而成；多孔塞用直徑10μm 左右的微球玻璃粉燒制；環(huán)狀電極用鉑金絲制作；液體環(huán)中的液體用高純度丙酮制備。

3 工作原理

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，在液環(huán)中裝滿高純度丙酮溶液后，玻璃塞中微孔的內(nèi)表面帶負(fù)電荷。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果可由玻璃和丙酮對電子的親合力不同而得到解釋.當(dāng)玻璃和丙酮相互接觸，兩相對電子的親合力不同，致使電子從介電常數(shù)大的一方流向介電常數(shù)小的一方。玻璃的介電常數(shù)為6 ， 丙酮的介電常數(shù)是20。7 ，因而電子從丙酮流向玻璃， 使玻璃塞中微孔的內(nèi)表面帶負(fù)電荷。這樣在靜電力的作用下，丙酮溶液中的負(fù)離子與玻璃塞中微孔內(nèi)表面的負(fù)電荷相排斥， 而正離子則與內(nèi)表面的負(fù)電荷吸引， 結(jié)果使得在接近微孔內(nèi)表面的地方，丙酮溶液中的正離子富集。當(dāng)受到一個外加角加速度作用時，璃塞兩端中的丙酮溶液所承受的壓力為

式中， p 為壓力；m 是液體的慣性質(zhì)量；ω為角速度；c 是比例常數(shù)。在壓力作用下，丙酮溶液被強(qiáng)迫通過多孔塞。于是，在靠近微孔壁的雙電層中的擴(kuò)散層將帶著正電荷一起向管的一端流動， 從而出現(xiàn)電流并導(dǎo)致電勢差產(chǎn)生。將(2) 式代入(1) 式得

從(3) 式可以看出， 流動電勢E 是加速度dω/dt的線性函數(shù)。因此，根據(jù)流動電勢的幅值即可即時測量角加速度的大小。從圖2 可以看出當(dāng)液環(huán)順時針轉(zhuǎn)動時，微孔玻璃塞中靠近微孔壁的擴(kuò)散層中的正電荷由A 向B 流動，結(jié)果在A ，B 間產(chǎn)生電勢差，電勢差的極性是B 處為正，A 處為負(fù)。反之，當(dāng)液環(huán)反時針轉(zhuǎn)動時，A ，B 間產(chǎn)生的電勢差的極性是A 處為正，B 處為負(fù)。這樣，根據(jù)流動電勢的符號(正或負(fù))即可即時測定角加速度的方向.

3 討論

液環(huán)式角加速度傳感器的兩個關(guān)鍵部件是微孔玻璃塞和液環(huán)中的液體。微孔玻璃塞中的微孔孔隙分布要均勻。因?yàn)榱鲃与妱葜慌c雙電層中的擴(kuò)散層(可移動部分) 的性質(zhì)有關(guān)，流動電荷只發(fā)生在靠近微孔壁的地方，孔徑過大會使ζ電勢減小， 流動電勢也隨之減??；孔徑過小時， 當(dāng)外加一個角加速度時，不能使液體順暢通過，仍然會影響流動電勢的產(chǎn)生。對于液環(huán)中的液體，要求有穩(wěn)定的溫度特性及化學(xué)特性，在液環(huán)腔內(nèi)不應(yīng)發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)。另外，溶液的溶沸點(diǎn)范圍要寬， 黏度要小，純度要高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，只有將這兩個關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與處理好，才能制作出穩(wěn)定性較好、精度較高的角加速度傳感器.

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