申请/专利权人：朴然

申请日：2018-10-30

公开（公告）日：2024-06-25

公开（公告）号：CN109239401B

主分类号：G01P15/12

分类号：G01P15/12

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.25#授权;2019.02.19#实质审查的生效;2019.01.18#公开

摘要：本发明涉及惯性测量技术领域，尤其是涉及一种热膨胀式流体三轴加速度计及其加工方法。该热膨胀式流体三轴加速度计采用方形结构嵌套的检测层，方形结构嵌套包括外方形结构和内方形结构，外方形结构上设置有绝缘子接线柱以及悬置于绝缘子接线柱上的金属电阻桥热敏丝；内方形结构上设置有绝缘子接线柱以及分别悬置于绝缘子接线柱上的金属电阻桥加热丝、金属电阻桥热敏丝，上密封层与下密封层组成密闭腔体，并配合相应的检测和处理信号电路，可实现三轴加速度的同时检测，因此实现了热膨胀式流体加速度计的多自由度测量。另外，该加速度计具有结构简单，制作和装配方便，成本低，功耗低，抗冲击能力强，寿命长的特点。

主权项：1.一种热膨胀式流体三轴加速度计，其特征在于，包括：上密封层、下密封层和中间检测层；所述中间检测层设置有两个相差45°的方形结构嵌套，所述方形结构嵌套包括外方形结构和内方形结构，所述外方形结构上设置有绝缘子接线柱以及悬置于绝缘子接线柱上的金属电阻桥热敏丝；所述内方形结构上设置有绝缘子接线柱以及分别悬置于绝缘子接线柱上的金属电阻桥加热丝、金属电阻桥热敏丝；所述上密封层和下密封层分别设置有内槽，所述上密封层和下密封层构成加速度计的敏感腔体，将腔体内部的气体与外界隔离以形成一个封闭的工作环境；所述外方形结构的四条边中心对称悬置四根金属电阻桥热敏丝，且各金属电阻桥热敏丝与相应边保持平行；所述内方形结构的四条边中心对称悬置四根金属电阻桥加热丝，且各金属电阻桥加热丝与相应边保持平行；在内方形结构的上侧和下侧分别悬置两根金属电阻桥热敏丝，位置与内方形结构一对角线平行；定义所述外方形结构垂直的相邻两边所在方向分别为X方向、Y方向，敏感腔体的高度方向为Z方向；所述金属电阻桥热敏丝包括检测X轴加速度的金属电阻桥热敏丝、检测Y轴加速度的金属电阻桥热敏丝、检测Z轴加速度的金属电阻桥热敏丝；检测X轴加速度的金属电阻桥热敏丝为两根，对称悬置于外方形结构X轴向两边上；检测Y轴加速度的金属电阻桥热敏丝为两根，对称悬置于外方形结构Y轴向两边上；检测Z轴加速度的金属电阻桥热敏丝为两根，对称悬置于内方形结构对角线两侧Z轴向；四个金属电阻桥加热丝的悬置高度一致，均为z1；检测X轴加速度的金属电阻桥热敏丝、检测Y轴加速度的金属电阻桥热敏丝的悬置高度一致，均为z2，满足：z1=z2；检测Z轴加速度的金属电阻桥热敏丝的悬置高度分别为z3、z4，满足：|z3|=|z4|；所述金属电阻桥热敏丝加载恒定电压；所述金属电阻桥加热丝加载周期性的方波电压，方波电压的一个工作周期包括通电时间与断电时间。

全文数据：一种热膨胀式流体三轴加速度计及其加工方法技术领域本发明涉及惯性测量技术领域，尤其是涉及一种热膨胀式流体三轴加速度计及其加工方法。背景技术在过去几十年间，以悬臂支撑梁和固体质量块作为敏感元件的微机械加速度计，易在外界的高速冲击下发生断裂或损坏，结构容易疲劳；而且，为了提高这种加速度计的灵敏度，必须将敏感元件放在真空环境中和降低气体阻尼系数；这种制作工艺成本较高且复杂。相比而言，利用流体作为敏感元件，制作而成的器件可实现结构简单、抗冲击能力强、寿命长和成本低的特点，具有优良的性能。之前，利用热对流原理制作而成的加速度计，由于热对流气体的流速较慢，且依赖重力加速度g，导致其灵敏度较低和易受外界环境的影响。以上两个因素的影响导致热对流加速度计的灵敏度无法提高，限制了热流加速度计的应用。因此，本领域技术人员致力于研发一种能够克服以上两种因素对加速度计的影响，提高加速度计的性能。公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。发明内容本发明的目的在于提供一种热膨胀式流体三轴加速度计及其加工方法，可同时实现三轴加速度的测量，结构简单、寿命长、抗冲击能力强、成本低，同时可抵抗外界环境的干扰和提高流体加速度计的灵敏度。为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：第一方面，本发明提供一种热膨胀式流体三轴加速度计，其包括：上密封层、下密封层和中间检测层；所述中间检测层设置有两个相差45°的方形结构嵌套，所述方形结构嵌套包括外方形结构和内方形结构，所述外方形结构上设置有绝缘子接线柱以及悬置于绝缘子接线柱上的金属电阻桥热敏丝；所述内方形结构上设置有绝缘子接线柱以及分别悬置于绝缘子接线柱上的金属电阻桥加热丝、金属电阻桥热敏丝；所述上密封层和下密封层分别设置有内槽，所述上密封层和下密封层构成加速度计的敏感腔体，将腔体内部的气体与外界隔离以形成一个封闭的工作环境。作为一种进一步的技术方案，所述外方形结构的四条边中心对称悬置四根金属电阻桥热敏丝，且各金属电阻桥热敏丝与相应边保持平行。作为一种进一步的技术方案，所述内方形结构的四条边中心对称悬置四根金属电阻桥加热丝，且各金属电阻桥加热丝与相应边保持平行；在内方形结构的上侧和下侧分别悬置两根金属电阻桥热敏丝，位置与内方形结构一对角线平行。作为一种进一步的技术方案，定义所述外方形结构垂直的相邻两边所在方向分别为X方向、Y方向，敏感腔体的高度方向为Z方向；所述金属电阻桥热敏丝包括检测X轴加速度的金属电阻桥热敏丝、检测Y轴加速度的金属电阻桥热敏丝、检测Z轴加速度的金属电阻桥热敏丝；检测X轴加速度的金属电阻桥热敏丝为两根，对称悬置于外方形结构X轴向两边上；检测Y轴加速度的金属电阻桥热敏丝为两根，对称悬置于外方形结构Y轴向两边上；检测Z轴加速度的金属电阻桥热敏丝为两根，对称悬置于内方形结构对角线两侧Z轴向；四个金属电阻桥加热丝的悬置高度一致，均为z1；检测X轴加速度的金属电阻桥热敏丝、检测Y轴加速度的金属电阻桥热敏丝的悬置高度一致，均为z2，满足：z1＝z2；检测Z轴加速度的金属电阻桥热敏丝的悬置高度分别为z3、z4，满足：|z3|＝|z4|。作为一种进一步的技术方案，所述金属电阻桥热敏丝加载恒定电压。作为一种进一步的技术方案，所述金属电阻桥加热丝加载周期性的方波电压，方波电压的一个工作周期包括通电时间与断电时间。作为一种进一步的技术方案，每一所述金属电阻桥加热丝由相同长度的Pt金属电阻线制成。作为一种进一步的技术方案，每一所述金属电阻桥热敏丝由相同长度的Pt金属电阻线制成。作为一种进一步的技术方案，每一所述的绝缘子接线柱的规格相同。综上所述，工作时，内方形结构上的四根金属电阻桥加热丝加热，其周围的气体受热膨胀，形成沿X、Y、Z方向运动的热膨胀流，该热膨胀流运动过程符合质量、动量和能力守恒。悬置内方形结构的两根金属电阻桥加热丝形成分别沿X轴正、负向和Y轴正向运动的热膨胀流，悬置内方形结构的另外两根金属电阻桥加热丝形成分别沿X轴正、负向和Y轴负向运动的热膨胀流，悬置内方形结构的四根金属电阻桥加热丝形成分别沿Z轴正、负向运动的热膨胀流。外方形结构四边的中心，悬置有检测X轴加速度的金属电阻桥热敏丝、检测Y轴加速度的金属电阻桥热敏丝；内方形结构的对角线两测悬置有检测Z轴加速度的金属电阻桥热敏丝；共有八根金属电阻桥热敏丝检测输入加速度引起的周围温度场的变化。具体地说，当外界输入X轴方向的加速度时，由于惯性力的作用，热膨胀流体引起腔体内部温度场的变化，根据热阻效应，沿输入加速度方向的一对金属电阻热敏丝之间发生阻值变化，通过相应的检测电路及信号处理电路，可实现输入X轴加速度值的测量。当外界输入Y轴方向的加速度时，由于惯性力的作用，热膨胀流体引起腔体内部温度场的变化，根据热阻效应，沿输入加速度方向的一对金属电阻热敏丝之间发生阻值变化，通过相应的检测电路及信号处理电路，可实现输入Y轴加速度值的测量。当外界输入Z轴方向的加速度时，由于惯性力的作用，热膨胀流体引起腔体内部温度场的变化，根据热阻效应，沿输入加速度方向的一对金属电阻热敏丝之间发生阻值变化，通过相应的检测电路及信号处理电路，可实现输入Z轴加速度值的测量。第二方面，本发明还提供一种根据所述的热膨胀式流体三轴加速度计的加工方法，其包括：S1：在铝材上制作生成内外方形嵌套的中间检测层，并在方形结构相应位置钻直径和高度与绝缘子尺寸相同的孔，用于安装绝缘子接线柱；S2：在20个孔上安装镀金绝缘子接线柱，以悬置金属电阻桥加热丝和金属电阻桥热敏丝；S3：用于悬置检测X、Y轴加速度的金属电阻桥热敏丝绝缘子接线柱的引线与用于悬置金属电阻桥加热丝绝缘子接线柱的引线裁剪出相同的长度，使检测X、Y轴加速度的金属电阻桥热敏丝与金属电阻桥加热丝处于同一平面上；S4：悬置检测Z轴加速度的金属电阻桥热敏丝绝缘子接线柱的引线出不同的长度，使检测Z轴加速度的金属电阻桥热敏丝处于X-Y平面的对称位置。采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：本发明提出的热膨胀式流体三轴加速度计，采用方形嵌套的检测层，悬置金属电阻桥加热丝和金属电阻桥热敏丝，上密封层与下密封层组成密闭腔体，并配合相应的检测和处理信号电路，可实现三轴加速度的同时检测。因此实现了热膨胀式流体加速度计的多自由度测量。另外，该加速度计具有结构简单，制作和装配方便，成本低，功耗低，抗冲击能力强，寿命长的特点。附图说明为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是实施例中热膨胀式流体三轴加速度计上密封层三维示意图；图2是实施例中热膨胀式流体三轴加速度计检测层三维示意图；图3是实施例中热膨胀式流体三轴加速度计检测层的俯视图；图4是实施例中热膨胀式流体三轴加速度计检测层的左视图；图5是实施例中热膨胀式流体三轴加速度计下密封层的三维示意图；图6是实施例中热膨胀式流体三轴加速度计下密封层的俯视图；图7是实施例中热膨胀式流体三轴加速度计下密封层的主剖视图；图8是实施例中绝缘子接线柱平面示意图。图中，1：上密封层；2：中间检测层；3：外方形结构；4：内方形结构；5：下密封层；6、7、8、9：金属电阻桥加热丝；10、11、12、13、14、15：金属电阻桥热敏丝；16、17为内槽。具体实施方式下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。实施例一参照图1至图8所示，本实施例中热膨胀式流体三轴加速度计包括上密封层1、中间检测层2、下密封层5。其中，中间检测层2上有方形嵌套外方形结构3和内方形结构4及位于外方形结构3上的金属电阻桥热敏丝10、11、12、13和位于内方形结构4上的金属电阻桥加热丝6、7、8、9和金属电阻桥热敏丝12、13。上密封层1内部为内槽16，下密封层5内部为内槽17。上密封层1和下密封层5将密闭腔体内的气体与外界隔离，形成一个密封的工作环境。如图2、图3、图4所示，中间检测层2存在方形嵌套，包括外方形结构3和内方形结构4。外方形结构3上悬置有四根金属电阻桥作为加速度计的热敏丝，内方形结构4上悬置有四根金属电阻桥作为加速度计的加热丝和两根金属电阻桥作为加速度计的热敏丝。其中，加热丝用于加热腔体内部气体形成沿X轴、Y轴和Z轴的定向热流。具体来说：在密闭腔体内，悬置的金属电阻桥加热丝6、7、8、9加载周期性方波电压而发热，其周围的气体介质受热膨胀，形成运动的热膨胀流，该热膨胀流运动过程符合质量、动量和能力守恒。可以认为，金属电阻桥加热丝6和7形成分别沿X轴正向和沿Y轴正、负向的热膨胀流，金属电阻桥加热丝8和9形成分别沿X轴负向和沿Y轴正、负向的热膨胀流，金属电阻桥加热丝6、7、8、9形成分别沿Z轴正、负向的热膨胀流。其中，热敏丝用于检测外界加速度输入引起的腔体内部温度的变化。具体来说：金属电阻桥热敏丝10、11检测X轴加速度，当外界输入X轴方向的加速度时，由于惯性力的作用，热膨胀流体引起腔体内部X-Y平面温度场发生偏移，金属电阻桥热敏丝10、11之间产生温度差，根据热阻效应，金属电阻桥热敏丝10、11之间产生阻值差，通过相应的检测电路及信号处理电路，可推算出输入X轴的加速度值；金属电阻桥热敏丝12、13检测Y轴加速度，当外界输入Y轴方向的加速度时，由于惯性力的作用，热膨胀流体引起腔体内部X-Y平面温度场发生偏移，金属电阻桥热敏丝12、13之间产生温度差，根据热阻效应，金属电阻桥热敏丝12、13之间产生阻值差，通过相应的检测电路及信号处理电路，可推算出输入Y轴的加速度值；金属电阻桥热敏丝14、15检测Z轴加速度，当外界输入Z轴方向的加速度时，由于惯性力的作用，热膨胀流体引起腔体内部沿Z轴方向温度场发生偏移，根据热阻效应，金属电阻桥热敏丝14、15之前产生阻值差，通过相应的检测电路及信号处理电路，可推算出输入Z轴的加速度值。优选的，内部方形结构上悬置的四根金属电阻桥加热丝6、7、8、9的长度相同，都是由材料和横截面积相同的Pt丝制成；外部方形结构上悬置并检测X轴方向和Y轴方向的四根金属电阻桥热敏丝10、11、12、13的长度相同，都是由材料和横截面积相同的Pt丝制成。内部方形结构上悬置并检测Z轴方形的两根金属电阻桥热敏丝14-15的长度不同，长度差小于4％，都是由材料和横截面街相同的Pt丝制成。优选的，内部方形结构上悬置的四根金属电阻桥加热丝6、7、8、9加载周期性方波电压，方波电压的一个工作周期包括通电时间与断电时间；内外部方形结构上悬置的六根金属电阻桥热敏丝10-15加载恒定电压。本发明提出的热膨胀式流体三轴加速度计，采用方形嵌套的中间检测层2，悬置金属电阻桥加热丝6、7、8、9和金属电阻桥热敏丝10-15，上密封层1与下密封层5组成密闭腔体，并配合相应的检测和处理信号电路，可实现三轴加速度的同时检测。上密封层1和下密封层5的内槽16、17高度为密闭腔体的总高度。该实施例中的腔体总高度越为腔体长度的10％，可以有效抑制腔体内部气体的自然对流。实施例二本实施例还提供一种根据实施例一所述的热膨胀式流体三轴加速度计的加工方法，其包括：S1：在铝材上制作生成内外方形嵌套的中间检测层，并在方形结构相应位置钻直径和高度与绝缘子尺寸相同的孔，用于安装绝缘子接线柱；S2：在20个孔上安装镀金绝缘子接线柱，以悬置金属电阻桥加热丝和金属电阻桥热敏丝；S3：用于悬置检测X、Y轴加速度的金属电阻桥热敏丝绝缘子接线柱的引线与用于悬置金属电阻桥加热丝绝缘子接线柱的引线裁剪出相同的长度，使检测X、Y轴加速度的金属电阻桥热敏丝与金属电阻桥加热丝处于同一平面上；S4：悬置检测Z轴加速度的金属电阻桥热敏丝绝缘子接线柱的引线出不同的长度，使检测Z轴加速度的金属电阻桥热敏丝处于X-Y平面的对称位置。最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

权利要求：1.一种热膨胀式流体三轴加速度计，其特征在于，包括：上密封层、下密封层和中间检测层；所述中间检测层设置有两个相差45°的方形结构嵌套，所述方形结构嵌套包括外方形结构和内方形结构，所述外方形结构上设置有绝缘子接线柱以及悬置于绝缘子接线柱上的金属电阻桥热敏丝；所述内方形结构上设置有绝缘子接线柱以及分别悬置于绝缘子接线柱上的金属电阻桥加热丝、金属电阻桥热敏丝；所述上密封层和下密封层分别设置有内槽，所述上密封层和下密封层构成加速度计的敏感腔体，将腔体内部的气体与外界隔离以形成一个封闭的工作环境。2.根据权利要求1所述的热膨胀式流体三轴加速度计，其特征在于，所述外方形结构的四条边中心对称悬置四根金属电阻桥热敏丝，且各金属电阻桥热敏丝与相应边保持平行。3.根据权利要求2所述的热膨胀式流体三轴加速度计，其特征在于，所述内方形结构的四条边中心对称悬置四根金属电阻桥加热丝，且各金属电阻桥加热丝与相应边保持平行；在内方形结构的上侧和下侧分别悬置两根金属电阻桥热敏丝，位置与内方形结构一对角线平行。4.根据权利要求3所述的热膨胀式流体三轴加速度计，其特征在于，定义所述外方形结构垂直的相邻两边所在方向分别为X方向、Y方向，敏感腔体的高度方向为Z方向；所述金属电阻桥热敏丝包括检测X轴加速度的金属电阻桥热敏丝、检测Y轴加速度的金属电阻桥热敏丝、检测Z轴加速度的金属电阻桥热敏丝；检测X轴加速度的金属电阻桥热敏丝为两根，对称悬置于外方形结构X轴向两边上；检测Y轴加速度的金属电阻桥热敏丝为两根，对称悬置于外方形结构Y轴向两边上；检测Z轴加速度的金属电阻桥热敏丝为两根，对称悬置于内方形结构对角线两侧Z轴向；四个金属电阻桥加热丝的悬置高度一致，均为z1；检测X轴加速度的金属电阻桥热敏丝、检测Y轴加速度的金属电阻桥热敏丝的悬置高度一致，均为z2，满足：z1＝z2；检测Z轴加速度的金属电阻桥热敏丝的悬置高度分别为z3、z4，满足：|z3|＝|z4|。5.根据权利要求4所述的热膨胀式流体三轴加速度计，其特征在于，所述金属电阻桥热敏丝加载恒定电压。6.根据权利要求4所述的热膨胀式流体三轴加速度计，其特征在于，所述金属电阻桥加热丝加载周期性的方波电压，方波电压的一个工作周期包括通电时间与断电时间。7.根据权利要求4所述的热膨胀式流体三轴加速度计，其特征在于，每一所述金属电阻桥加热丝由相同长度的Pt金属电阻线制成。8.根据权利要求4所述的热膨胀式流体三轴加速度计，其特征在于，每一所述金属电阻桥热敏丝由相同长度的Pt金属电阻线制成。9.根据权利要求4所述的热膨胀式流体三轴加速度计，其特征在于，每一所述的绝缘子接线柱的规格相同。10.一种根据权利要求1-9中任一项所述的热膨胀式流体三轴加速度计的加工方法，其特征在于，包括：S1：在铝材上制作生成内外方形嵌套的中间检测层，并在方形结构相应位置钻直径和高度与绝缘子尺寸相同的孔，用于安装绝缘子接线柱；S2：在20个孔上安装镀金绝缘子接线柱，以悬置金属电阻桥加热丝和金属电阻桥热敏丝；S3：用于悬置检测X、Y轴加速度的金属电阻桥热敏丝绝缘子接线柱的引线与用于悬置金属电阻桥加热丝绝缘子接线柱的引线裁剪出相同的长度，使检测X、Y轴加速度的金属电阻桥热敏丝与金属电阻桥加热丝处于同一平面上；S4：悬置检测Z轴加速度的金属电阻桥热敏丝绝缘子接线柱的引线出不同的长度，使检测Z轴加速度的金属电阻桥热敏丝处于X-Y平面的对称位置。

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