[發明專利]一種超聲懸浮加速度計

無效

• 申請號: 201110311290.8
• 申請日: 2011-10-14
• 公開（公告）號: CN102384983A
• 公開（公告）日: 2012-03-21
• 發明（設計）人: 陳超;王亮;馬忠良;徐兆可
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G01P15/097
• 分類號: G01P15/097
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 張惠忠

技術領域：

本發明涉及一種慣性器件領域中的加速度計，具體是超聲懸浮加速度計。

背景技術：

加速度計是利用檢測質量塊的慣性力來測量載體加速度的敏感裝置，傳統的加速度計主要有擺式加速度計、振弦加速度計和壓電加速度計等。隨著航空航天等領域對加速度計的需求日益增大，對其精度、抗干擾能力和靈敏度等方面的要求也越來越高，目前的各類加速度計面臨著技術和成本的矛盾，難以實現高性能和低成本的統一。因此，提出新原理和新結構的高精度、不受電磁干擾且靈敏度高的加速度計是很有必要的。本發明提出一種采用超聲懸浮機理來實現加速度計的功能，能在很大程度上滿足航空航天等領域對加速度計日益廣泛的需求。

發明內容：

本發明的目的就在于研制一種體積小，易于加工、裝配和使用，成本低廉，精度高，抗干擾能力強，靈敏度高，應用范圍廣的超聲懸浮加速度計。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案是：一種超聲懸浮加速度計，包括殼體，其特征在于：在所述的殼體內設置有懸浮物，在所述的殼體的底部設置有壓電陶瓷片，在殼體內下表面設置電容上極板，在懸浮物的上表面設置電容下極板。

所述的殼體包括筒壁、上蓋以及底蓋，在筒壁的上端為上蓋，在筒壁的下端為底蓋，所述的懸浮物設置在底蓋與上蓋之間，在所述的底蓋下表面設置有壓電陶瓷片，在所述的上蓋下表面設置電容上極板，在懸浮物的上表面設置電容下極板。

本發明超聲懸浮加速度計利用壓電陶瓷的逆壓電效應，通過外加電信號，使壓電陶瓷產生機械變形，從而激發底蓋定子產生超聲波振動，在底蓋定子和懸浮物之間形成超聲近場懸浮效應，產生聲輻射壓將懸浮物支撐起來，并且與底蓋定子存在數微米至數百微米的間隙距離。在懸浮物的上表面粘貼電容的下極板，而電容的上極板固定在上蓋的下表面，因此通過改變上下極板的位置可實現電容的改變。由于上極板是固定在上蓋的下表面上，因此下極板的位置改變是電容輸出值改變的關鍵。下極板粘貼在懸浮物上，因此只要使得懸浮物產生擾動就能保證電容發生改變，即外界給定一個加速度，使得懸浮物產生一個朝著與加速度方向相反的慣性力，從而改變懸浮物與底蓋定子的位置。當懸浮物的位置不發生改變時，說明近場懸浮作用產生的懸浮力與懸浮物的重力以及慣性力相抵消，因此只需從外界測得電容變化即可得到加速度的大小，其中由底蓋定子懸浮起來的總重量為電容極板和懸浮物兩者重量之和。

本發明與現有技術相比，結構更加緊湊，加工和裝配都易于實現較高的精度，同時更便于安裝和應用。由于用于敏感元件的質量沒有機械支承結構，消除了機械彈力的影響，本發明中加速度計的靈敏度在理論可以很高。

附圖說明：

圖1是超聲懸浮加速度計的結構示意圖。

圖1中的標號名稱：1.上蓋；2.電容上極板；3.筒壁；4電容下極板；5.懸浮物；6.底蓋(定子)；7.壓電陶瓷片。

具體實施方式：

下面結合附圖，對本發明作詳細說明，如圖1所示，本發明加速度計，包括由筒壁3、上蓋1以及底蓋6構成的殼體，在筒壁3的上端為上蓋1，在筒壁2的下端為底蓋6，懸浮物5置于底蓋6與上蓋1之間，在底蓋6上設置有壓電陶瓷片7，在上蓋1下表面粘貼電容上極板2，在懸浮物5的上表面粘貼電容下極板4。

本發明利用壓電陶瓷片的逆壓電效應激出底蓋即定子的振動，由此誘發其表面形成近場聲懸浮，產生支撐懸浮物的聲懸浮力，從而使懸浮物靜止在距離定子幾微米至數百微米的位置，一旦外界有振動，由測量物體的加速度變化所引起的慣性力作用將導致固定在懸浮物上的電容上下極板位置發生改變并通過外接電路使變化量輸出，從而得到加速度的大小的超聲懸浮加速度計。它主要由定子、懸浮物、電容、殼體等四部分組成。圖1是本發明的具體結構示意圖，由圖可知，加速度計的定子由底蓋6和壓電陶瓷片7組成，而壓電陶瓷片7均勻粘貼在底蓋6的下表面，底蓋6固定在筒壁3上。電容上極板2與上蓋1連為一體，兩者互不影響，而電容下極板4粘貼在懸浮物5的上表面，上下極板之間的高度與懸浮物5與底蓋6之間的高度的和是一個定值。懸浮物的運動對上下極板之間的電量不產生影響，這樣才能保證電容的變化是隨著極板間距的變化而變化，屬于單一變量。外接電容的測量電路采用運算放大器式電路，能有效地克服變間隙電容的非線性問題。

通過結構設計得到的超聲懸浮加速度計的基礎理論推導公式如下：

初始假定懸浮物穩定，此時有

F₁＝mg????????????????????????????????????????????(1)

且懸浮物穩定狀態下的懸浮力