專利名稱：對流加速度計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及MEMS加速度計，尤其涉及通過測量在外部加速度或自由對流的影響下液體流所生成的電流的變化，來測量加速度、傾角、位置和速度的基于含流體換能器的MEMS加速度計。
不同類型的加速度計在包括運輸、導(dǎo)航、機器人、家用電器、玩具和醫(yī)療器械，尤其是矯形設(shè)備的許多領(lǐng)域中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。
背景技術(shù)：
當(dāng)前，各種各樣的機械和機電儀器用于測量加速度、傾角、速度和運動，包括壓電和壓阻儀器和力平衡、電容或?qū)α骷铀俣扔嫛?br> 在存在力反饋的加速度計或伺服加速度計中，慣性物體用彈簧懸掛在兩個永磁體之間并可以在這些永磁體之間運動。通過標(biāo)準(zhǔn)電動力學(xué)方法來測量由外部加速度引起的物體位移。傳感器的信號被放大，以及所得電流經(jīng)過繞在物體上的線圈，從而生成使慣性物體恢復(fù)到其原始位置的重新平衡力。這種類型的加速度計具有高靈敏度和準(zhǔn)確度；但是，它們也存在高成本。
能夠測量角速度的另一種加速度計基于在外部加速度的影響下氣體通過噴嘴注入空腔中的現(xiàn)象?？涨痪哂袃蓚€導(dǎo)線形式的傳感元件，傳感元件被安排成使得在不存在外部加速度的情況下注入的氣體均勻地分布在傳感元件之間。在存在加速度的情況下，氣體聚集在導(dǎo)線之一附近，該導(dǎo)線變得比另一根導(dǎo)線冷。兩個傳感元件的電阻之差與角速度成正比。這種加速度計的主要缺點是存在噴嘴，從而使儀器既笨重又昂貴。
另一種類型的加速度計是對流加速度計。現(xiàn)有對流加速度計的一個例子包含安裝在殼體中心的加熱元件和相對于加熱元件對稱地排列在殼體中的兩個溫度傳感元件。在不存在外部加速度的情況下，加熱氣體相對于加熱元件對稱地循環(huán)，以及溫度傳感器基本上處于相同溫度，使得它們的讀數(shù)差接近零，從而表示靜態(tài)。在存在外部加速度的情況下，這種對稱性被打破，傳感元件處于不同溫度。然后，相應(yīng)溫度差與外部加速度成正比。這種儀器的缺點包括動態(tài)范圍低、靈敏度低、以及由于存在加熱元件，能耗高。這樣的加速度計還不能測量純轉(zhuǎn)動。
因此，迫切需要一種頻率和動態(tài)范圍寬、尺寸小、功耗低、重量輕以及成本低的高靈敏加速度計。

發(fā)明內(nèi)容
按照本發(fā)明的對流加速度計包含密封殼體，密封殼體包含具有傳感元件的安裝模塊。該殼體進一步包含液態(tài)介質(zhì)，液態(tài)介質(zhì)包含電解質(zhì)。傳感元件包含導(dǎo)電構(gòu)件，導(dǎo)電構(gòu)件的非限制性例子包括帶有孔和金屬網(wǎng)的金屬板。導(dǎo)電構(gòu)件在空間上是分離的。這種分離可以通過隔開導(dǎo)電構(gòu)件，使得它們不直接接觸，或通過用隔開材料，諸如帶有孔的介電隔片在物理上分離它們來實現(xiàn)。當(dāng)使用金屬板和介電隔片時，金屬板和介電隔片被安排成在外部加速度引起受迫對流的條件下，液態(tài)介質(zhì)流過所述孔。應(yīng)當(dāng)注意到，殼體、液態(tài)介質(zhì)和傳感元件(包括導(dǎo)電構(gòu)件和任何隔片)的組合被稱為分子電子換能器(MET，molecularelectronic transducer)。經(jīng)由傳感元件與MET連接的信號限制電子線路用于轉(zhuǎn)換隨離子到傳感元件的對流轉(zhuǎn)移而變化的輸出電流，從而允許測量加速度、速度或傾角。
本發(fā)明的一個目的是，提供一種包含密封殼體的對流加速度計，密封殼體包含液態(tài)介質(zhì)和固定在殼體中的至少一個安裝模塊，液態(tài)介質(zhì)包含液態(tài)電解質(zhì)。對流加速度計進一步具有至少一個傳感元件，傳感元件對對流敏感，固定在安裝模塊中并沉浸在液態(tài)電解質(zhì)中，液態(tài)電解質(zhì)在施加外部加速度所引起的受迫對流的條件下流經(jīng)傳感元件。對流加速度計還具有與一個或多個傳感元件連接的電路，用于放大和處理這個系統(tǒng)所生成的輸出信號。
本發(fā)明的另一個目的是，提供一種包含密封殼體的對流加速度計，密封殼體包含液態(tài)介質(zhì)和固定在殼體中的至少一個安裝模塊，液態(tài)介質(zhì)包含電解質(zhì)。安裝模塊具有一個傳感元件，該傳感元件沉浸在液態(tài)介質(zhì)中，液態(tài)介質(zhì)在施加外部加速度所引起的受迫對流的條件下流經(jīng)所述加速度計。在一些實施例中，傳感元件包括具有打出的孔的多個打孔金屬板，以及被安排成分離金屬板的具有打出孔的多個隔片。在優(yōu)選實施例中，隔片沒有空隙地位于金屬板之間并由介電材料制成。對流加速度計進一步包含與傳感元件的系統(tǒng)連接的電路，用于放大和處理這個系統(tǒng)所生成的輸出信號。
本發(fā)明還提供了一種測量角加速度、角速度或傾角的方法，該方法包括提供環(huán)形殼體，環(huán)形殼體包含液態(tài)介質(zhì)和至少一個傳感元件，傳感元件具有用打孔的介電分隔片分離并排列在殼體的橫斷面中的至少一對導(dǎo)電構(gòu)件。液態(tài)介質(zhì)在角加速度的影響下在殼體內(nèi)運動，因此，由于受迫對流，將離子向前轉(zhuǎn)移并拖到傳感元件。在這種情況下，根據(jù)傳感元件和介電板的幾何特性，來自傳感元件中的每個導(dǎo)電構(gòu)件的電流相對于不存在加速度時的電流的變化與角加速度、角速度或傾角的幅度成正比。
本發(fā)明的另一個目的是，提供一種測量角加速度和/或傾角的方法，該方法包含(1)提供固定在具有環(huán)形通道的密封殼體中的安裝模塊；(2)將對對流敏感的至少一個傳感元件固定在安裝模塊內(nèi)；(3)將包含電解質(zhì)的液態(tài)介質(zhì)加入密封殼體中；(4)將一個或多個傳感元件與電路連接；(5)通過使殼體圍繞垂直于環(huán)形通道面的加速度計靈敏軸旋轉(zhuǎn)，或通過使殼體相對于重力矢量傾斜一個角度以產(chǎn)生液態(tài)介質(zhì)的受迫對流，使殼體經(jīng)受角加速度；和(6)通過測量從一個或多個傳感元件收集的輸出電流的變化，來確定殼體的角加速度或傾角值，其中，在與一個或多個傳感元件連接的電路中生成所述輸出電流。
本發(fā)明的另一個目的是，提供一種包含密封殼體的線性加速度計，密封殼體帶有部分填充有包含電解質(zhì)溶液的液態(tài)介質(zhì)的通道。安裝模塊固定在密封殼體中，使得安裝模塊沉浸在液態(tài)介質(zhì)中。安裝模塊包含對液態(tài)介質(zhì)的對流敏感的傳感元件并沉浸在液態(tài)介質(zhì)中，使得當(dāng)線性加速度施加到對流加速度計上時，液態(tài)介質(zhì)在受迫對流的條件下流經(jīng)傳感元件。所述線性加速度計還提供與傳感元件連接的電路，其中，所述電路放大和處理所述傳感元件所生成的輸出信號。
本發(fā)明的一個目的是，提供一種靈敏度極高的加速度計。
本發(fā)明的另一個目的是，提供一種具有固有噪聲電平同時降低的寬頻率范圍和動態(tài)范圍的加速度計。
本發(fā)明的又一個目的是，提供一種可以安裝在非常窄小空間中的小型對流加速度計。
本發(fā)明的一個目的是，提供一種設(shè)計簡單和批量生產(chǎn)成本低的對流加速度計。
本發(fā)明的一個目的是，提供一種允許在寬頻率和動態(tài)范圍內(nèi)高精度地測量角加速度、角速度和傾角的角加速度、角速度和傾角測量方法。


下面參照附圖進一步舉例說明對流加速度計和用加速度計測量角加速度和傾角的方法。
圖1是具有包含四個金屬板和三個隔片的傳感元件的對流加速度計的一個實施例的示意圖；圖2是圖1的設(shè)備的側(cè)視圖；圖3是安裝模塊的一個實施例的示意圖；圖4是傳感元件的系統(tǒng)的示意圖(立體投影圖)；圖5是介電隔片或金屬板的一個實施例中的孔的排列的示意圖；圖6是圖5的設(shè)備的側(cè)視圖；圖7是具有多個金屬板，并安排介電隔片將它們分隔開的傳感元件的一個實施例的示意立體投影圖；圖8是加速度計的轉(zhuǎn)移函數(shù)在介電隔片的不同厚度值的增益-頻率特性的示意圖；圖9是導(dǎo)電構(gòu)件的實施例的示意圖，其中，所述導(dǎo)電構(gòu)件是絲狀結(jié)構(gòu)；圖10是加速度計的一個實施例的示意性正剖面圖，其中，加速度計包含保護電極；圖11是來自一對導(dǎo)電構(gòu)件的輸出電流與施加在其上的電壓差的相關(guān)性的示意圖；圖12是用于加速度計輸出電壓的溫度校正的電路的示意圖；圖13是用于加速度計輸出電壓的頻率校正的電路的示意圖；圖14示出了在不存在外部加速度的情況下，加速度計的輸出電流與堿金屬鹽的不同濃度的相關(guān)性；圖15示出了在不存在外部加速度的情況下，加速度計的輸出電流與碘的不同濃度的相關(guān)性；圖16是保護電極的一個實施例的示意圖，其中，該電極被制成螺旋環(huán)；圖17是保護電極的一個實施例的示意圖，其中，該電極被制成錐形螺旋；圖18示出了通過導(dǎo)線連接保護電極的本發(fā)明的一個實施例；圖19是包含環(huán)形通道的密封殼體的示意圖，其中，環(huán)形通道是以這樣方式制成的，外部和內(nèi)部生成形狀是偏心的，它們的圓心的分離度用e表示；圖20是其中安裝了嘴狀件的環(huán)形通道的示意圖；圖21是容納一對安裝模塊的環(huán)形通道的示意圖，這對安裝模塊沿直徑彼此相對布置，每個模塊包含具有兩個導(dǎo)電構(gòu)件的傳感元件；圖22是帶有安裝模塊的環(huán)形通道的示意圖，安裝模塊具有帶有兩對導(dǎo)電構(gòu)件的傳感元件；圖23是帶有偶數(shù)個安裝模塊和相應(yīng)傳感元件的環(huán)形通道的示意圖；圖24示出了按照本發(fā)明的線性加速度計；
圖25示出了用于按照本發(fā)明的角加速度計的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)；圖26示出了穿墻檢測實驗中行走人員的特征譜；所述數(shù)據(jù)是用24-位數(shù)字化器在320sps(即，樣本每秒)記錄的；圖27示出了相距大約2米的旋轉(zhuǎn)加速度計所記錄的人的心跳和呼吸信號(24-位數(shù)字化器在40sps)。通過改進旋轉(zhuǎn)加速度計的參數(shù)，可以將這種遠程記錄的距離提高到6米；圖28示出了出現(xiàn)在圖27中的掃描譜；圖29示出了低成本地震檢波器CB-10記錄的譜；注意，地震檢波器不檢測地下儀器所生成的低頻信號；圖30示出了CME4011寬帶測震儀記錄的鉆井設(shè)備的平移運動的X分量譜；圖31示出了CME4011寬帶測震儀記錄的鉆井設(shè)備的平移運動的Y分量譜。在1.1Hz上的峰對應(yīng)于平移運動；圖32示出了CME4011寬帶測震儀記錄的鉆井設(shè)備的平移運動的Z分量譜。在1.1Hz上的峰對應(yīng)于平移運動；圖33是分子電子旋轉(zhuǎn)傳感器的示意圖；圖34示出了3-分量MET旋轉(zhuǎn)傳感器(尺度100×100×100mm3)的照片；圖35示出了按照本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)加速度計所記錄的X分量譜；圖36示出了按照本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)加速度計所記錄的Y分量譜；和圖37示出了按照本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)加速度計所記錄的Z分量譜。
具體實施例方式
圖1和2示出了按照本發(fā)明的對流加速度計的一個實施例，它包含密封殼體1、包含在密封殼體1中的包含電解質(zhì)的液態(tài)介質(zhì)2、以及剛性地固定傳感元件4(圖1)的安裝模塊3(圖1，3)。
加速度計可以包含一個或多個安裝模塊3(圖3)，每個具有(圖1，4)對對流敏感的傳感元件4。傳感元件4(圖1)可以包含導(dǎo)電構(gòu)件5，譬如，由介電隔片6分隔開的兩對(100，200)金屬板。如圖4所示，金屬板和隔片被安排在交替層中并相互對齊，使得金屬板的孔和隔片的孔相互吻合，以便允許(例如，包含電解質(zhì)的)液態(tài)介質(zhì)流過所述孔。注意，為了簡單起見，圖4只示出了兩個導(dǎo)電構(gòu)件5(這里被顯示成金屬板)和一個隔片6，它們只具有一個孔7，作為施加外部加速度的結(jié)果，使液態(tài)介質(zhì)2自由地流過傳感元件4。但是，本發(fā)明關(guān)注帶有具有多個孔的金屬板和介電隔片的傳感元件。例如，導(dǎo)電構(gòu)件5可以是具有輸出觸點8、9、10和11的金屬板(參見圖2)，以及介電隔片6可以像圖5、6和7所示那樣被打孔。在某些實施例中，所述孔具有相同尺寸和形狀，并被安排成規(guī)則的網(wǎng)格圖案。介電隔片6插在導(dǎo)電構(gòu)件5之間，以防它們之間的可能電短路。但是，在某些實施例中，介電隔片也用于使液態(tài)介質(zhì)2層流通過傳感元件4。正如下面闡述的那樣，隔片6的厚度也影響測量的頻率范圍。隔片6中孔7的直徑d和數(shù)量再決定加速度計靈敏度，并對整個頻率工作范圍中加速度計轉(zhuǎn)移函數(shù)的頻率相關(guān)性產(chǎn)生影響。隨著孔7的數(shù)量增加和它們的直徑d增大，隔片6的流體動力學(xué)阻抗與孔7的數(shù)量和它們直徑d的4次方成反比減小。因此，通過改變孔的數(shù)量和直徑，可以改變加速度計的轉(zhuǎn)移函數(shù)。更具體地說，轉(zhuǎn)移函數(shù)的高截止頻率與流體動力學(xué)阻抗成正比，使得頻率范圍隨流體動力學(xué)阻抗增加而增加?？紤]到這一點，對于側(cè)邊尺度為1.5×1.5毫米的正方形介電隔片6，孔7的有用數(shù)量是4個或更多。此外，孔直徑的有用范圍在大約1微米到大約300微米之間，最好在大約20微米到大約200微米之間。
隔片6的材料應(yīng)當(dāng)是抗液態(tài)介質(zhì)2的腐蝕，并應(yīng)當(dāng)具有與傳感元件4的其它組件相容的熱脹系數(shù)，以免因溫度變化而受到損害?？梢允褂迷S多不同的材料，適用的材料包括，例如，元素周期表的第4族元素的氧化物或氟化物、鎂橄欖石、石英和玻璃。隔片厚度的有用范圍從大約0.5微米到大約150微米。
金屬板5和介電隔片6中的孔的形狀沒有具體限制，可以是任何形狀。在一些實施例中使用了像例如正方形、長方形、圓形和/或卵形那樣的幾何形狀。但是，由于流經(jīng)傳感元件4的導(dǎo)電構(gòu)件的電流強度與導(dǎo)電構(gòu)件與液態(tài)介質(zhì)2接觸的面積成正比，在特定優(yōu)選實施例中，孔7是帶有徑向延伸的“射線”(即，“星狀”)的圓形孔隙?？梢酝ㄟ^物理或化學(xué)方法在導(dǎo)電構(gòu)件和介電隔片中形成各種類型的孔，這些方法的非限制性例子包括沖壓、激光打孔、化學(xué)蝕刻和電化學(xué)方法。
應(yīng)當(dāng)注意到，如圖7所示，傳感元件4可以包含金屬板形式的多個導(dǎo)電構(gòu)件5和位于這些金屬板5之間的一組介電隔片6。
為特定加速度計選擇的安裝模塊3和相應(yīng)傳感元件4的數(shù)量取決于要測量的加速度的所需動態(tài)范圍、所需線性度、頻率范圍和固有噪聲電平。一般說來，增加安裝模塊和傳感元件的數(shù)量導(dǎo)致動態(tài)范圍、線性度和頻率范圍增加以及固有噪聲下降。當(dāng)導(dǎo)電構(gòu)件具有金屬板形式時，安裝4到8個這樣的金屬板和3到7個由介電材料制成的隔片是有益的。最好，將金屬板和隔片安裝成基本上相互平行，并基本上與液態(tài)介質(zhì)2的局部流動方向垂直。
導(dǎo)電構(gòu)件5之間的距離影響要求保護的加速度計的轉(zhuǎn)移函數(shù)的頻率相關(guān)性一般說來，測量加速度的所需頻率范圍越寬，導(dǎo)電構(gòu)件應(yīng)當(dāng)安裝得彼此越接近。
圖8例示了有關(guān)導(dǎo)電構(gòu)件之間的距離發(fā)生變化時加速度計的幅度-頻率特性的數(shù)據(jù)。曲線12、13和14對應(yīng)于導(dǎo)電構(gòu)件之間的距離分別等于100、40和10微米。圖8示出了對于不同的實際應(yīng)用，可以通過改變導(dǎo)電構(gòu)件之間的距離來改變加速度計的轉(zhuǎn)移函數(shù)。對于具有頻率范圍在幾kHz直到幾十kHz(例如，大約1kHz到大約20kHz)的上限截止頻率的加速度計，導(dǎo)電構(gòu)件之間的距離最好從大約1微米到大約10微米。于是，對于這個頻率范圍，當(dāng)將介電隔片用于分離導(dǎo)電構(gòu)件時，介電隔片最好應(yīng)當(dāng)是大約1微米到大約10微米厚。
對于要求保護加速度計的一些實施例，如圖9所示，導(dǎo)電構(gòu)件5可以被制成包含多個導(dǎo)線的網(wǎng)。為了提供高強度的網(wǎng)，該網(wǎng)可以被制成斜紋組織，以及輸出觸點可以通過將扁平輸出線焊接在網(wǎng)上而經(jīng)由薄片15與網(wǎng)連接。例如，當(dāng)導(dǎo)電構(gòu)件5是形狀為正方形以及側(cè)邊尺度為1.5毫米的網(wǎng)時，網(wǎng)的厚度在大約50微米到大約90微米的范圍內(nèi)，網(wǎng)可以包含直徑從大約25微米到大約45微米的導(dǎo)線。一般說來，直徑從大約10微米到90微米的導(dǎo)線可用于織造本發(fā)明的對流加速度計的網(wǎng)。鉑族(第10族)金屬是制造網(wǎng)的合適材料。但是，其它貴金屬和它們的合金或其它抗腐蝕導(dǎo)體也可以用于制造所述導(dǎo)電構(gòu)件。最好通過將導(dǎo)線電焊在一起來制成所述網(wǎng)，以便平行導(dǎo)線之間的間隔為大約20微米到大約90微米。
輸出觸點8、9、10和11可以由例如，直徑為20微米到100微米的導(dǎo)線制成。在優(yōu)選實施例中，輸出觸點具有與導(dǎo)線網(wǎng)和用于制造安裝模塊3和密封殼體1的材料相似的熱脹系數(shù)。
下文提供了優(yōu)化和操作對流加速度計的優(yōu)選方式的描述。
按照本發(fā)明的對流加速度計的性能包含三種基本特性噪聲電平、動態(tài)范圍和頻率范圍。如下所述，可以通過改變對流加速度計的某些物理屬性(例如，孔尺寸、隔片厚度)來調(diào)整這些基本特性。應(yīng)當(dāng)注意到，在一些情況下，改變某些物理屬性使基本特性之一得到改善，但使另一個變差了。不過，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，通過例行實驗，通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整本發(fā)明的對流加速度計的不同物理特性，可以達到給定性能要求。
例如，為了降低噪聲電平，應(yīng)當(dāng)減小流體動力學(xué)阻抗，并應(yīng)當(dāng)增大傳感元件的尺寸和導(dǎo)電構(gòu)件與液態(tài)介質(zhì)的接觸面。通過增加隔片和導(dǎo)電構(gòu)件中孔的數(shù)量和/或它們的直徑；當(dāng)使用網(wǎng)型導(dǎo)電構(gòu)件時增加平行導(dǎo)線之間的間隔；和/或減小隔片厚度、導(dǎo)電構(gòu)件厚度或它們兩者，可以減小流體動力學(xué)阻抗。利用大孔的厚導(dǎo)電構(gòu)件；增加孔的數(shù)量；當(dāng)使用網(wǎng)型導(dǎo)電構(gòu)件時選擇直徑較大的導(dǎo)線和/或使用軋制導(dǎo)線；和選擇具有長周長(例如，星狀)的孔形狀，可以增大導(dǎo)電構(gòu)件與液態(tài)介質(zhì)的接觸面。
雖然通過減小流體動力學(xué)阻抗使得對流加速度計的噪聲電平降低了，但動態(tài)范圍和線性度隨流體動力學(xué)阻抗增大而增大。通過安裝這里所述的嘴狀件；和/或選擇這里所述的增加流體動力學(xué)阻抗的內(nèi)部和外部生成形狀，可以增加流體動力學(xué)阻抗。
除了在前一段中所述的方法之外，通過減小隔片的厚度，和/或使用較小直徑的孔，也可以增大對流加速度計的頻率范圍。
舉一個例子來說，當(dāng)帶有一個安裝模塊和沒有嘴狀件的對流加速度計具有直徑為9毫米的環(huán)形通道、以及傳感器元件帶有厚度為30微米的導(dǎo)電構(gòu)件、厚度為30微米的隔片和直徑為200微米的相應(yīng)孔時，對流加速度計具有如下性能特性頻率范圍0-1000Hz，相對于1rad/sec2/√Hz，噪聲電平-85dB，和相對于1Hz的通帶1Hz中的噪聲，動態(tài)范圍138dB。
在例如施加給密封殼體1的角加速度沿箭頭A(參見圖10)的情況下，液態(tài)介質(zhì)2開始流過對對流敏感的導(dǎo)電構(gòu)件5。這樣，作為溶解的鹽和碘(例如，來自金屬碘的溶解)的離子存在的電荷被帶到導(dǎo)電構(gòu)件5之一并從相鄰導(dǎo)電構(gòu)件析出，從而在傳感元件4中生成其值與施加的加速度成正比的電流。為了進一步放大和處理從這些導(dǎo)電構(gòu)件5收集的電信號，通過接線端8、9、10和11(圖2)將導(dǎo)電構(gòu)件5與電路16連接(圖2)。在圖10中示意性地示出了這個電路。
該電路包含運算放大器17，用于將從導(dǎo)電構(gòu)件5收集的電流轉(zhuǎn)換成電壓。這樣，運算放大器17的反饋電路中的電阻18決定從導(dǎo)電構(gòu)件5收集的輸出信號的總放大因子。該電路還包括加法器19，加法器19用于差分連接兩對(100，200)導(dǎo)電構(gòu)件5。在這種情況下，來自兩對(100，200)導(dǎo)電構(gòu)件5的差分電流與取決于導(dǎo)電構(gòu)件5和介電隔片6的幾何特性的角加速度、角速度或傾角的幅度成正比。電源20用作所有電路的電源。電源20的連接如下電源20的正端與導(dǎo)電構(gòu)件5的輸出觸點8和11連接，以及電源20的負(fù)端和導(dǎo)電構(gòu)件5的輸出觸點9和10與運算放大器17的輸入端連接。在不存在使液態(tài)介質(zhì)2在與電源20的正負(fù)端連接的導(dǎo)電構(gòu)件之間對流的外部加速度的情況下，直流電JA經(jīng)過電路。如圖11所示，這個電流的值取決于施加電壓U的值。在這種情況下，與電源20的負(fù)端連接的導(dǎo)電構(gòu)件5之間的空間幾乎沒有電荷載流子。當(dāng)加速度計經(jīng)受圖10中箭頭A所指方向的外部加速度時，液態(tài)介質(zhì)2將附加電荷帶到第一導(dǎo)電構(gòu)件5并從第二導(dǎo)電構(gòu)件帶走電荷。相應(yīng)地，從第一導(dǎo)電構(gòu)件5收集的電流增加，以及從第二導(dǎo)電構(gòu)件收集的電流減小。由于從兩個導(dǎo)電構(gòu)件5收集的電流幾乎獨立于運算放大器17的反饋電路中的電阻18，液態(tài)介質(zhì)2的運動所引起的電流的小變化導(dǎo)致在電阻18兩端出現(xiàn)高電壓。因此，在傳感元件4中，信號被放大，并且根據(jù)電阻18的值，放大因子可以高達107。于是，僅通過液態(tài)介質(zhì)2形式的小慣性質(zhì)量，流加速度計具有極高靈敏度。
將導(dǎo)電構(gòu)件與電路連接的可替代方式包括將電源的正端和導(dǎo)電構(gòu)件5的輸出觸點8和11連接到運算放大器17的輸入端，并將導(dǎo)電構(gòu)件5的輸出端9和10直接連接到電源的負(fù)端。但是，在這種情況下的電子噪聲在高頻上較高。
將導(dǎo)電構(gòu)件與電路連接的又一種方式是將電源的正端和導(dǎo)電構(gòu)件5的輸出觸點8和11與一對運算放大器的輸入端連接，并將電源的負(fù)端和導(dǎo)電構(gòu)件5的輸出端9和10與另一對運算放大器的輸入端連接。加法器將具有與每個運算放大器的輸出端連接的四個輸入端，使得加法器的輸出是從每個運算放大器收集的電壓的線性組合。在這種情況下，電子噪聲在高頻上較高以及在極低頻上較低。
正如下面闡述的那樣，校正電子線路也可以用于通過補償因環(huán)境溫度變化引起的輸出電壓波動，從而補償頻率特性變化來提高加速度計的溫度穩(wěn)定性。環(huán)境溫度的變化可能通過改變液態(tài)介質(zhì)2的粘性來影響加速度計的輸出信號。電子補償溫度相關(guān)性的公知方法可以用在本發(fā)明中。在一個實施例中，溫度系數(shù)與液態(tài)介質(zhì)2的溫度粘滯系數(shù)一致的半導(dǎo)體熱敏電阻21(圖12)用于補償溫度變化。
來自加法器19(在圖12中未示出)的輸出端的信號通過電阻22饋入運算放大器23的輸入端，運算放大器23的反饋電路包括熱敏電阻21以及調(diào)整電阻24和25。當(dāng)運算放大器23被插入如圖12所示的電路中時，其中，b和c是運算放大器23的輸入端，以及d和e用于與電源20(在圖12中未示出)連接，它的放大因子隨溫度的變化而變化，以便不管環(huán)境溫度是否發(fā)生變化，都能提供加速度計的恒定頻率特性。根據(jù)所需應(yīng)用，用于加速度計的轉(zhuǎn)移函數(shù)的頻率補償?shù)碾娐芬部梢杂糜跀U大加速度計的有效頻率范圍。例如，通過利用頻率校正電路，可以將帶有厚度為25-40微米的介電隔片6的加速度計的頻率范圍擴大到隔片厚度為6.5到8微米的加速度計的頻率范圍。
在圖13中給出了頻率校正電路的例子。
來自加速度計的輸出信號Vout提供給頻率校正電路的輸入端，以便在輸出端上產(chǎn)生擴展通帶。頻率校正電路包含如圖所示連接的運算放大器26。加法器19(在圖13中未示出)的輸出電壓通過電阻27提供給運算放大器26的輸入端f。輸入端g接地，以及h和i用于連接電源20(在圖13中未示出)。電阻28設(shè)置加速度計的靈敏度，而由電殼體29和電阻30組成的校正電路R2C1與電阻27一起限制高頻的放大并用于形成加速度計的所需通帶。
加速度計的靈敏度還取決于包含在殼體1中的液態(tài)介質(zhì)2的物理和化學(xué)特性。在優(yōu)選實施例中，希望液態(tài)介質(zhì)2在最大溶度上具有最小粘度。并且，液態(tài)介質(zhì)可以包含鹽(例如，堿金屬或堿土金屬鹽)和能夠用作路易斯(Lewis)酸和路易斯堿的溶質(zhì)，譬如，溶解的金屬碘。適用于這種目的的溶劑包括，例如，能夠溶解有機或無機鹽，最好是諸如堿性鹽的金屬鹽的蒸餾水和有機溶劑。當(dāng)溶解堿金屬鹽時，溶液的密度增加，導(dǎo)致加速度計的靈敏度增加。因此，在某些實施例中，希望溶解鹽的濃度高，最好接近溶度極限。一般說來，溶解鹽的有用濃度范圍為大約0.5摩爾/升到大約4.0摩爾/升，最好為大約2摩爾/升到大約4摩爾/升。此外，鹽和用作路易斯酸/堿的溶質(zhì)(例如，碘)的純度應(yīng)當(dāng)至少98.5％，但在大多數(shù)情況下，最好99.98％。加速度計的電流輸出由溶解金屬碘的濃度決定，溶解金屬碘的離子是能夠從導(dǎo)電構(gòu)件5接收電子和將電子歸還給導(dǎo)電構(gòu)件5的電荷載流子。因此，讓上面的鹽變成飽和溶液并讓溶解金屬碘的最小濃度達到0.0002N是有益的。這種濃度的溶解鹽使儀器可以在負(fù)溫度低到例如-70℃的寬范圍內(nèi)工作。金屬碘濃度可以較低，但在這種情況下，要求保護的加速度計的電流輸出可能不足以使包括用于溫度和頻率校正的電路在內(nèi)的電路正常工作。溶解金屬碘的有用濃度范圍為大約0.0002摩爾/升到大約0.4摩爾/升，最好，大約2摩爾/升到大約4摩爾/升。溶解鹽可以包含元素周期表的第II族的金屬的鹽，它們在流體中具有不低于堿金屬鹽的溶度。最適用于這個目的是例如鋇鹽，對于鹽溶質(zhì)的給定摩爾濃度，在最大溶度上，它們具有比堿金屬鹽的相應(yīng)溶液密度大1.5倍的溶液密度。
除了靈敏度之外，加速度計的重要特性是它的固有噪聲電平。當(dāng)安裝加速度計時，用作電荷載流子的碘離子受重力影響，并可能聚集在傳感元件5的底部附近。其結(jié)果是，溶液密度發(fā)生局部變化，從而引起自由對流。密封殼體1內(nèi)自由對流的存在導(dǎo)致波動，并甚至導(dǎo)致在不存在外部加速度的情況下，加速度計的輸出端上的電流的自激振蕩。鹽和金屬碘的含量的嚴(yán)格平衡可以使振蕩得以避免，并最小化自由對流的噪聲的影響。圖14和15給出了與溶解鹽和金屬碘的不同溶度有關(guān)的數(shù)據(jù)，其中，橫坐標(biāo)是觀察時間，以及縱坐標(biāo)是在不存在外部加速度的情況下要求保護的加速度計的輸出電流值。
在圖14中，輸出電流被描繪成在0.0002摩爾/升的恒定碘濃度上，不同KI濃度的函數(shù)。曲線31-34分別對應(yīng)于4、3、2和0.2摩爾/升的KI濃度。在圖14中給出的數(shù)據(jù)的比較表明，在碘的固定濃度上，由自由對流引起的輸出電流的幅度在2摩爾/升的堿金屬鹽濃度上是可接受的，即使堿金屬鹽濃度下降，它幾乎沒有變化。
在圖15中，曲線35-38分別對應(yīng)于0.8摩爾/升、0.5摩爾/升、0.1摩爾/升、0.02摩爾/升的溶解金屬碘濃度。關(guān)于這些研究，金屬碘溶解在2MKI溶液中。數(shù)據(jù)比較表明，在固定堿金屬鹽濃度上，由自由對流引起的輸出電流的幅度在0.02摩爾/升的碘濃度上最小。隨著碘濃度進一步下降，輸出電流單調(diào)減小。
基于上述相同原理，這里所述的對流加速度計還用作傾角計，除了外部加速度的作用被加速度計靈敏軸相對于重力矢量的傾角所取代。應(yīng)當(dāng)注意到，靈敏軸取決于所涉及的加速度計的類型。例如，對于這里所述的具有填充液態(tài)介質(zhì)的環(huán)形通道的旋轉(zhuǎn)加速度計(參見例如，圖1)，靈敏軸與環(huán)形通道所定義的平面垂直。另一方面，這里所述的具有部分填充液態(tài)介質(zhì)的環(huán)形通道的線性加速度計(參見例如，圖24)的靈敏軸具有在環(huán)形通道所定義的平面內(nèi)的靈敏軸。在任何情況下，當(dāng)要求保護的加速度計傾斜時，液態(tài)介質(zhì)2開始運動，以及加法器19產(chǎn)生與傾角成正比的電壓。
如下的描述提供了本發(fā)明的一些示范性實施例。
在一個實施例中，如圖10所示，可以在距離導(dǎo)電構(gòu)件5的固定距離安裝兩個附加電極39和40。一般說來，保護電極應(yīng)當(dāng)盡可能接近傳感元件的最外面的導(dǎo)電構(gòu)件，以及在一些實施例中甚至可以接觸。在其它實施例中，傳感元件的最外面導(dǎo)電構(gòu)件與保護電路相隔大約5微米到大約120微米。附加保護電極39和40的存在導(dǎo)致在導(dǎo)電構(gòu)件5以外的電荷載流子的濃度空間不均勻，從而減小由容積中和導(dǎo)電構(gòu)件5的表面附近的液態(tài)介質(zhì)密度差引起的自由對流。對于這種應(yīng)用，附加保護電極39和40的形狀沒有具體限制，一般可以是(1)與液態(tài)介質(zhì)2的接觸面大(即，等于或大于導(dǎo)電構(gòu)件與液態(tài)介質(zhì)之間的接觸面的接觸面)，和(2)對流體動力學(xué)阻抗的貢獻最小(即，至少傳感元件的流體動力學(xué)阻抗的二分之一)的任何形狀。例如，保護電極可以具有環(huán)狀螺旋41(圖16)、錐形螺旋42(圖17)、或像如圖9所示的扁平網(wǎng)那樣的形狀。為了提供高工作穩(wěn)定性，如圖18所示，保護電極39和40最好通過導(dǎo)電構(gòu)件43互連。在優(yōu)選實施例中，保護電極39和40(圖10)與電源20的正端連接。并且，當(dāng)像下面更全面描述的那樣，使用不止一個安裝模塊時，最好為每個安裝模塊提供相應(yīng)保護電極。
密封殼體1(圖1)用于容納液態(tài)介質(zhì)2并防止液態(tài)介質(zhì)2的任何泄漏或蒸發(fā)。許多類型的材料或材料組合可以用于制造密封殼體1，只要這些材料或材料組合對液態(tài)介質(zhì)2呈現(xiàn)化學(xué)穩(wěn)定和非導(dǎo)電表面即可。例如，密封殼體1可以根據(jù)利用擴散焊的標(biāo)準(zhǔn)陶瓷技術(shù)制成，也可以由石英、玻璃、或化學(xué)穩(wěn)定塑料材料制成。輸出觸點8、9、10和11是密封端并用于將導(dǎo)電構(gòu)件5與電路連接。在某些實施例中，提供了與密封殼體1做在一起的頂箱44，頂箱44用作膨脹體，以便在環(huán)境溫度波動的寬范圍內(nèi)補償液態(tài)介質(zhì)2的熱膨脹。液態(tài)介質(zhì)2通過入口45進入密封殼體1。
密封殼體1(圖19)可以配有也填充有液態(tài)介質(zhì)2的通道46。通道46的形狀由外部和內(nèi)部生成形狀限定，外部和內(nèi)部生成形狀可以是相同類型的形狀或不同類型的形狀。生成形狀的類型沒有具體限制，可以是任何封閉形狀(例如，橢圓形、圓形、長方形、正方形、卵形或甚至不規(guī)則形狀)。例如，當(dāng)外部和內(nèi)部生成形狀是圓形，以及通道的橫斷面是圓形時，通道包含環(huán)形管道。應(yīng)當(dāng)注意到，本發(fā)明也關(guān)注非環(huán)形管道，包括可以具有相同或不同內(nèi)部和外部生成形狀的那些管道、和/或不具有圓形橫斷面的管道。但是，環(huán)形管道的有利之處在于，最小化可以由引起加速度計響應(yīng)的變化的外部環(huán)境的溫度和壓力變化所引起的可能殼體變形的影響。于是，甚至在存在環(huán)境干擾的情況下，帶有環(huán)形管道的加速度計也可以提高對在外部加速度的影響下由受迫對流引起的液態(tài)介質(zhì)2的運動的靈敏度。通道46包含通常通過毛細(xì)管47(圖2)進入的液態(tài)介質(zhì)2，毛細(xì)管47讓液態(tài)介質(zhì)2自由地從頂箱44流入環(huán)形通道46(圖19)中。環(huán)形通道46可以以這樣的方式制成，那就是，內(nèi)部和外部生成形狀是相互偏心的。內(nèi)部和外部生成形狀的偏心度用e表示，e代表內(nèi)部和外部生成形狀的中心之間的距離。對于某些優(yōu)選實施例，e可以在大約0.1毫米到大約5毫米之間變化。對于高頻應(yīng)用，讓對流加速度計具有大的e值(即，≥1毫米，參見圖19)是有益的，因為加速度計的截止頻率隨e值增加而增大。
另外，在一些實施例中，可以通過利用“嘴狀件”改變對液態(tài)介質(zhì)2的運動的流體動力學(xué)阻抗值，來改變對流加速度計的頻率范圍。這里，“嘴狀件”被定義成添加到密封殼體以便提高通道46的流體動力學(xué)阻抗的物體。例如，可以將嘴狀件安裝在通道46的一個壁上(圖20)。這個部件的存在導(dǎo)致通道46局部收縮，從而提高流體動力學(xué)阻抗。嘴狀件48的數(shù)量可以改變，并可以通過首先確定特定頻率范圍所需的流體動力學(xué)阻抗，然后確定達到那個流體動力學(xué)阻抗所需的嘴狀件數(shù)量來確定。正如本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所理解的那樣，這些參數(shù)可以從例行實驗中確定。作為利用嘴狀件的一種替代手段，通過選擇提供通道的必要收縮的內(nèi)部和外部生成形狀，可以實現(xiàn)通道46的局部收縮，以達到所需流體動力學(xué)阻抗。例如，如果對內(nèi)部生成形狀是直徑為d的圓形的環(huán)形對流加速度計進行修改，以便內(nèi)部生成形狀是側(cè)邊尺度為d的正方形，那么，修改的加速度計的流體動力學(xué)阻抗將大于原加速度計的流體動力學(xué)阻抗。這是因為通道在伸到通道中的正方形角上被局部收縮了。
導(dǎo)電構(gòu)件5可以彼此等距離地排列在安裝模塊3(圖1)的中心，以便最小化靜態(tài)下流過每對導(dǎo)電構(gòu)件100、200的電流的絕對值之間的差，并最小化每對導(dǎo)電構(gòu)件的幅度-頻率特性相對于另一個的偏差。導(dǎo)電構(gòu)件5可以位于與安裝模塊3的壁相距固定距離以避免可能的未對齊。當(dāng)導(dǎo)電構(gòu)件具有網(wǎng)形式(參見圖9)時，介電隔片中的孔的中心最好與網(wǎng)中單元(即，導(dǎo)線之間的空間)的中心相對。最好，網(wǎng)的區(qū)域應(yīng)當(dāng)與隔片中的孔所覆蓋的區(qū)域重疊，邊緣等于孔的半徑。為了提高加速度計的特性的線性度，環(huán)形通道46(圖19)可以配有沿直徑彼此相對布置的兩個安裝模塊3(圖21)。每個安裝模塊3至少包括一對導(dǎo)電構(gòu)件，但為了提高加速度計的靈敏度，如圖22所示，安裝模塊3可以包括第二對導(dǎo)電構(gòu)件。安裝模塊3的數(shù)量可以改變，但在一些實施例中，最好使用偶數(shù)個安裝模塊3，以及對稱地排列并圍繞密封殼體均勻地隔開安裝模塊，以便提高加速度計響應(yīng)的線性度(例如，參見圖23)。在優(yōu)選實施例中，圍繞環(huán)形密封殼體將安裝模塊對稱地排列成10或更小空間公差。在這種情況下，通過對從每對導(dǎo)電構(gòu)件獲得的數(shù)據(jù)求平均，可以相當(dāng)大地提高加速度計測量的精度，因為測量誤差隨安裝模塊的數(shù)量n增加以1/sqrt(n)減小。一般說來，將安裝模塊和導(dǎo)電構(gòu)件的數(shù)量選擇成在高靈敏度和截止頻率之間達到最佳平衡。
本發(fā)明還提供了能夠測量線性加速度的加速度計。在一個實施例中，線性加速度計包含只部分充有如這里所述的液態(tài)介質(zhì)的環(huán)形管道。如圖24所示，這種線性加速度計的環(huán)形管道是這樣取向的，環(huán)形面與重力g的方向平行，以及包含傳感元件的至少一個安裝模塊3是這樣安裝的，它淹沒在環(huán)形管道中的液態(tài)介質(zhì)中。在優(yōu)選實施例中，環(huán)形通道一半充有液態(tài)介質(zhì)2。這種線性加速度計的靈敏軸A位于圓環(huán)定義的平面內(nèi)并與重力方向垂直。當(dāng)加速度計經(jīng)受具有沿靈敏軸的分量的加速度時，液態(tài)介質(zhì)響應(yīng)加速度，如圖24中的曲線箭頭所指的那樣流動，導(dǎo)致如虛線所指的那樣，圓環(huán)的不同部分中液態(tài)介質(zhì)2的水平面發(fā)生變化。由傳感元件以基本上與針對上述角加速度計所述相似的方式檢測液態(tài)介質(zhì)的這種運動。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，非環(huán)形形狀也可以用于線性加速度計。作為一個非限制性例子，內(nèi)部和外部生成形狀可以是同心長方形或卵形。
利用加速度計收集的數(shù)據(jù)，通過數(shù)學(xué)方法，例如利用在現(xiàn)有技術(shù)中公知的計算機積分方法也可以計算速度和位移。因此，本發(fā)明可以用作加速度計、傾角計和速度或位移的測量設(shè)備。
加速度計的外部尺度可以做得很小，使整個設(shè)備可以放在標(biāo)準(zhǔn)新式14-管腳芯片中，并可以具有安裝在標(biāo)準(zhǔn)卡上的輸出配置。對于包括家用電器、娛樂設(shè)備、控制和穩(wěn)定系統(tǒng)、海洋、地面和空中導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)、汽車和診斷臺的監(jiān)視系統(tǒng)、矯形設(shè)備、神經(jīng)外科儀器和侵入報警系統(tǒng)的各種各樣應(yīng)用，按照本發(fā)明的設(shè)備都可以做得足夠小。加速度計可以安裝成水平的、垂直的或傾斜成任意角度。
至于靈敏度、頻率和動態(tài)范圍，按照本發(fā)明的加速度計比相同尺度的所有現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備好至少兩個數(shù)量級。設(shè)計簡單、低生產(chǎn)成本和在不同條件下的高工作可靠性使它非常適合十分不同實際應(yīng)用中的大規(guī)模使用。
雖然上面參照本發(fā)明的特定實施例對本發(fā)明作了詳細(xì)描述，但對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，顯而易見，可以作出各種各樣的改變和修改，和可以應(yīng)用各種各樣的等效物，而不偏離本發(fā)明的精神和范圍。
例1
這個例子提供了具有單個安裝模塊的角加速度計。安裝模塊被安裝在具有如下參數(shù)的環(huán)形密封殼體中1.直徑9毫米；2.通道尺寸2×2毫米；3.e值零。
傳感元件包含由3個隔片分隔開的4個電極。電極是具有2×2毫米面積和直徑為200微米的9個圓孔的30微米厚金屬板。隔片是具有2.5×2.5毫米面積的45微米石英板。隔片也具有直徑為200微米的9個圓孔。
對于20-1000Hz頻率范圍，利用旋轉(zhuǎn)振蕩振動臺(IMV，日本)，以及對于0.08-40Hz頻率范圍，利用俄羅斯分子電子技術(shù)中心(Center for Molecular Electronics(CME)，Russia)為這些測試提供的旋轉(zhuǎn)振蕩校準(zhǔn)器來測量加速度計的轉(zhuǎn)移函數(shù)。
在20-1000Hz頻率范圍內(nèi)，以80-400rad/s2范圍內(nèi)的恒定角加速度來驅(qū)動IMV振動臺。測試傳感器輸出信號由Velleman數(shù)字PC示波器/譜分析器PCS32i記錄和分析。
CME校準(zhǔn)器的最大角位移是1°。這個值限制了最大加速度，因此，限制了傳感器的輸出信號，尤其在低頻上。其結(jié)果是，在低頻上，傳感器的輸出信號可以下降到校準(zhǔn)處理中使用的12-位數(shù)字化器的分辨閾值以下。因此，以借助于這種設(shè)備可達到的最大角位移來驅(qū)動校準(zhǔn)器。另外，使用了對于0.08-3Hz頻率范圍，放大因子為100的前置放大器。利用與校準(zhǔn)器設(shè)置結(jié)合在一起的特定硬件和軟件來累積和處理校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。
換算成原加速度計增益的所得曲線顯示在圖25中。
噪聲測試在夜間進行。24-位高分辨率數(shù)字化器用于記錄數(shù)據(jù)長達6個小時。放置兩個相同加速度計，靈敏軸排列在相同方向上，以及相關(guān)數(shù)據(jù)處理技術(shù)用于從記錄數(shù)據(jù)中減去地震信號和數(shù)字化器自噪聲的相關(guān)部分。通過對16個樣本求平均來計算最終噪聲。在這種情況下，發(fā)現(xiàn)傳感器的自噪聲本底在0-500Hz頻率范圍內(nèi)是頻率無關(guān)的。在減去了信號的相關(guān)部分(排除數(shù)字化器自噪聲)之后，發(fā)現(xiàn)自噪聲本底的絕對值相對于1rad/sec2/√Hz，等于-85dB。綜合噪聲具有如下值在1Hz上，在通帶1Hz中，-5×10-5rad/sec2。
傳感器的整個范圍大于或等于400rad/sec2。對于這個范圍，諧波失真和與信號電平的增益相關(guān)性都在等于4％的實驗設(shè)備精度以下。此外，定義成傳感器整個范圍與噪聲電平之比的動態(tài)范圍具有如下值相對于1Hz上通帶1Hz中的噪聲，138dB。
例2要求保護的對流加速度計的極其重要應(yīng)用之一是用于提高住宅安全性。為了達到這個目的，可以以許多方式使用加速度計。這里描述三個非限制性例子侵入者檢測、侵入者識別和遠程測謊。
關(guān)于侵入者檢測，要求保護的對流加速度計的高靈敏度允許通過檢測侵入者腳步和/或諸如心跳和呼吸的生理信號，甚至通過建筑物的墻體和地板來遠程感測侵入者的存在。圖26示出了如安裝在地板上的旋轉(zhuǎn)加速度計所檢測的行走人員的特征譜。注意，盡管人正行走在另一層上并與加速度計相距超過10米，也可以區(qū)分他的分離腳步(用箭頭標(biāo)記)。圖27示出了與人相距大約2米的旋轉(zhuǎn)加速度計所記錄并用24-位數(shù)字化器以40sps(即，40個樣本每秒)處理的人的心跳和呼吸信號。通過增加傳感器尺度和減小加速度計的流體動力學(xué)阻抗，可以將這樣遠程記錄的距離提高到6米。利用這里所述的對流加速度計的遠程感測比基于光學(xué)或紅外的侵入者檢測方法有利，基于光學(xué)或紅外的侵入者檢測方法往往要求在侵入者與檢測器之間存在直接視線。
除了侵入者檢測之外，要求保護的加速度計還可以用于根據(jù)人的生理信號來識別他。例如，圖28例示了利用按照本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)加速度計獲得的人的心跳和呼吸信號的頻率譜(“生理震動圖”)。如圖所示，不同譜特征已被指定成個人的呼吸和心跳。由于人們一般具有不同的心率和呼吸模式，根據(jù)這樣的參數(shù)來生成個人體征的能力對于識別個人或區(qū)分兩個或更多個人是非常寶貴的。
本發(fā)明還關(guān)注將加速度計用于遠程測謊。正如在現(xiàn)有技術(shù)中已知的那樣，某些類型的測謊儀通過檢測人說謊時神經(jīng)更加緊張而引起的人的心率變化來工作。由于這里所述的對流加速度計能夠遠程檢測心跳，所以對流加速度計可以用作遠程測謊儀。例如，通過將對流加速度計安裝在機場檢票口附近(例如地板下)，機務(wù)人員就可以確定當(dāng)詢問潛在旅客的行李內(nèi)容時，他是否變得更加神經(jīng)緊張。此外，由于感測是遠程完成的，因此是暗中完成的，即使真的是恐怖分子，潛在旅客也不知道讓自己平靜下來而給出假的讀數(shù)，如果將他綁在傳統(tǒng)測謊器上，他可能就會這樣做。這樣，就可以獲得潛在旅客情緒狀態(tài)的更精確評估。
例3這個例子示出了按照本發(fā)明的對流加速度計可能適用于地震應(yīng)用，譬如，地震成像或石油勘探。尤其，如這里所述的旋轉(zhuǎn)加速度計可以適用于測量不同地震區(qū)，或更準(zhǔn)確地說，直接測量位移區(qū)的curl。與此不同，不同地震區(qū)的現(xiàn)有技術(shù)測量是間接的，需要兩個隔開的線性傳感器和基于線性傳感器輸出的一系列計算。
通過使用如這里所述的線性和旋轉(zhuǎn)加速度計的組合，通過3D高分辨率地震測量可以獲得足夠多的有關(guān)地下地質(zhì)條件的信息。與只能記錄地震聲波信號的第一次到達的傳統(tǒng)地震檢波器不同，旋轉(zhuǎn)和線性加速度計的組合分開地通過旋轉(zhuǎn)傳感器捕獲橫波的第一次到達，以及通過線性傳感器捕獲縱波的第一次到達。這是因為旋轉(zhuǎn)傳感器對平移運動不敏感以及線性傳感器對旋轉(zhuǎn)運動不敏感。因此，可以高精度地測量Δt＝t1-tt，其中，t1和tt分別是縱波和橫波第一次到達的時刻?？v波和橫波的分開到達允許不僅確定楊氏模量而且確定泊松比。因此，使以高得多的精度識別媒體沿著波傳播方向的特性成為可能。
所推薦儀器的另一個優(yōu)點是，允許在特定安裝點之間內(nèi)插來自旋轉(zhuǎn)和線性加速度計組合的數(shù)據(jù)，確定這些點之間的地震區(qū)，從而與傳統(tǒng)手段相比，用相同或較少測量點數(shù)就可以獲得地震區(qū)的高分辨率圖像。
下面提供了利用按照本發(fā)明的線性和旋轉(zhuǎn)加速度計構(gòu)造的廉價高分辨率3D地震儀器的參數(shù)。
●頻率范圍1-1000Hz；●動態(tài)范圍126dB；●噪聲電平對于旋轉(zhuǎn)通道，5×10-5rad/sec2/√Hz，以及對于線性通道，10-6m/sec2/√Hz；●功耗來自12V的5mA；●溫度范圍-40℃到+55℃(可選地，直到+100℃)；●總組合傳感器系統(tǒng)尺度直徑30mm；長度170mm。
傳感器的高靈敏度和小尺寸使人們可以從根本上簡化測量并降低它們的費用，因為可以減小鉆孔的直徑，增大它們之間的距離，和降低信號源的功率。這顯著地增加了可獲得的信息量，并提高了3D地震測量的分辨能力。
本發(fā)明的對流加速度計還為油氣萃取和/或勘探期間的鉆井設(shè)備控制創(chuàng)造了新的機會。一般說來，存在兩種在油氣萃取期間控制鉆井設(shè)備的手段(1)將傳感器放在鉆頭上。在這種情況下，存在在高振動和溫度環(huán)境下傳感器正常工作和將數(shù)據(jù)發(fā)送到表面的幾方面問題；或(2)將傳感器放在地表上。在這種情況下，傳感器應(yīng)當(dāng)極其靈敏，以檢測鉆井設(shè)備生成的信號，并且還能夠在嘈雜環(huán)境下選擇有用信號。
本例把注意力集中在第二種手段上，尤其使用配有低噪聲、高質(zhì)量、寬帶對流加速度計的地震網(wǎng)絡(luò)，這種對流加速度計可以與測量地震參數(shù)類似地測量鉆井設(shè)備參數(shù)。利用傳統(tǒng)傳感器獲得的譜顯示在圖29-32中。在這些研究中，傳感器被安裝在地表上。這些數(shù)據(jù)是為低成本垂直地震檢波器(型號CB-10，頻率范圍5-120HzGuralp(英國)型號CMG40T的俄羅斯類似設(shè)備)、和線性三分量寬帶測震儀(型號CME4011，頻率范圍0.033-20HzMark Products(美國)型號L28的俄羅斯類似設(shè)備)顯示的。傳感器處在與鉆機相距600米的位置，而工作鉆頭位于地表下大約1公里深的地方。實驗是在春季洪水泛濫期間進行的，鉆機和傳感器位于被淺水分隔開的兩個小島上。
從上面給出的數(shù)據(jù)中可以得出如下結(jié)論(1)低成本垂直地震檢波器(29)不能檢測地下設(shè)備所產(chǎn)生的低頻信號，因此，對于本實驗來說是無用的；(2)寬帶測震儀記錄與鉆井設(shè)備的平移運動相對應(yīng)的峰(在圖31-32中，1.1Hz上的峰)；和(3)沒有用在測試中的線性加速度計檢測到與鉆頭旋轉(zhuǎn)相對應(yīng)的譜分量。
但是，用分辨率為5×10-7rad/sec和頻率范圍為0.05-100Hz的旋轉(zhuǎn)對流加速度計測量了鉆頭旋轉(zhuǎn)。它的工作原理例示在圖34中。圖34給出了三分量旋轉(zhuǎn)對流加速度計的圖像，和圖35-37示出了用三分量旋轉(zhuǎn)傳感器記錄的譜。只有旋轉(zhuǎn)傳感器檢測到與鉆頭旋轉(zhuǎn)的頻率(0.8Hz)和它的2次和3次諧波(相應(yīng)地，1.6和2.4Hz)相對應(yīng)的頻率。這些峰在鉆頭停止時消失了，在重新工作之后又重新出現(xiàn)。這樣的峰在線性加速度計的譜中觀察不到，因為它們被與刮風(fēng)天尤其明顯的水表面振蕩有關(guān)的背景地震噪聲掩蓋了。但是，由于旋轉(zhuǎn)傳感器的空間過濾能力，這種噪聲不影響旋轉(zhuǎn)傳感器。
這個實驗結(jié)果表明，在油氣工業(yè)中，旋轉(zhuǎn)傳感器在如下領(lǐng)域中具有巨大潛力(1)遠程監(jiān)視鉆頭狀況；(2)確定鉆井方向，利用通過旋轉(zhuǎn)傳感器的所有三個分量測量的信號幅度之間的關(guān)系使之成為可能；和(3)利用鉆頭的瞬時方向和鉆入距離來確定鉆頭的位置和速度。應(yīng)當(dāng)強調(diào)的是，所有這些測量和數(shù)據(jù)處理可以從地表進行到相對于鉆機深達約1公里的距離。
權(quán)利要求
1.一種對流加速度計，包含密封殼體；包含電解質(zhì)溶液的液態(tài)介質(zhì)，其中，所述液態(tài)介質(zhì)包含在所述密封殼體中；固定在所述密封殼體中的安裝模塊；對對流敏感的傳感元件，其中，所述傳感元件固定在所述安裝模塊中并沉浸在所述液態(tài)介質(zhì)中，使得在施加給對流加速度計的加速度所引起的受迫對流條件下，所述液態(tài)介質(zhì)流經(jīng)所述傳感元件；和與所述傳感元件連接的電路，其中，所述電路放大和處理所述傳感元件所生成的輸出信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的對流加速度計，其中，所述傳感元件包含至少兩個導(dǎo)電構(gòu)件；和包含分離所述導(dǎo)電構(gòu)件的介電材料的隔片，其中，所述隔片和所述導(dǎo)電構(gòu)件適合于允許液態(tài)介質(zhì)流經(jīng)所述傳感元件。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的對流加速度計，其中，所述導(dǎo)電構(gòu)件和所述隔片包含當(dāng)所述加速度計經(jīng)受加速時流過所述液態(tài)介質(zhì)的孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的對流加速度計，其中，所述隔片安排在所述導(dǎo)電構(gòu)件之間，在所述隔片和所述導(dǎo)電構(gòu)件之間沒有任何空隙。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的對流加速度計，其中，所述導(dǎo)電構(gòu)件是基本上相互平行并基本上與所述液態(tài)介質(zhì)的流動方向垂直的金屬板。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的對流加速度計，其中，所述隔片具有大約0.5微米到大約150微米范圍內(nèi)的厚度。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的對流加速度計，其中，所述隔片的至少一個孔是圓形的。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的對流加速度計，其中，所述隔片的至少一個孔具有大約1微米到大約300微米范圍內(nèi)的直徑。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的對流加速度計，其中，所述隔片包含元素周期表的第IV族元素的氧化物或氟化物。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的對流加速度計，進一步包含至少兩個保護電極，以及其中所述傳感元件位于所述保護電極之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的對流加速度計，其中，所述傳感元件的最外面導(dǎo)電構(gòu)件與所述保護電極之間的距離是大約5微米到大約120微米。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的對流加速度計，其中，至少一個保護電極包含網(wǎng)。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的對流加速度計，其中，至少一個保護電極包含繞成扁平螺旋的金屬導(dǎo)線。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的對流加速度計，其中，至少一個保護電極包含繞成錐形螺旋的金屬導(dǎo)線。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的對流加速度計，其中，兩個保護電極通過導(dǎo)電元件互連。
16.根據(jù)權(quán)利要求2所述的對流加速度計，其中，所述導(dǎo)電構(gòu)件的至少一個包含導(dǎo)電網(wǎng)。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的對流加速度計，其中，所述網(wǎng)包含直徑為大約10微米到大約90微米的金屬導(dǎo)線。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的對流加速度計，其中，所述網(wǎng)包含基本上平行并被大約20微米到大約90微米的間隔均勻分隔開的多個金屬導(dǎo)線。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的對流加速度計，其中，所述網(wǎng)包含鉑族金屬。
20.根據(jù)權(quán)利要求2所述的對流加速度計，其中，所述電路包含具有正負(fù)端的電源，其中，所述電源與所述導(dǎo)電構(gòu)件連接，使得所述電源的正端直接或通過運算放大器間接連接到第一導(dǎo)電構(gòu)件，以及負(fù)端直接或通過運算放大器間接連接到第二導(dǎo)電構(gòu)件；和具有兩個輸入端和一個輸出端的運算放大器，其中，一個輸入端連接到所述第一或第二導(dǎo)電構(gòu)件，以及另一個輸入端相應(yīng)連接到所述正或負(fù)端，以便將從所述導(dǎo)電構(gòu)件收集的電流轉(zhuǎn)換成電壓，以及運算放大器的輸出端是整個電路的輸出端。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的對流加速度計，其中，所述液態(tài)介質(zhì)包含電解質(zhì)溶液，所述電解質(zhì)溶液包含鹽和能夠用作路易斯酸和路易斯堿的溶質(zhì)。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的對流加速度計，其中，所述鹽是堿金屬鹽或堿土金屬鹽。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的對流加速度計，其中，所述溶質(zhì)包含溶解金屬碘。
24.根據(jù)權(quán)利要求21、22或23所述的對流加速度計，其中，所述電解質(zhì)溶液包含作為溶劑的蒸餾水。
25.根據(jù)權(quán)利要求21、22或23所述的對流加速度計，其中，所述電解質(zhì)溶液包含作為溶劑的有機液體。
26.根據(jù)權(quán)利要求22所述的對流加速度計，其中，所述金屬鹽的濃度在大約0.5摩爾/升到大約4摩爾/升的范圍內(nèi)。
27.根據(jù)權(quán)利要求23所述的對流加速度計，其中，所述金屬碘的濃度在大約0.0002摩爾/升到大約0.4摩爾/升的范圍內(nèi)。
28.一種對流加速度計，包含密封殼體；包含電解質(zhì)溶液的液態(tài)介質(zhì)，其中，所述液態(tài)介質(zhì)包含在所述密封殼體中；固定在所述密封殼體中的安裝模塊，其中，所述安裝模塊包含當(dāng)作為對流的結(jié)果所述液態(tài)介質(zhì)流動時產(chǎn)生輸出信號的傳感元件；具有打出的孔的多對金屬板；具有打出的孔的多個介電隔片，其中，所述隔片被安排成無空隙地分隔每個所述金屬板；和與所述傳感元件連接的電路，其中，所述電路適合于放大和處理所述傳感元件所生成的輸出信號。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的對流加速度計，其中，所述傳感元件包含4個金屬板，所述金屬板被安排成基本平行并用介電隔片分隔開，使得存在兩個外金屬板和兩個內(nèi)金屬板，以及所述電路包含電源，所述電源與金屬板連接，使得所述電源的正端與所述外金屬板連接，以及所述電源的負(fù)端直接或通過運算放大器間接與所述內(nèi)金屬板連接；至少兩個運算放大器，其中，每個放大器的第一輸入端與不同的內(nèi)金屬板連接，以及每個放大器的第二輸入端接地；和具有兩個輸入端和一個輸出端的加法器，其中，所述加法器的所述輸入端與不同運算放大器的輸出端連接，使得從加法器的輸出端收集的電壓與施加的加速度的值成正比。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的對流加速度計，其中，所述電路包含與所述加法器的輸入端連接的適合進行溫度校正的第一電子元件。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的對流加速度計，其中，所述電路進一步包含與所述第一電子元件串聯(lián)的第二電子元件，以及其中，所述第二電子元件適合校正所述加速度計的轉(zhuǎn)移函數(shù)的頻率相關(guān)性。
32.根據(jù)權(quán)利要求1所述的對流加速度計，其中，所述密封殼體包含包含所述液態(tài)介質(zhì)的環(huán)形通道，所述環(huán)形通道具有由內(nèi)外生成形狀限定的形狀；流動連接到所述環(huán)形通道的膨脹體，所述膨脹體適用于補償所述環(huán)形通道中的液態(tài)介質(zhì)隨溫度變化的膨脹；和與膨脹體流體傳送的管道，所述管道適用于讓所述液態(tài)介質(zhì)進入所述環(huán)形通道。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的對流加速度計，其中，所述內(nèi)外生成形狀是中心相隔大約0.1毫米到大約5毫米的圓形。
34.根據(jù)權(quán)利要求32所述的對流加速度計，其中，所述內(nèi)外生成形狀是不同的，并被選成控制流體動力學(xué)阻抗。
35.根據(jù)權(quán)利要求32所述的對流加速度計，其中，所述內(nèi)外生成形狀具有相隔大約0.1毫米到大約5毫米的中心。
36.根據(jù)權(quán)利要求32或34所述的對流加速度計，其中，所述環(huán)形通道具有安裝在所述環(huán)形通道壁上的至少一個嘴狀件，所述嘴狀件適用于通過使所述環(huán)形通道的橫斷面局部變窄，產(chǎn)生朝向液態(tài)介質(zhì)的運動的附加流體動力學(xué)阻抗。
37.根據(jù)權(quán)利要求32所述的對流加速度計，其中，所述密封殼體包含沿直徑與第一安裝模塊相對的附加安裝模塊，所述附加安裝模塊包含與所述電路連接的傳感元件。
38.根據(jù)權(quán)利要求32所述的對流加速度計，其中，所述密封殼體包含多對安裝模塊，以及其中，一對安裝模塊的每個構(gòu)件在環(huán)形通道上沿直徑與該對安裝模塊的另一個構(gòu)件相對；所述安裝模塊被均勻分隔開；和每個安裝模塊包含與所述電路連接的傳感元件。
39.根據(jù)權(quán)利要求32所述的對流加速度計，其中，所述傳感元件包含第一對金屬板，并可選地包含第二對金屬板，以及其中，所述金屬板與所述電路連接。
40.根據(jù)權(quán)利要求36所述的對流加速度計，其中，所述傳感元件包含第一對金屬板，并可選地包含第二對金屬板，以及其中，所述金屬板與所述電路連接。
41.一種測量角加速度和/或傾角的方法，該方法包含提供根據(jù)權(quán)利要求32所述的加速度計；通過使加速度計圍繞垂直于環(huán)形通道面的加速度計靈敏軸旋轉(zhuǎn)，或通過使加速度計相對于重力方向傾斜一個角度以產(chǎn)生液態(tài)介質(zhì)的受迫對流，使加速度計經(jīng)受角加速度；通過利用與所述傳感元件連接的電路來測量來自所述傳感元件的輸出電流的變化，確定殼體的角加速度或傾角值。
42.根據(jù)權(quán)利要求28所述的對流加速度計，其中，所述電路包含多個運算放大器，其中，每個運算放大器與多對金屬板之一相關(guān)聯(lián)，以及其中，每個運算放大器具有兩個輸入端和一個輸出端；電源的正端與每對金屬板中的第一金屬板之間的直接或間接電連接；電源的負(fù)端與每對金屬板中的第二金屬板之間的直接或間接電連接；其中，經(jīng)過運算放大器進行所述間接電連接；運算放大器的第一輸入端與所述金屬板對的所述第一或第二金屬板之間的直接電連接，其中，運算放大器的第二輸入端相應(yīng)地與所述電源的正或負(fù)端連接；和具有多個輸入端和一個輸出端的加法器，其中，加法器的每個輸入端與每個運算放大器的輸出端連接，使得從加法器的輸出端收集的電壓是從所述運算放大器收集的電壓的線性組合，并與施加的加速度值成正比。
43.一種線性加速度計，包含包含通道的密封殼體；包含電解質(zhì)溶液的液態(tài)介質(zhì)，其中，所述液態(tài)介質(zhì)部分填充所述通道；安裝模塊，所述安裝模塊固定在所述密封殼體中，使得所述安裝模塊淹沒在所述液態(tài)介質(zhì)中；對對流敏感的傳感元件，其中，所述傳感元件固定在所述安裝模塊中并沉浸在所述液態(tài)介質(zhì)中，使得在施加給對流加速度計的線性加速度所引起的受迫對流的條件下，液態(tài)介質(zhì)流經(jīng)所述傳感元件；和與所述傳感元件連接的電路，其中，所述電路放大和處理所述傳感元件所生成的輸出信號。
44.根據(jù)權(quán)利要求43所述的線性加速度計，其中，所述通道是環(huán)形的。
45.根據(jù)權(quán)利要求43或44所述的線性加速度計，其中，所述通道一半填充有所述液態(tài)介質(zhì)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種能夠測量線性或角加速度、速度或傾角的對流加速度計。該加速度計包含位于包含液態(tài)介質(zhì)的密封殼體內(nèi)的對對流敏感的傳感元件。施加的外部加速度引起液態(tài)介質(zhì)的受迫對流，從而引起與施加加速度或傾角成正比的由傳感元件產(chǎn)生的電流的變化。該加速度計尺寸小，頻率和動態(tài)范圍極寬，靈敏度高，設(shè)計簡單，并適合大規(guī)模生產(chǎn)。該設(shè)備有著廣泛的應(yīng)用，諸如穩(wěn)定和控制系統(tǒng)、住宅安全和石油勘探。
文檔編號G01P15/00GK1985178SQ200580016306
公開日2007年6月20日 申請日期2005年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月21日
發(fā)明者弗拉迪米爾·A·科佐洛夫, 瓦迪姆·M·阿格弗諾維 申請人:麥特科技公司