[发明专利]一种静电支撑式光学检测法测量三维加速度的方法

说明书

技术领域

本发明属于高精度惯性测量技术领域，尤其涉及一种静电支撑式光学检测法测量三维加速度的方法。 

背景技术

加速度的测量是将加速度这一物理信号转变为可以测量的电信号。例如可以通过变面积、变介电常量、变间隙三种方法把被测的加速度转化为电容器的电容量变化。传统的基于电容式加速度计的测量方法采用差动式变间隙结构，通过对敏感电极与固定电极之间的间隙变化引起的两电极之间电容量变化的测量，来实现对加速度的测量。由于采用固体极板作为敏感电极，在固体极板与壳体固定时，需通过固体弹性介质连接，当出现大冲击或高过载时，固定固体极板的固体弹性介质极易损坏，致使加速度传感器失去作用，加速度测量无法正常进行；同时，以固体极板作为敏感电极的加速度测量方法对加速度不敏感，结构复杂；因此传统的采用固体极板作为敏感电极的加速度测量方法应用范围受到限制。 

为了解决以固体极板作为敏感电极进行加速度测量的方法结构复杂、灵敏度不高、无法满足高过载量程比等缺点，以液体作为敏感电极的加速度测量方法得到提出和应用。该方法是一种电容偏差法：将液体封装在圆柱壳体内，液体与壳体端面的定极板形成电容，由于表面张力的原因，液体在壳体两端角处形成特定的曲面，与壳体端面内壁有一定的接触面积。当加速度作用时，液体与端面的接触面积发生变化，电容值随着变化，电容的变化量反映了加速度的大小。由于采用液体作为敏感电极，可在大冲击或高过载后恢复正常工作，具有灵敏度高等优点。然而，目前的液体加速度计测量方法采用圆柱体结构，只能实现一维加速度的测量；同时，由于测量方法是偏差法，液体受到加速度作用的变形与加速度的大小是非线性关系，存在非线性的问题；且液体变形后质心无法及时回到原先位置，因此，存在测量范围小的问题。 

发明内容

本发明的目的在于克服以固态物质作为敏感质量体的加速度测量方法结构复杂、灵敏度不高、不适合在大冲击或高过载的条件下应用以及目前存在的液体加速度测量方法无法实现三维加速度测量、测量范围小、液体形变与加速度大小的关系是非线性的等缺点，提供了一种以金属液体作为敏感质量体、静电 支撑金属液体、光学检测法检测液体形变的三维加速度测量方法。 

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：本发明的三维加速度测量方法是在以金属液体为敏感质量体、用光学检测法检测液体形变、用静电力平衡惯性力的液体光学检测式三维加速度计上实现，液体光学检测式三维加速度计包括绝缘球腔、固定于绝缘球腔外表面的圆电极和与圆电极相连的电极引线，绝缘球腔内封装有光学检测系统和玻璃正六面体，玻璃正六面体端面内表面粘贴金属薄膜，金属薄膜接地，在玻璃正六面体内封装金属液滴。该方法包括以下步骤： 

步骤1：将液体光学检测式三维加速度计安置在载体上，当加速度为0时，给圆电极施加直流偏置电压，圆电极产生的静电力使金属液滴处于悬浮状态，即金属液滴不受玻璃正六面体各端面的支撑力，同时金属液滴的质心与玻璃正六面体的质心重合。此时，金属液滴与玻璃正六面体各端面的接触面积相等。 

步骤2：当载体处于加速状态时，金属液滴受力变形，与玻璃正六面体端面的接触面积发生变化。 

步骤3：调整施加在圆电极上的直流偏置电压，使金属液滴的质心回到玻璃正六面体的质心处，实现静电支撑控制。在本发明中采用光学检测法来确定金属液滴的质心回到玻璃正六面体的质心处：光源发出的光线，经透镜后变为平行光，经反射镜入射到玻璃正六面体中金属液滴上，反射回的光线经透镜照射到位置敏感器件上，所述位置敏感器件可以采用二维PSD，位置敏感器件分割为四象限。当位置敏感器件检测到金属液滴与玻璃正六面体的接触面积的位置和大小与步骤1一致，即认为金属液滴的质心回到玻璃正六面体的质心处。 

步骤4：通过步骤3中控制电压的调节，金属液滴处于平衡态（金属液滴的质心与玻璃正六面体质心重合），即受力平衡：P_k+P_h+P₀+P_e=0。 

此时，金属液滴的受力满足Young-Laplace方程，从而得到载体的三维加速度信息：