本發(fā)明涉及加速度檢測技術領域，特別是一種熱對流加速度計。

背景技術：

加速度計是測量物體加速度的儀表。在飛行控制系統(tǒng)中，加速度計是重要的動態(tài)特性校正元件。在慣性導航系統(tǒng)中，高精度的加速度計是最基本的敏感元件之一。在各類飛行器的飛行試驗中，加速度計是研究飛行器顫振和疲勞壽命的重要工具。

傳統(tǒng)加速度計由重量塊(也稱敏感質量塊)、支承、電位器、彈簧、阻尼器和殼體組成。重量塊受支承的約束只能沿一條軸線移動，這個軸稱為輸入軸或敏感軸。

當傳感器殼體隨著物體沿輸入軸做加速運動時，根據(jù)牛頓定律，具有一定慣性的重量塊力圖保持其原來的運動狀態(tài)不變。重量塊與殼體之間將產(chǎn)生相對運動，支撐彈簧變形，于是重量塊在彈簧力的作用下隨之加速運動。當彈簧彈力與重量塊加速運動時產(chǎn)生的慣性力相互平衡時，重量塊與殼體之間便不再有相對運動，此時彈簧的變形反應出被測加速度的大小。電位器作為位移傳感元件把彈簧的形變量轉換為電阻信號輸出。

微機械加速度計又稱硅加速度計，是采用mems技術在以硅為主的材料上通過光刻、鍍膜、蝕刻等一系列的半導體加工工藝制造出來的微型傳感器，它感測加速度的原理與一般的加速度計相同，用半導體材料替代了重量塊、彈簧、支承和電位器等結構，大大縮小了加速度計的體積并降低了制造成本。微機械加速度計分為壓阻式、電容式、靜電力平衡式等。

壓阻式微機械加速度計包括硅材料制成的重量塊，由單撓性臂或雙撓性臂支撐，在撓性臂處采用離子注入法形成zno等材料的壓敏電阻。當有加速度a輸入時，重量塊受慣性力f作用產(chǎn)生偏轉，并在撓性比上產(chǎn)生應力，使壓敏電阻的電阻值發(fā)生變化，從而提供一個正比于輸入加速度的電阻信號輸出。

電容式微機械加速度計在上述的壓阻式微機械加速度計的重量塊下面放置一個讀取電極。當加速度輸入使重量塊偏轉時，由讀取電極與重量塊所構成電容器的電容量發(fā)生變化，從而提供一個正比于輸入加速度的電容信號輸出。

壓阻式微機械加速度計能測量恒定的高加速度，價格適中，但是只能在一定的溫限之內(nèi)工作，而且隨著環(huán)境溫度的變化極容易發(fā)生變化。電容加速度計的重量塊與讀取電極間距如果做小，容易受震動影響出現(xiàn)極間粘連或受微小顆粒移動后落到極間影響，造成電容值突變從而失效，因此電容式微機械加速度計的體積不容易做得很小。上述這些采用撓性臂結構的加速度計，特別是阻尼系數(shù)小的加速度計，在受到外界力的作用后會發(fā)生往復震蕩，從而使得輸出信號在一定的時間內(nèi)無法使用，響應間隔不能太短；如果所測試的加速度頻率與其共振頻率相同，則更為嚴重，會引起加速度計不可逆的失效。

微機械熱對流式加速度計包括一個硅芯片制成的空腔，在芯片空腔中央制備一個金屬氧化物材料的電極作為熱源，從而在空腔中產(chǎn)生了一個懸浮的熱氣團，同時由鋁和多晶硅組成的熱電耦組被等距離對稱地放置在熱源的四個方向。在未受到加速度或水平放置時，溫度的變化梯度是以熱源為中心完全對稱的。此時所有四個熱電耦組因感應溫度而產(chǎn)生的電壓是相同的。由于自由對流熱場的傳遞性，任何方向的加速度都會擾亂熱場的輪廓，從而導致其不對稱。此時四個熱電耦組的輸出電壓會出現(xiàn)差異，而且這個差異直接與所感應的加速度成比例。通過測量這個電壓差異就可以測量出加速度的變化。

微機械熱對流式加速度計是以可移動的熱對流小氣團作為重量塊，通過測量由加速度引起的內(nèi)部溫度的變化來測量加速度。同傳統(tǒng)的微機械加速度計采用實體質量塊相比具有很大的優(yōu)勢。它不存在極間粘連、微小顆粒干擾、阻尼振動等問題，能抵抗高載荷高頻率的加速度變化。但是采用硅為主要材料的微機械熱對流式加速度計不可避免地需要使用到半導體制造工藝，包含光刻、氣相沉積、等離子蝕刻等工序，降低制造成本的難度很大。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術中的上述缺陷，提出一種制造工藝簡單、材料易獲取、降低成本的熱對流加速度計。

本發(fā)明采用如下技術方案：

一種熱對流加速度計，包括密封腔體、加熱元件、若干感溫元件和測量電路，其特征在于：該密封腔體內(nèi)填充有惰性氣體；該加熱元件懸空地安裝于密封腔體中部以對惰性氣體進行加熱并產(chǎn)生熱對流；該若干感溫元件懸空于密封腔體內(nèi)并圍繞加熱元件對稱設置以根據(jù)溫度變化輸出不同阻值；該測量電路與感溫元件相連構成惠斯通電橋，通過測量惠斯通電橋上的兩點電壓值變化結合比例關系得到加速度或傾斜角信號。

優(yōu)選的，所述密封腔體為合成樹脂通過注塑、納米壓印或3d打印制備而成。

優(yōu)選的，所述感溫元件和加熱元件為柔性導電薄膜，其為熱高效率材料通過旋涂、輥涂或噴墨打印制備而成。

優(yōu)選的，所述熱高效率材料為碳納米管或石墨烯。

優(yōu)選的，所述感溫元件和加熱元件采用柔性導電薄膜和硬質薄膜相貼合，該硬質薄膜為塑料、pet或石英。

優(yōu)選的，所述惰性氣體為氮氣或氬氣。

優(yōu)選的，所述感溫元件和所述加熱元件均設有穿過所述密封腔體的引出導線，所述密封腔體與引出導線之間的縫隙填充有合成樹脂。

優(yōu)選的，所述測量電路包括第一電阻、第二電阻、第三電阻和電源vcc；該第一電阻和第二電阻的一端相連，第一電阻的另一端與第三電阻一端和電源vcc相連，該第二電阻的另一端與所述感溫元件一端相連并接地，該第三電阻另一端和所述感溫元件另一端相連。

由上述對本發(fā)明的描述可知，與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

本發(fā)明的一種熱對流加速度計，使用合成樹脂材料，如pdms等，通過注塑、納米壓印、3d打印等低成本、高效率、而且成熟的塑形工藝來制備密閉中空腔體；使用碳納米管、石墨烯等高熱效率材料制備的柔性導電薄膜來作為加熱元件和溫度敏感電阻；采用氮氣、氬氣等惰性氣體作為熱流體；本發(fā)明在繼承了微機械熱對流式加速度計優(yōu)勢的基礎上，由于制造工藝簡單，材料易獲取，能夠極大地降低熱對流式加速度計的成本。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的剖視圖(側面)；

圖2為本發(fā)明的剖視圖(頂面)；

圖3為本發(fā)明內(nèi)部熱對流運動變化圖(在水平向左加速度a1作用下)；

圖4為本發(fā)明內(nèi)部熱對流運動變化圖(水平靜止或勻速運動)；

圖5為本發(fā)明內(nèi)部熱對流運動變化圖(在水平向右加速度a2作用下)；

圖6為本發(fā)明惠斯通電橋結構圖；

圖7為靜止狀態(tài)下溫度曲線示意圖；

圖8為有加速度情況下的溫度曲線示意圖；

其中：10、密封腔體，11、內(nèi)腔，12、氣密腔壁，20、加熱元件，30、感溫元件，40、引出導線；r1、第一電阻，r2、第二電阻，r3、第三電阻，rx、電阻薄膜。

具體實施方式

以下通過具體實施方式對本發(fā)明作進一步的描述。

參照圖1至圖6，一種熱對流加速度計，包括密封腔體10、加熱元件20、若干感溫元件30和測量電路等。該密封腔體10為中空的密封腔體，其為合成樹脂，例如pdms等，通過注塑、納米壓印或3d打印等塑形工藝制備而成，該密封腔體10設有內(nèi)腔11和氣密腔壁12，可分為若干部分，以方便后續(xù)加工和組裝，方便導電薄膜、導線等內(nèi)部結構的安裝以及惰性氣體填充。該密封腔體10內(nèi)填充有惰性氣體，例如氮氣或氬氣等。

該感溫元件30和加熱元件20為柔性導電薄膜，其為熱高效率材料例如碳納米管、石墨烯等，通過旋涂、輥涂或噴墨打印制備而成。該感溫元件30和加熱元件20均直接懸空地設置于密封腔體10內(nèi)，使得流體可圍繞二者做對流運動，能夠保證較好地傳熱。該直接懸空是在安裝完成后，在所需填充惰性氣體的氣氛里，將這些腔體部分用合成樹脂再粘貼為一個整體，恢復氣密性。制備好的感溫元件和加熱元件(導電薄膜)切割成所需形狀和尺寸大小，一般為細長條形薄膜。采用熱絕緣材料將細長條型薄膜的兩端固定在腔體中部內(nèi)壁上，保持細長條型薄膜中間大部份懸空，不與腔體內(nèi)壁發(fā)生接觸。該加熱元件20位于中部，通電時，對圍繞在加熱元件20周圍的氣體進行加熱，被加熱后的氣體體積發(fā)生膨脹導致密度降低，從而在重力作用下上升，遠離加熱元件20；溫度相對較低的氣體填補到熱氣團上升后留下的空位置里去，繼而又被加熱，這樣反復循環(huán)就形成了熱對流傳導。該若干感溫元件30圍繞加熱元件20對稱設置以根據(jù)溫度變化輸出不同阻值。

該感溫元件30和加熱元件20還可采用柔性導電薄膜和硬質薄膜相貼合，該硬質薄膜為塑料、pet或石英，能夠起支撐作用使得感溫元件30和加熱元件20間接懸空于密封腔體10內(nèi)。另外，該感溫元件30和加熱元件20均設有穿過密封腔體10的引出導線40，用于形成電性接觸與外部電路相連，該密封腔體10與引出導線40之間的縫隙填充有合成樹脂。

該測量電路與感溫元件30相連構成惠斯通電橋，測量電路包括第一電阻r1、第二電阻r2、第三電阻r3和電源vcc；該第一電阻r1和第二電阻r2的一端相連，第一電阻r1的另一端與第三電阻r3一端和電源vcc相連，該第二電阻r2的另一端與感溫元件30即電阻薄膜rx一端相連并接地，該第三電阻r3另一端和電阻薄膜rx另一端相連。通過測量惠斯通電橋上的bd兩點電壓值變化結合比例關系得到加速度或傾斜角信號。

對于該惠斯通電橋，通過歐姆定律可以計算出每個電阻兩端的電壓。假設電橋供電電壓為vcc，流過第一電阻r1，第二電阻r2橋臂的電流為i1，則i1＝vcc/(r1+r2)；流過第三電阻r3，電阻薄膜rx橋臂的電流為i2，i2＝vcc/(r3+rx)。在第一電阻r1和第二電阻r2這兩個橋臂上，第一電阻r1，第二電阻r2將vcc電壓分壓，第二電阻r2兩端得到的電壓即為v2，v2＝i1*r2＝vcc*r2/(r1+r2)。在第三電阻r3和電阻薄膜rx這兩個橋臂上，第三電阻r3，電阻薄膜rx將vcc電壓分壓，第三電阻r3兩端得到的電壓即為v3＝i2*r3＝vcc*r3/(r3+rx)。

故vg＝v2-v3＝vcc*((r2/(r1+r2))-r3/(r3+rx)))＝vcc*((r2*rx-r3*r1)/(r1+r2)(r3+rx))；通過測量vg的值，即可以計算出電阻薄膜rx的電阻值：

rx＝(vg*r1*(r1+r2)+vcc*r1*r3)/(vcc*r2-vg*(r1+r2))。

假設設有兩感溫元件30，分別位于加熱元件20兩側，工作原理如下：

當將本發(fā)明的熱對流加速度計沿垂直于重力加速度方向靜止放置時，即除了重力加速度，不受其他加速度時，流體的對流運動是在垂直于通過熱源的平面上關于中間加熱元件20對稱的，因此，對稱排列在加熱元件20周圍的感溫元件30探測到的溫度是相等的，對稱排列的感溫元件30電阻值也是相等的rn＝rm。

若對本發(fā)明的熱對流加速度計施加一個橫向的加速度a或者傾斜放置角度θ，那么氣體分子在加速度的作用下，或因傾斜導致沿所述平面法線的重力加速度分量δg＝g*(1-cosθ)發(fā)生變化的作用下，氣體的對流運動形式發(fā)生變化，從而使對稱排列的感溫元件30即電阻薄膜rx探測到的溫度產(chǎn)生差異δt2，進而使溫度敏感的電阻薄膜rx的電阻值產(chǎn)生差異δrt＝αδt2，α是電阻薄膜rx的溫度系數(shù)，由電阻薄膜rx的具體材料確定。

通過加速度或傾角變化前后兩次的感溫元件30電阻值，δr＝rx-rn，rn是變化前的電阻薄膜電阻值，rx是變化后的電阻薄膜電阻值，即可以計算出加速度和傾角，a＝f(δr)＝f1(vg)，θ＝g(δr)＝g1(vg)，f1和g1是通過標定來確定的比例關系；如此便可以通過測量電壓信號vg來間接測量加速度或傾角信號。如圖7所示，為靜止狀態(tài)下溫度曲線示意圖。如圖8所示，為有加速度情況下的溫度曲線示意圖。

上述僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的設計構思并不局限于此，凡利用此構思對本發(fā)明進行非實質性的改動，均應屬于侵犯本發(fā)明保護范圍的行為。