流動電勢用于角加速度傳感器的研究

在某些領域中所使用的傳統的角加速度傳感器主要是在角速率陀螺的基礎上改型設計出來的， 屬于微分式機械電磁類角加速度傳感器。這種傳感器的加速度信號是通過在角速率陀螺輸出端串聯微分器獲得的，因而其信號的質量和可靠性較差。此外，也有采用幾個線加速度傳感器進行測量， 再經過信息處理來獲得角加速度信號的方法。但這種方法實現起來比較復雜，價格昂貴，而且精度也不是很高.本文所介紹的角加速度傳感器，是根據流動電勢效應，直接將角加速度信號轉換為電信號輸出的，因而具有結構簡單、重量輕、成本低、信號質量好、可靠性高等特點，可廣泛用于衛星、飛機、軍艦、戰略導彈和火箭等運動物體的導航、姿態控制以及系統穩定等方面。

1 流動電勢[1～3 ]

任何固體與任何液體相互接觸時，都會使固體表面呈現出帶電現象。究其原因主要有以下幾個方面: (1) 固體表面對離子的吸附；(2) 離子晶體的溶解；(3) 固體表面的電離；(4) 固體具有n 型(空穴型)或p 型(電子過剩型) 缺陷；(5) 兩相對電子的親合力不同。不管是由哪種原因引起的，當固體表面帶電以后，它必然要吸引等量的反極性電荷在其周圍。這樣在緊靠帶電固體表面處就形成一層特殊的表面層———雙電層。雙電層的經典理論有以下三種:德拜—尤格爾理論；古依—查普曼理論；斯特恩理論。其中斯特恩理論對實驗結果的解釋至今絕大部分仍然是正確的。斯特恩雙電層的理論模型如圖1 所示。從圖中可以看出，雙電層由一個稱為斯特恩平面的平面(實際上是一個假想平面) 將它分成二部分:內層為斯特恩層，外層為擴散層，在擴散層中，反電荷離子富集。

當液體受壓力(或角加速度) 作用被強迫通過毛細管(或多孔塞) 時，靠近毛細管管壁雙電層中的擴散層將帶著反電荷離子一起向管的一端流動， 這樣就出現了電流，并導致電勢差產生。電勢差產生與流動方向相反的傳導電流，二者很快達到平衡。在穩定狀態下，與壓力差P 成正比的流動電流和與電勢差E 成正比的傳導電流大小相等。因此， 流動電勢E與壓力P 成正比，其線性關系為

式中E 為流動電勢， p 為毛細管或多孔塞兩端的壓力差，ε為液體的介電常數，η為液體的黏度， k 為液體的比電導，ζ為雙電層中滑動面(又稱剪切面)處的電勢。從(1) 式可以看出， 流動電勢是液體所受壓力的線性函數，比電導低、黏度小和介電常數大的液體通過毛細管或多孔塞時會產生相當大的流動電勢。

2 示意結構

根據流動電勢效應制作的液環式角加速度傳感器的示意結構如圖2 所示。其中，液體環由玻璃管吹拉而成；多孔塞用直徑10μm 左右的微球玻璃粉燒制；環狀電極用鉑金絲制作；液體環中的液體用高純度丙酮制備。

3 工作原理

實驗結果證明，在液環中裝滿高純度丙酮溶液后，玻璃塞中微孔的內表面帶負電荷。這一實驗結果可由玻璃和丙酮對電子的親合力不同而得到解釋.當玻璃和丙酮相互接觸，兩相對電子的親合力不同，致使電子從介電常數大的一方流向介電常數小的一方。玻璃的介電常數為6 ， 丙酮的介電常數是20。7 ，因而電子從丙酮流向玻璃， 使玻璃塞中微孔的內表面帶負電荷。這樣在靜電力的作用下，丙酮溶液中的負離子與玻璃塞中微孔內表面的負電荷相排斥， 而正離子則與內表面的負電荷吸引， 結果使得在接近微孔內表面的地方，丙酮溶液中的正離子富集。當受到一個外加角加速度作用時，璃塞兩端中的丙酮溶液所承受的壓力為

式中， p 為壓力；m 是液體的慣性質量；ω為角速度；c 是比例常數。在壓力作用下，丙酮溶液被強迫通過多孔塞。于是，在靠近微孔壁的雙電層中的擴散層將帶著正電荷一起向管的一端流動， 從而出現電流并導致電勢差產生。將(2) 式代入(1) 式得

從(3) 式可以看出， 流動電勢E 是加速度dω/dt的線性函數。因此，根據流動電勢的幅值即可即時測量角加速度的大小。從圖2 可以看出當液環順時針轉動時，微孔玻璃塞中靠近微孔壁的擴散層中的正電荷由A 向B 流動，結果在A ，B 間產生電勢差，電勢差的極性是B 處為正，A 處為負。反之，當液環反時針轉動時，A ，B 間產生的電勢差的極性是A 處為正，B 處為負。這樣，根據流動電勢的符號(正或負)即可即時測定角加速度的方向.

3 討論

液環式角加速度傳感器的兩個關鍵部件是微孔玻璃塞和液環中的液體。微孔玻璃塞中的微孔孔隙分布要均勻。因為流動電勢只與雙電層中的擴散層(可移動部分) 的性質有關，流動電荷只發生在靠近微孔壁的地方，孔徑過大會使ζ電勢減小， 流動電勢也隨之減??；孔徑過小時， 當外加一個角加速度時，不能使液體順暢通過，仍然會影響流動電勢的產生。對于液環中的液體，要求有穩定的溫度特性及化學特性，在液環腔內不應發生任何化學反應。另外，溶液的溶沸點范圍要寬， 黏度要小，純度要高。實驗結果證明，只有將這兩個關鍵部件設計與處理好，才能制作出穩定性較好、精度較高的角加速度傳感器.

參考文獻:
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