流动电势用于角加速度传感器的研究

在某些领域中所使用的传统的角加速度传感器主要是在角速率陀螺的基础上改型设计出来的， 属于微分式机械电磁类角加速度传感器。这种传感器的加速度信号是通过在角速率陀螺输出端串联微分器获得的，因而其信号的质量和可靠性较差。此外，也有采用几个线加速度传感器进行测量， 再经过信息处理来获得角加速度信号的方法。但这种方法实现起来比较复杂，价格昂贵，而且精度也不是很高.本文所介绍的角加速度传感器，是根据流动电势效应，直接将角加速度信号转换为电信号输出的，因而具有结构简单、重量轻、成本低、信号质量好、可靠性高等特点，可广泛用于卫星、飞机、军舰、战略导弹和火箭等运动物体的导航、姿态控制以及系统稳定等方面。

1 流动电势[1～3 ]

任何固体与任何液体相互接触时，都会使固体表面呈现出带电现象。究其原因主要有以下几个方面: (1) 固体表面对离子的吸附；(2) 离子晶体的溶解；(3) 固体表面的电离；(4) 固体具有n 型(空穴型)或p 型(电子过剩型) 缺陷；(5) 两相对电子的亲合力不同。不管是由哪种原因引起的，当固体表面带电以后，它必然要吸引等量的反极性电荷在其周围。这样在紧靠带电固体表面处就形成一层特殊的表面层———双电层。双电层的经典理论有以下三种:德拜—尤格尔理论；古依—查普曼理论；斯特恩理论。其中斯特恩理论对实验结果的解释至今绝大部分仍然是正确的。斯特恩双电层的理论模型如图1 所示。从图中可以看出，双电层由一个称为斯特恩平面的平面(实际上是一个假想平面) 将它分成二部分:内层为斯特恩层，外层为扩散层，在扩散层中，反电荷离子富集。

当液体受压力(或角加速度) 作用被强迫通过毛细管(或多孔塞) 时，靠近毛细管管壁双电层中的扩散层将带着反电荷离子一起向管的一端流动， 这样就出现了电流，并导致电势差产生。电势差产生与流动方向相反的传导电流，二者很快达到平衡。在稳定状态下，与压力差P 成正比的流动电流和与电势差E 成正比的传导电流大小相等。因此， 流动电势E与压力P 成正比，其线性关系为

式中E 为流动电势， p 为毛细管或多孔塞两端的压力差，ε为液体的介电常数，η为液体的黏度， k 为液体的比电导，ζ为双电层中滑动面(又称剪切面)处的电势。从(1) 式可以看出， 流动电势是液体所受压力的线性函数，比电导低、黏度小和介电常数大的液体通过毛细管或多孔塞时会产生相当大的流动电势。

2 示意结构

根据流动电势效应制作的液环式角加速度传感器的示意结构如图2 所示。其中，液体环由玻璃管吹拉而成；多孔塞用直径10μm 左右的微球玻璃粉烧制；环状电极用铂金丝制作；液体环中的液体用高纯度丙酮制备。

3 工作原理

实验结果证明，在液环中装满高纯度丙酮溶液后，玻璃塞中微孔的内表面带负电荷。这一实验结果可由玻璃和丙酮对电子的亲合力不同而得到解释.当玻璃和丙酮相互接触，两相对电子的亲合力不同，致使电子从介电常数大的一方流向介电常数小的一方。玻璃的介电常数为6 ， 丙酮的介电常数是20。7 ，因而电子从丙酮流向玻璃， 使玻璃塞中微孔的内表面带负电荷。这样在静电力的作用下，丙酮溶液中的负离子与玻璃塞中微孔内表面的负电荷相排斥， 而正离子则与内表面的负电荷吸引， 结果使得在接近微孔内表面的地方，丙酮溶液中的正离子富集。当受到一个外加角加速度作用时，璃塞两端中的丙酮溶液所承受的压力为

式中， p 为压力；m 是液体的惯性质量；ω为角速度；c 是比例常数。在压力作用下，丙酮溶液被强迫通过多孔塞。于是，在靠近微孔壁的双电层中的扩散层将带着正电荷一起向管的一端流动， 从而出现电流并导致电势差产生。将(2) 式代入(1) 式得

从(3) 式可以看出， 流动电势E 是加速度dω/dt的线性函数。因此，根据流动电势的幅值即可即时测量角加速度的大小。从图2 可以看出当液环顺时针转动时，微孔玻璃塞中靠近微孔壁的扩散层中的正电荷由A 向B 流动，结果在A ，B 间产生电势差，电势差的极性是B 处为正，A 处为负。反之，当液环反时针转动时，A ，B 间产生的电势差的极性是A 处为正，B 处为负。这样，根据流动电势的符号(正或负)即可即时测定角加速度的方向.

3 讨论

液环式角加速度传感器的两个关键部件是微孔玻璃塞和液环中的液体。微孔玻璃塞中的微孔孔隙分布要均匀。因为流动电势只与双电层中的扩散层(可移动部分) 的性质有关，流动电荷只发生在靠近微孔壁的地方，孔径过大会使ζ电势减小， 流动电势也随之减小；孔径过小时， 当外加一个角加速度时，不能使液体顺畅通过，仍然会影响流动电势的产生。对于液环中的液体，要求有稳定的温度特性及化学特性，在液环腔内不应发生任何化学反应。另外，溶液的溶沸点范围要宽， 黏度要小，纯度要高。实验结果证明，只有将这两个关键部件设计与处理好，才能制作出稳定性较好、精度较高的角加速度传感器.

参考文献:
[1 ]Kitahara A ，Watanabe A。界面电现象[M] 。邓彤，赵学范译.北京:北京大学出版社，1992.
[2 ]DJ 肖。胶体与表面化学导论(第三版) [M] 。张中路，张仁佑译。北京:化学工业出版社，1989.
[3 ] Sparnaay M J 。The Electrical Double Layer [M] 。New York :Porgamon Press ，1972.