一种基于电晕放电原理的高冲击加速度检测方法及传感器

摘要

本发明提出了一种基于电晕放电原理的高冲击加速度检测方法及加速度传感器，与热对流式加速度传感器类似的地方是均采用气体作为“检测质量块”，但检测原理完全不同：本发明利用加速度引起气体压强变化并引起电晕放电特性变化的原理，最终通过检测放电电流脉冲重复频率来检测加速度。本发明的加速度传感器的核心结构是针-板电晕放电结构，构造简洁，工艺简单，成本低。本发明提出的高冲击加速度检测方法利用气体局部微电离特点，响应速度快；同时将加速度测量转化为差动频率测量，直接数字化输出，电路简单，抗干扰能力强。

说明书

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种高冲击加速度检测方法以 及加速度传感器。

背景技术

加速度传感器广泛应用于工业、国防、民用等领域。加速度传感器种 类繁多，按照传感原理不同，主要有电容式、电感式、压阻式、压电式、 隧道效应式和热对流式等。针对大冲击、高过载等特殊应用场合的高冲击 加速度传感器则主要有压阻式、压电式、电容式和热对流式。非专利文献 1[李科杰，何昫，张振海等，高冲击加速度传感器发展现状及趋势，探测与 控制学报，2013，35(4)，6-10]对各类高冲击加速度传感器进行了综述。其 中，国内外已经产品化的主要是压阻式、热对流式和电容式高冲击加速度 传感器，如美国ENDEVCO公司生产的7270A系列压阻加速度传感器，量 程可达20万g；MEMSIC公司生产的MXA、MXD等系列热对流加速度传 感器，最高过载可达5万g。

压阻式高冲击加速度传感器具有可随微梁移动的固体质量块，结构相 对复杂，且受温度影响较大。电容式高冲击加速度传感器线性度差，信号 处理电路复杂，易受寄生电容影响。热对流式高冲击加速度传感器不存在 固体检测质量块，而是以虚拟的“热气团”作为“质量块”，环境适应性和抗冲 击能力更强。但该类型加速度传感器必须集成加热器和温度传感器，结构 相对复杂，检测电路相对复杂。

发明内容

为克服已有技术的不足之处，本发明提出一种采用电晕放电原理的高 冲击加速度检测方法，具有成本低、抗冲击能力高、信号检测简单的特点。

本发明通过以下技术方案实现：

一种基于电晕放电原理的高冲击加速度传感器，所述加速度传感器为 单轴高冲击加速度传感器，所述传感器包括直流电压源#1、直流电压源#2、 限流电阻#1、限流电阻#2、针尖电极#1、针尖电极#2、电极支撑体#1、电 极支撑体#2、平板电极#1、平板电极#2、密封腔体、采样电阻#1、采样电 阻#2以及信号检测电路；其中，所述直流电压源、限流电阻、针尖电极、 电极支撑体、平板电极、采样电阻构成电晕放电结构；所述电极支撑体为 非导电体，与密封腔体连接，保证气密封，构成一个密封腔；平板电极#1 和平板电极#2位于密封腔内，所述平板电极都具有孔隙，气体可以自由穿 过；所述平板电极与电极支撑体连接；所述针尖电极穿通电极支撑体并保 证气密封；所述平板电极通过导线并穿过电极支撑体引出后与采样电阻连 接；所述限流电阻用于限制针-板电极之间的气隙意外完全击穿时的电流大 小；所述信号检测电路分别连接采样电阻#1、采样电阻#2，对两路电晕放 电结构的特里切尔脉冲信号进行检测，进而测量出加速度值。

作为本发明的进一步改进，所述信号检测电路包括运算放大电路#1、 运算放大电路#2、整形电路#1、整形电路#2和频率测量电路；所述信号检 测电路将两路特里切尔脉冲信号分别经过运算放大电路#1和运算放大电路 #2进行适当放大，然后再经过整形电路#1和整形电路#2整形为方波信号， 最后经过频率测量电路计算出两路特里切尔脉冲频率之差ΔF，进而检测出 加速度a的大小。

另一方面，本发明提供了一种基于电晕放电原理的高冲击加速度传感 器，所述传感器为三轴高冲击加速度传感器，在一个六面体密封腔体内， 每个面分别设计一套相同的电晕放电结构，所述电晕放电结构由直流电压 源、限流电阻、针尖电极、电极支撑体、平板电极、采样电阻构成；所述 电极支撑体为非导电体，与六面体密封腔体连接，保证气密封，构成一个 密封腔；所述平板电极都位于密封腔内，所述平板电极都具有孔隙，气体 可以自由穿过；所述平板电极与电极支撑体连接；所述针尖电极穿通电极 支撑体并保证气密封；所述平板电极通过导线并穿过电极支撑体引出后与 采样电阻连接；所述限流电阻用于限制针-板电极之间的气隙意外完全击穿 时的电流大小；所述信号检测电路分别连接各个面的采样电阻，对六个面 的电晕放电结构的特里切尔脉冲信号进行检测，进而测量出三轴方向上的 加速度值。

作为本发明的进一步改进，所述信号检测电路包括运算放大电路、整 形电路和频率测量电路；所述信号检测电路分别将X轴、Y轴和Z轴的两 路特里切尔脉冲信号分别经过运算放大电路进行适当放大，然后再经过整 形电路整形为方波信号，最后经过频率测量电路计算出该轴上的两路特里 切尔脉冲频率之差ΔF，进而检测出该轴上的加速度a的大小。

作为本发明的进一步改进，所述密封腔空间填充气体介质，所述气体 介质为包含负电性气体。

另一方面，本发明提供了一种基于电晕放电原理的高冲击加速度检测 方法，其特征在于：所述方法基于本发明的加速度传感器，所述方法包括 以下步骤：

接收采样电阻上得到的两路特里切尔脉冲信号；

经过运算放大电路对所述特里切尔脉冲信号进行适当放大；

经过整形电路整形为方波信号；

频率测量电路计算出两路特里切尔脉冲频率之差ΔF；

根据ΔF；检测出加速度a的大小。

本发明的有益效果是：本发明提出的基于电晕放电原理的高冲击加速 度检测方法及加速度传感器，与热对流式加速度传感器类似的地方是均采 用气体作为“检测质量块”，但检测原理完全不同：本发明利用加速度引起气 体压强变化并引起电晕放电特性变化的原理，最终通过检测放电电流脉冲 重复频率来检测加速度。本发明的加速度传感器的核心结构是针-板电晕放 电结构，构造简洁，工艺简单，成本低。本发明提出的高冲击加速度检测 方法利用气体局部微电离特点，响应速度快；同时将加速度测量转化为差 动频率测量，直接数字化输出，电路简单，抗干扰能力强。

附图说明

图1是本发明所利用的负直流电压供电的电晕放电结构原理示意图；

图2是本发明所利用的正直流电压供电的电晕放电结构原理示意图；

图3是本发明的单轴高冲击加速度传感器的原理图；

图4是本发明的信号检测电路的框图；

图5是本发明的三轴高冲击加速度传感器的原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图 及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体 实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明设计的电晕放电式加速度传感器与热对流式加速度传感器类似 的地方是均采用气体作为“检测质量块”；但检测原理完全不同。热对流式加 速度传感器利用加速度引起气体对流变化并引起温度变化的原理，最终通 过检测温度差异来检测加速度。本发明提出的电晕放电式加速度传感器则 是利用加速度引起气体压强变化并引起电晕放电特性变化的原理，最终通 过检测放电电流频率来检测加速度。

电晕放电式高冲击加速度检测方法的原理如下：

电晕放电是一种常见的气体局部电离放电现象，通常发生在具有强电 场分布的小曲率半径带电导体周围。电晕放电根据配置的不同，具有不同 的放电形式。本发明利用的放电形式是负直流电晕放电中的特里切尔脉冲 放电(Trichel pulse discharge)，其放电结构如附图1所示，101为直流电压源， 102为限流电阻，103为具有小曲率半径的针尖电极，104为负电性气体间隙， 105为平板电极，106为采样电阻，107为信号检测电路。其中，直流电压源 101输出负电压。也可以采用正电压输出的直流电压源，其放电结构可改变 为如附图2所示。附图2中201为直流电压源，202为限流电阻，203为平板电 极，204为负电性气体间隙，205为具有小曲率半径的针尖电极，206为采样 电阻，207为信号检测电路。附图1和附图2所示的放电结构除了电源输出极 性不同，信号采样位置不同外，原理上没有本质区别。

根据皮克判据(Peek’s law)，电晕放电起始条件为：

$E_s=E_0{m}_0\delta (1+\frac{c}{\sqrt{\mathrm{\delta r}}})---\left(1\right)$

上式中，E_s为起始电场，E₀是与气体种类有关的电离电场，对于空气， E₀＝30～32kV/cm，c是与尺寸有关的常数，约为0.301cm^1/2，m₀是与针尖表面 有关的常数，对于光滑表面m₀＝1，r为针尖曲率半径，δ为相对气体密度。

电晕起始电压可表示为：

V_s＝E_srln(2d/r)                  (2)

上式中，V_s为起始电压，d为针-板间距。将式(1)代入式(2)可得：

$V_s=E_0{m}_0\ln (2d/r)(\mathrm{\delta r}+c\sqrt{\mathrm{\delta r}})---\left(3\right)$

当配置一定后，上式中起始电压V_s只是相对气体密度δ的函数，即 V_s＝f(δ)。考虑到相对气体密度变化不是很大，利用泰勒公式，将V_s＝f(δ)在δ＝1 处一阶近似为：

V_s＝E₀m₀ln(2d/r)(r+0.5cr^3/2)δ+E₀m₀cln(2d/r)(0.5r^3/2-r^1/2)＝k₁δ+b₁      (4)

上式中，k₁＝E₀m₀ln(2d/r)(r+0.5cr^3/2),b₁＝E₀m₀cln(2d/r)(0.5r^3/2-r^1/2)。相对气体密 度δ可表示为：

$\delta =\frac{\rho }{{\rho }_0}=\frac{P}{T}·\frac{T_0}{P_0}---\left(5\right)$

上式中，ρ为气体密度，ρ₀为标准条件下气体密度，P和T分别为气体压 强和温度，P₀和T₀分别为标准压强和温度。起始电压V_s可进一步表示成压强 P的函数：

$V_s=\frac{k_1{T}_0}{{\mathrm{TP}}_0}P+b_1---\left(6\right)$

特里切尔脉冲放电最重要的特点是放电电流是周期性的电流脉冲，称 为特里切尔脉冲(Trichel pulse)。特里切尔脉冲重复频率可表示为：

F＝k₂V_a(V_a-V_s)/(rd²)              (7)

上式中，F为特里切尔脉冲重复频率，k₂是与电极结构配置有关的常数， V_a为外部施加电压。将式(6)代入式(7)，特里切尔脉冲频率可表示成：

$F=-\frac{k_1{k}_2{V}_a{T}_0}{{\mathrm{rd}}^2{\mathrm{TP}}_0}P+\frac{k_2{V}_a(V_a-b_1)}{{\mathrm{rd}}^2}=k_{3}P+b_2---\left(8\right)$

上式中，$k_3=-\frac{k_1{k}_2{V}_a{T}_0}{{\mathrm{rd}}^2{\mathrm{TP}}_0},b_2=\frac{k_2{V}_a(V_a-b_1)}{{\mathrm{rd}}^2}.$

本发明的加速度检测方法所采用的电路原理如附图3所示，301为直流 电压源#1，302为限流电阻#1，303为针尖电极#1，304为电极支撑体#1，305 为平板电极#1，306为连接螺钉，307为密封腔体，308为针尖电极#2，309 为电极支撑体#2，310为平板电极#2，311为限流电阻#2，312为直流电压源 #2，313为采样电阻#2，314为采样电阻#1，315为信号检测电路，316为气 体介质。其中，电极支撑体304、310为非导电体，并与密封腔体307通过螺 钉连接，保证气密封，构成一个密封腔。平板电极#1和平板电极#2位于密 封腔内，平板电极#1和平板电极#2都具有孔隙，气体可以自由穿过。平板 电极与电极支撑体通过螺钉连接(或通过粘接，保证足够牢固即可)。针尖 电极只要穿通电极支撑体并保证气密封即可。平板电极通过导线并穿过电 极支撑体引出后与采样电阻连接。导线穿过电极支撑体时保证气密封即可。 可见，附图3所示的技术方案中包含两套相同的附图1所示的电晕放电结构。 也可以将电晕放电结构配置成附图2所示的结构。

附图4为附图3中的信号检测电路315的框图，其中401和404分别为运算 放大电路#1和运算放大电路#2，402和404分别为整形电路#1和整形电路#2， 405为频率测量电路。

当整个密闭腔体不存在加速度时，气体压强分别均匀，电晕放电结构 #1和电晕放电结构#2检测到的特里切尔脉冲频率相等；当密闭腔体存在横 向加速度a时，腔体内的气体将在加速度作用重新分布，导致针尖电极#1和 针尖电极#2两处周围的压强发生变化。平衡时，可以认为针尖电极#1和针 尖电极#2两处的压强差ΔP满足关系：

ΔP∝a                 (9)

并设ΔP＝k₄a，k₄为系数。因此，当存在横向加速度a时，电晕放电结构#1 和电晕放电结构#2检测到的特里切尔脉冲频率差ΔF为：

ΔF＝2k₃k₄a                     (10)

即特里切尔脉冲频率差与加速度成正比，通过差动测量电晕放电结构#1和 电晕放电结构#2的脉冲频率之差，可检测出加速度的大小。

具体实施例1

附图3为本发明的单轴高冲击加速度传感器的原理图。直流电压源#1  301和直流电压源#2 312为相同的直流电压源，其作用是提供恒定直流电压。 限流电阻#1 302和限流电阻#2 311为相同的电阻，其作用是限制针-板电极之 间的气隙意外完全击穿时的电流大小，保护电路环路。限流电阻的阻值选 择一般kΩ级以上。针尖电极#1 303和针尖电极#2 308为相同的针尖电极。针 尖电极的材料不限，只要具有小曲率半径的导电尖端即可，比如普通的绣 花钢针或者采用微纳加工工艺制作的超级尖端。电晕放电过程中，针尖电 极的表面形状至关重要，对放电特性影响很大。从前面原理分析可见，针 尖电极最重要的参数是曲率半径r。一般而言，其它条件不变时，针尖曲率 半径r越小，电晕起始电压V_s越小，正常工作时直流电压源需提供的外部施 加电压V_a越小。优选地，针尖曲率半径r为μm量级，甚至nm量级，具体取值 需综合考虑。绝缘体307材料不限，其主要作用是电气绝缘和腔体密封。

平板电极#1 305和平板电极#2 310为相同的平板电极，材料不限，但 要求可导电；同时电极具有合适孔径的孔隙，允许气体介质自由通过。平 板电极的尺寸没有过多限制，不会对电晕放电特性产生重要影响。平板电 极尺寸选择一般需要根据传感器整体尺寸和针-板间距d来确定。优选地， 平板电极的线度应大于10d。针-板间距d也是影响电晕放电的重要参数。 如前面原理分析可知，一般而言，其它条件不变时，针-板间距d越小，起 始电压V_s越小。优选地，针-板间距d为mm量级，甚至μm量级，具体取 值需综合考虑。

气体介质316充满整个密闭腔空间。气体介质需满足的条件是包含负电 性气体，如氧气O₂、六氟化硫SF₆、空气等，典型选择是空气。为了增加加 速度检测的灵敏度，可考虑引入分子量较大的气体成分。密闭空间内初始 气体压强的选择没有过多限制，理论上从低气压到高气压均可。但是，初 始气体压强的大小对电晕放电的特性影响较大，从前面原理分析可知，一 般而言，其它条件不变时，初始气体压强越大，起始电压V_s越大。初始气体 压强常见取值为1atm(大气压)，其具体取值需综合考虑。

采样电阻#1 314和采样电阻#2 313为相同的电阻，其作用是通过采样电 阻获取特里切尔脉冲信号，其取值可为几百Ω到几十kΩ。由于特里切尔放 电是负电晕放电的初始放电形式，属于微弱的局部放电，平均放电电流较 小，一般为μA～mA数量级，这主要取决于电极配置情况(针-板间距大小、 针尖曲率半径大小)以及直流电压源施加的电压大小等。采样电阻的具体 阻值大小可根据放电电流以及放电回路中针-板电极构成的电容进行选择， 以便进行特里切尔脉冲电流信号的检测。

信号检测电路315如附图4所示，其作用主要是对两路特里切尔脉冲信 号进行频率测量。特里切尔脉冲的重要特点是脉冲上升沿极陡峭，下降沿 相对缓慢，脉冲宽度远小于脉冲周期。通常，脉冲宽度为ns量级级，而脉冲 周期为μs量级。同时，特里切尔脉冲幅值一般较小，为mV量级。为了方便 测量脉冲重复频率，可将两路特里切尔脉冲信号分别经过运算放大电路#1  401和运算放大电路#2 403进行适当放大，然后再经过整形电路#1 402和整 形电路#2 404整形为方波信号，最后经过频率测量电路405计算出两路特里 切尔脉冲频率之差ΔF，进而可检测出加速度a的大小。附图4中的运算放大 电路、整形电路和频率测量电路的技术实现难度并不大，普通电路设计技 术人员利用其领域的专业知识可设计出满足功能要求的电路。

具体实施例2

根据本发明的方法，很容易构建三轴高冲击加速度传感器。在附图3所 示的单轴电晕放电式高冲击加速度传感器基础上，很容易构建三轴加速度 传感器。在一个六面体腔体内，每个面分别设计一套相同的电晕放电结构， 每两个相对的面分别构成x、y、z三个方向的加速度测量。附图5为三轴电 晕放电式高冲击加速度传感器的一种形式，图中只画出了六面体中的四个 面(x和z方向)同时省略掉了其它电路部分(每一面的电路部分与附图3中 相同，信号检测电路的通道数增加为6个)。501为针尖电极#1，502为电极 支撑体#1，503为平板电极#1，504为连接螺钉，505为六面体支撑框架，506 为针尖电极#2，507电极支撑体#2，508为平板电极#2，509为针尖电极#3， 510为电极支撑体#3，511为平板电极#3，512为针尖电极#4，513为电极支 撑体#4，514为平板电极#4。515为气体介质。其中，503平板电极#1、508 平板电极#2、511平板电极#3、514平板电极#4等所有平板电极均具有孔隙， 允许气体自由通过。平板电极与电极支撑体通过螺钉连接(或通过粘接， 保证足够牢固即可)。所有电极支撑体为非导电体，并与六面体支撑框架通 过螺钉连接，同时保证气密封。所有针尖电极只要穿通电极支撑体并保证 气密封即可。

本发明设计的高冲击加速度传感器的核心结构是针-板电晕放电结构， 构造简洁，工艺简单，成本低。本发明提出的高冲击加速度检测方法利用 气体微电离特点，响应速度快；同时将加速度测量转化为差动频率测量， 直接数字化输出，电路简单，抗干扰能力强。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说 明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术 领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若 干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。