摘要：分析和討論了一種新型角加速度傳感器的工作原理與設(shè)計(jì)方法。該傳感器是根據(jù)流動(dòng)電勢(shì)效應(yīng)，直接將角加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出的。和其它形式的角加速度傳感器相比，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、可靠性好、穩(wěn)定性高等特點(diǎn). 關(guān)鍵詞：流動(dòng)電勢(shì)；雙電層；角加速度；傳感器 在某些領(lǐng)域中所使用的傳統(tǒng)的角加速度傳感器主要是在角速率陀螺的基礎(chǔ)上改型設(shè)計(jì)出來(lái)的， 屬于微分式機(jī)械電磁類(lèi)角加速度傳感器。這種傳感器的加速度信號(hào)是通過(guò)在角速率陀螺輸出端串聯(lián)微分器獲得的，因而其信號(hào)的質(zhì)量和可靠性較差。此外，也有采用幾個(gè)線(xiàn)加速度傳感器進(jìn)行測(cè)量， 再經(jīng)過(guò)信息處理來(lái)獲得角加速度信號(hào)的方法。但這種方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較復(fù)雜，價(jià)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(jù)流動(dòng)電勢(shì)效應(yīng)，直接將角加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出的，因而具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、成本低、信號(hào)質(zhì)量好、可靠性高等特點(diǎn)，可廣泛用于衛(wèi)星、飛機(jī)、軍艦、戰(zhàn)略導(dǎo)彈和火箭等運(yùn)動(dòng)物體的導(dǎo)航、姿態(tài)控制以及系統(tǒng)穩(wěn)定等方面。 1 流動(dòng)電勢(shì)[1～3 ] 任何固體與任何液體相互接觸時(shí)，都會(huì)使固體表面呈現(xiàn)出帶電現(xiàn)象。究其原因主要有以下幾個(gè)方面: （1） 固體表面對(duì)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(guò)剩型） 缺陷；（5） 兩相對(duì)電子的親合力不同。不管是由哪種原因引起的，當(dāng)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?chē)?。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(jīng)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(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)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(gè)稱(chēng)為斯特恩平面的平面（實(shí)際上是一個(gè)假想平面） 將它分成二部分:內(nèi)層為斯特恩層，外層為擴(kuò)散層，在擴(kuò)散層中，反電荷離子富集。 當(dāng)液體受壓力（或角加速度） 作用被強(qiáng)迫通過(guò)毛細(xì)管（或多孔塞） 時(shí)，靠近毛細(xì)管管壁雙電層中的擴(kuò)散層將帶著反電荷離子一起向管的一端流動(dòng)， 這樣就出現(xiàn)了電流，并導(dǎo)致電勢(shì)差產(chǎn)生。電勢(shì)差產(chǎn)生與流動(dòng)方向相反的傳導(dǎo)電流，二者很快達(dá)到平衡。在穩(wěn)定狀態(tài)下，與壓力差P 成正比的流動(dòng)電流和與電勢(shì)差E 成正比的傳導(dǎo)電流大小相等。因此， 流動(dòng)電勢(shì)E與壓力P 成正比，其線(xiàn)性關(guān)系為 式中E 為流動(dòng)電勢(shì)， p 為毛細(xì)管或多孔塞兩端的壓力差，ε為液體的介電常數(shù)，η為液體的黏度， k 為液體的比電導(dǎo)，ζ為雙電層中滑動(dòng)面（又稱(chēng)剪切面）處的電勢(shì)。從（1） 式可以看出， 流動(dòng)電勢(shì)是液體所受壓力的線(xiàn)性函數(shù)，比電導(dǎo)低、黏度小和介電常數(shù)大的液體通過(guò)毛細(xì)管或多孔塞時(shí)會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的流動(dòng)電勢(shì)。 2 示意結(jié)構(gòu) 根據(jù)流動(dòng)電勢(shì)效應(yīng)制作的液環(huán)式角加速度傳感器的示意結(jié)構(gòu)如圖2 所示。其中，液體環(huán)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(huán)狀電極用鉑金絲制作；液體環(huán)中的液體用高純度丙酮制備。 3 工作原理 實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，在液環(huán)中裝滿(mǎn)高純度丙酮溶液后，玻璃塞中微孔的內(nèi)表面帶負(fù)電荷。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果可由玻璃和丙酮對(duì)電子的親合力不同而得到解釋.當(dāng)玻璃和丙酮相互接觸，兩相對(duì)電子的親合力不同，致使電子從介電常數(shù)大的一方流向介電常數(shù)小的一方。玻璃的介電常數(shù)為6 ， 丙酮的介電常數(shù)是20。7 ，因而電子從丙酮流向玻璃， 使玻璃塞中微孔的內(nèi)表面帶負(fù)電荷。這樣在靜電力的作用下，丙酮溶液中的負(fù)離子與玻璃塞中微孔內(nèi)表面的負(fù)電荷相排斥， 而正離子則與內(nèi)表面的負(fù)電荷吸引， 結(jié)果使得在接近微孔內(nèi)表面的地方，丙酮溶液中的正離子富集。當(dāng)受到一個(gè)外加角加速度作用時(shí)，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(zhì)量；ω為角速度；c 是比例常數(shù)。在壓力作用下，丙酮溶液被強(qiáng)迫通過(guò)多孔塞。于是，在靠近微孔壁的雙電層中的擴(kuò)散層將帶著正電荷一起向管的一端流動(dòng)， 從而出現(xiàn)電流并導(dǎo)致電勢(shì)差產(chǎn)生。將（2） 式代入（1） 式得 從（3） 式可以看出， 流動(dòng)電勢(shì)E 是加速度dω/dt的線(xiàn)性函數(shù)。因此，根據(jù)流動(dòng)電勢(shì)的幅值即可即時(shí)測(cè)量角加速度的大小。從圖2 可以看出當(dāng)液環(huán)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，微孔玻璃塞中靠近微孔壁的擴(kuò)散層中的正電荷由A 向B 流動(dòng)，結(jié)果在A(yíng) ，B 間產(chǎn)生電勢(shì)差，電勢(shì)差的極性是B 處為正，A 處為負(fù)。反之，當(dāng)液環(huán)反時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，A ，B 間產(chǎn)生的電勢(shì)差的極性是A 處為正，B 處為負(fù)。這樣，根據(jù)流動(dòng)電勢(shì)的符號(hào)（正或負(fù)）即可即時(shí)測(cè)定角加速度的方向. 4 討論 液環(huán)式角加速度傳感器的兩個(gè)關(guān)鍵部件是微孔玻璃塞和液環(huán)中的液體。微孔玻璃塞中的微孔孔隙分布要均勻。因?yàn)榱鲃?dòng)電勢(shì)只與雙電層中的擴(kuò)散層（可移動(dòng)部分） 的性質(zhì)有關(guān)，流動(dòng)電荷只發(fā)生在靠近微孔壁的地方，孔徑過(guò)大會(huì)使ζ電勢(shì)減小， 流動(dòng)電勢(shì)也隨之減??；孔徑過(guò)小時(shí)， 當(dāng)外加一個(gè)角加速度時(shí)，不能使液體順暢通過(guò)，仍然會(huì)影響流動(dòng)電勢(shì)的產(chǎn)生。對(duì)于液環(huán)中的液體，要求有穩(wěn)定的溫度特性及化學(xué)特性，在液環(huán)腔內(nèi)不應(yīng)發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)。另外，溶液的溶沸點(diǎn)范圍要寬， 黏度要小，純度要高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，只有將這兩個(gè)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與處理好，才能制作出穩(wěn)定性較好、精度較高的角加速度傳感器. 參考文獻(xiàn): [1 ]Kitahara A ，Watanabe A。界面電現(xiàn)象[M] 。鄧彤，趙學(xué)范譯.北京:北京大學(xué)出版社，1992. [2 ]DJ 肖。膠體與表面化學(xué)導(dǎo)論（第三版） [M] 。張中路，張仁佑譯。北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1989. [3 ] Sparnaay M J 。The Electrical Double Layer [M] 。New York :Porgamon Press ，1972.