当前，各种各样的机械和机电仪器用于测量加速度、倾角、速度和运动，包括压电和压阻仪器和力平衡、电容或对流加速度计。
在存在力反馈的加速度计或伺服加速度计中，惯性物体用弹簧悬挂在两个永磁体之间并可以在这些永磁体之间运动。通过标准电动力学方法来测量由外部加速度引起的物体位移。传感器的信号被放大，以及所得电流经过绕在物体上的线圈，从而生成使惯性物体恢复到其原始位置的重新平衡力。这种类型的加速度计具有高灵敏度和准确度；但是，它们也存在高成本。
能够测量角速度的另一种加速度计基于在外部加速度的影响下气体通过喷嘴注入空腔中的现象。空腔具有两个导线形式的传感元件，传感元件被安排成使得在不存在外部加速度的情况下注入的气体均匀地分布在传感元件之间。在存在加速度的情况下，气体聚集在导线之一附近，该导线变得比另一根导线冷。两个传感元件的电阻之差与角速度成正比。这种加速度计的主要缺点是存在喷嘴，从而使仪器既笨重又昂贵。
另一种类型的加速度计是对流加速度计。现有对流加速度计的一个例子包含安装在壳体中心的加热元件和相对于加热元件对称地排列在壳体中的两个温度传感元件。在不存在外部加速度的情况下，加热气体相对于加热元件对称地循环，以及温度传感器基本上处于相同温度，使得它们的读数差接近零，从而表示静态。在存在外部加速度的情况下，这种对称性被打破，传感元件处于不同温度。然后，相应温度差与外部加速度成正比。这种仪器的缺点包括动态范围低、灵敏度低、以及由于存在加热元件，能耗高。这样的加速度计还不能测量纯转动。
因此，迫切需要一种频率和动态范围宽、尺寸小、功耗低、重量轻以及成本低的高灵敏加速度计。

按照本发明的对流加速度计包含密封壳体，密封壳体包含具有传感元件的安装模块。该壳体进一步包含液态介质，液态介质包含电解质。传感元件包含导电构件，导电构件的非限制性例子包括带有孔和金属网的金属板。导电构件在空间上是分离的。这种分离可以通过隔开导电构件，使得它们不直接接触，或通过用隔开材料，诸如带有孔的介电隔片在物理上分离它们来实现。当使用金属板和介电隔片时，金属板和介电隔片被安排成在外部加速度引起受迫对流的条件下，液态介质流过所述孔。应当注意到，壳体、液态介质和传感元件(包括导电构件和任何隔片)的组合被称为分子电子换能器(MET，molecularelectronic transducer)。经由传感元件与MET连接的信号限制电子线路用于转换随离子到传感元件的对流转移而变化的输出电流，从而允许测量加速度、速度或倾角。
本发明的一个目的是，提供一种包含密封壳体的对流加速度计，密封壳体包含液态介质和固定在壳体中的至少一个安装模块，液态介质包含液态电解质。对流加速度计进一步具有至少一个传感元件，传感元件对对流敏感，固定在安装模块中并沉浸在液态电解质中，液态电解质在施加外部加速度所引起的受迫对流的条件下流经传感元件。对流加速度计还具有与一个或多个传感元件连接的电路，用于放大和处理这个系统所生成的输出信号。
本发明的另一个目的是，提供一种包含密封壳体的对流加速度计，密封壳体包含液态介质和固定在壳体中的至少一个安装模块，液态介质包含电解质。安装模块具有一个传感元件，该传感元件沉浸在液态介质中，液态介质在施加外部加速度所引起的受迫对流的条件下流经所述加速度计。在一些实施例中，传感元件包括具有打出的孔的多个打孔金属板，以及被安排成分离金属板的具有打出孔的多个隔片。在优选实施例中，隔片没有空隙地位于金属板之间并由介电材料制成。对流加速度计进一步包含与传感元件的系统连接的电路，用于放大和处理这个系统所生成的输出信号。
本发明还提供了一种测量角加速度、角速度或倾角的方法，该方法包括提供环形壳体，环形壳体包含液态介质和至少一个传感元件，传感元件具有用打孔的介电分隔片分离并排列在壳体的横断面中的至少一对导电构件。液态介质在角加速度的影响下在壳体内运动，因此，由于受迫对流，将离子向前转移并拖到传感元件。在这种情况下，根据传感元件和介电板的几何特性，来自传感元件中的每个导电构件的电流相对于不存在加速度时的电流的变化与角加速度、角速度或倾角的幅度成正比。
本发明的另一个目的是，提供一种测量角加速度和/或倾角的方法，该方法包含：(1)提供固定在具有环形通道的密封壳体中的安装模块；(2)将对对流敏感的至少一个传感元件固定在安装模块内；(3)将包含电解质的液态介质加入密封壳体中；(4)将一个或多个传感元件与电路连接；(5)通过使壳体围绕垂直于环形通道面的加速度计灵敏轴旋转，或通过使壳体相对于重力矢量倾斜一个角度以产生液态介质的受迫对流，使壳体经受角加速度；和(6)通过测量从一个或多个传感元件收集的输出电流的变化，来确定壳体的角加速度或倾角值，其中，在与一个或多个传感元件连接的电路中生成所述输出电流。
本发明的另一个目的是，提供一种包含密封壳体的线性加速度计，密封壳体带有部分填充有包含电解质溶液的液态介质的通道。安装模块固定在密封壳体中，使得安装模块沉浸在液态介质中。安装模块包含对液态介质的对流敏感的传感元件并沉浸在液态介质中，使得当线性加速度施加到对流加速度计上时，液态介质在受迫对流的条件下流经传感元件。所述线性加速度计还提供与传感元件连接的电路，其中，所述电路放大和处理所述传感元件所生成的输出信号。
本发明的一个目的是，提供一种灵敏度极高的加速度计。
本发明的另一个目的是，提供一种具有固有噪声电平同时降低的宽频率范围和动态范围的加速度计。
本发明的又一个目的是，提供一种可以安装在非常窄小空间中的小型对流加速度计。
本发明的一个目的是，提供一种设计简单和批量生产成本低的对流加速度计。
本发明的一个目的是，提供一种允许在宽频率和动态范围内高精度地测量角加速度、角速度和倾角的角加速度、角速度和倾角测量方法。
附图说明
下面参照附图进一步举例说明对流加速度计和用加速度计测量角加速度和倾角的方法。
图1是具有包含四个金属板和三个隔片的传感元件的对流加速度计的一个实施例的示意图；
图2是图1的设备的侧视图；
图3是安装模块的一个实施例的示意图；
图4是传感元件的系统的示意图(立体投影图)；
图5是介电隔片或金属板的一个实施例中的孔的排列的示意图；
图6是图5的设备的侧视图；
图7是具有多个金属板，并安排介电隔片将它们分隔开的传感元件的一个实施例的示意立体投影图；
图8是加速度计的转移函数在介电隔片的不同厚度值的增益-频率特性的示意图；
图9是导电构件的实施例的示意图，其中，所述导电构件是丝状结构；
图10是加速度计的一个实施例的示意性正剖面图，其中，加速度计包含保护电极；
图11是来自一对导电构件的输出电流与施加在其上的电压差的相关性的示意图；
图12是用于加速度计输出电压的温度校正的电路的示意图；
图13是用于加速度计输出电压的频率校正的电路的示意图；
图14示出了在不存在外部加速度的情况下，加速度计的输出电流与碱金属盐的不同浓度的相关性；
图15示出了在不存在外部加速度的情况下，加速度计的输出电流与碘的不同浓度的相关性；
图16是保护电极的一个实施例的示意图，其中，该电极被制成螺旋环；
图17是保护电极的一个实施例的示意图，其中，该电极被制成锥形螺旋；
图18示出了通过导线连接保护电极的本发明的一个实施例；
图19是包含环形通道的密封壳体的示意图，其中，环形通道是以这样方式制成的，外部和内部生成形状是偏心的，它们的圆心的分离度用e表示；
图20是其中安装了嘴状件的环形通道的示意图；
图21是容纳一对安装模块的环形通道的示意图，这对安装模块沿直径彼此相对布置，每个模块包含具有两个导电构件的传感元件；
图22是带有安装模块的环形通道的示意图，安装模块具有带有两对导电构件的传感元件；
图23是带有偶数个安装模块和相应传感元件的环形通道的示意图；
图24示出了按照本发明的线性加速度计；
图25示出了用于按照本发明的角加速度计的校准数据；
图26示出了穿墙检测实验中行走人员的特征谱；所述数据是用24-位数字化器在320sps(即，样本每秒)记录的；
图27示出了相距大约2米的旋转加速度计所记录的人的心跳和呼吸信号(24-位数字化器在40sps)。通过改进旋转加速度计的参数，可以将这种远程记录的距离提高到6米；
图28示出了出现在图27中的扫描谱；
图29示出了低成本地震检波器CB-10记录的谱；注意，地震检波器不检测地下仪器所生成的低频信号；
图30示出了CME4011宽带测震仪记录的钻井设备的平移运动的X分量谱；
图31示出了CME4011宽带测震仪记录的钻井设备的平移运动的Y分量谱。在1.1Hz上的峰对应于平移运动；
图32示出了CME4011宽带测震仪记录的钻井设备的平移运动的Z分量谱。在1.1Hz上的峰对应于平移运动；
图33是分子电子旋转传感器的示意图；
图34示出了3-分量MET旋转传感器(尺度：100×100×100mm3)的照片；
图35示出了按照本发明的旋转加速度计所记录的X分量谱；
图36示出了按照本发明的旋转加速度计所记录的Y分量谱；和
图37示出了按照本发明的旋转加速度计所记录的Z分量谱。

图1和2示出了按照本发明的对流加速度计的一个实施例，它包含密封壳体1、包含在密封壳体1中的包含电解质的液态介质2、以及刚性地固定传感元件4(图1)的安装模块3(图1，3)。
加速度计可以包含一个或多个安装模块3(图3)，每个具有(图1，4)对对流敏感的传感元件4。传感元件4(图1)可以包含导电构件5，譬如，由介电隔片6分隔开的两对(100，200)金属板。如图4所示，金属板和隔片被安排在交替层中并相互对齐，使得金属板的孔和隔片的孔相互吻合，以便允许(例如，包含电解质的)液态介质流过所述孔。注意，为了简单起见，图4只示出了两个导电构件5(这里被显示成金属板)和一个隔片6，它们只具有一个孔7，作为施加外部加速度的结果，使液态介质2自由地流过传感元件4。但是，本发明关注带有具有多个孔的金属板和介电隔片的传感元件。例如，导电构件5可以是具有输出触点8、9、10和11的金属板(参见图2)，以及介电隔片6可以像图5、6和7所示那样被打孔。在某些实施例中，所述孔具有相同尺寸和形状，并被安排成规则的网格图案。介电隔片6插在导电构件5之间，以防它们之间的可能电短路。但是，在某些实施例中，介电隔片也用于使液态介质2层流通过传感元件4。正如下面阐述的那样，隔片6的厚度也影响测量的频率范围。隔片6中孔7的直径d和数量再决定加速度计灵敏度，并对整个频率工作范围中加速度计转移函数的频率相关性产生影响。随着孔7的数量增加和它们的直径d增大，隔片6的流体动力学阻抗与孔7的数量和它们直径d的4次方成反比减小。因此，通过改变孔的数量和直径，可以改变加速度计的转移函数。更具体地说，转移函数的高截止频率与流体动力学阻抗成正比，使得频率范围随流体动力学阻抗增加而增加。考虑到这一点，对于侧边尺度为1.5×1.5毫米的正方形介电隔片6，孔7的有用数量是4个或更多。此外，孔直径的有用范围在大约1微米到大约300微米之间，最好在大约20微米到大约200微米之间。
隔片6的材料应当是抗液态介质2的腐蚀，并应当具有与传感元件4的其它组件相容的热胀系数，以免因温度变化而受到损害。可以使用许多不同的材料，适用的材料包括，例如，元素周期表的第4族元素的氧化物或氟化物、镁橄榄石、石英和玻璃。隔片厚度的有用范围从大约0.5微米到大约150微米。
金属板5和介电隔片6中的孔的形状没有具体限制，可以是任何形状。在一些实施例中使用了像例如正方形、长方形、圆形和/或卵形那样的几何形状。但是，由于流经传感元件4的导电构件的电流强度与导电构件与液态介质2接触的面积成正比，在特定优选实施例中，孔7是带有径向延伸的“射线”(即，“星状”)的圆形孔隙。可以通过物理或化学方法在导电构件和介电隔片中形成各种类型的孔，这些方法的非限制性例子包括冲压、激光打孔、化学蚀刻和电化学方法。
应当注意到，如图7所示，传感元件4可以包含金属板形式的多。个导电构件5和位于这些金属板5之间的一组介电隔片6。
为特定加速度计选择的安装模块3和相应传感元件4的数量取决于要测量的加速度的所需动态范围、所需线性度、频率范围和固有噪声电平。一般说来，增加安装模块和传感元件的数量导致动态范围、线性度和频率范围增加以及固有噪声下降。当导电构件具有金属板形式时，安装4到8个这样的金属板和3到7个由介电材料制成的隔片是有益的。最好，将金属板和隔片安装成基本上相互平行，并基本上与液态介质2的局部流动方向垂直。
导电构件5之间的距离影响要求保护的加速度计的转移函数的频率相关性：一般说来，测量加速度的所需频率范围越宽，导电构件应当安装得彼此越接近。
图8例示了有关导电构件之间的距离发生变化时加速度计的幅度-频率特性的数据。曲线12、13和14对应于导电构件之间的距离分别等于100、40和10微米。图8示出了对于不同的实际应用，可以通过改变导电构件之间的距离来改变加速度计的转移函数。对于具有频率范围在几kHz直到几十kHz(例如，大约1kHz到大约20kHz)的上限截止频率的加速度计，导电构件之间的距离最好从大约1微米到大约10微米。于是，对于这个频率范围，当将介电隔片用于分离导电构件时，介电隔片最好应当是大约1微米到大约10微米厚。
对于要求保护加速度计的一些实施例，如图9所示，导电构件5可以被制成包含多个导线的网。为了提供高强度的网，该网可以被制成斜纹组织，以及输出触点可以通过将扁平输出线焊接在网上而经由薄片15与网连接。例如，当导电构件5是形状为正方形以及侧边尺度为1.5毫米的网时，网的厚度在大约50微米到大约90微米的范围内，网可以包含直径从大约25微米到大约45微米的导线。一般说来，直径从大约10微米到90微米的导线可用于织造本发明的对流加速度计的网。铂族(第10族)金属是制造网的合适材料。但是，其它贵金属和它们的合金或其它抗腐蚀导体也可以用于制造所述导电构件。最好通过将导线电焊在一起来制成所述网，以便平行导线之间的间隔为大约20微米到大约90微米。
输出触点8、9、10和11可以由例如，直径为20微米到100微米的导线制成。在优选实施例中，输出触点具有与导线网和用于制造安装模块3和密封壳体1的材料相似的热胀系数。
下文提供了优化和操作对流加速度计的优选方式的描述。
按照本发明的对流加速度计的性能包含三种基本特性：噪声电平、动态范围和频率范围。如下所述，可以通过改变对流加速度计的某些物理属性(例如，孔尺寸、隔片厚度)来调整这些基本特性。应当注意到，在一些情况下，改变某些物理属性使基本特性之一得到改善，但使另一个变差了。不过，本领域的普通技术人员应当认识到，通过例行实验，通过适当地调整本发明的对流加速度计的不同物理特性，可以达到给定性能要求。
例如，为了降低噪声电平，应当减小流体动力学阻抗，并应当增大传感元件的尺寸和导电构件与液态介质的接触面。通过增加隔片和导电构件中孔的数量和/或它们的直径；当使用网型导电构件时增加平行导线之间的间隔；和/或减小隔片厚度、导电构件厚度或它们两者，可以减小流体动力学阻抗。利用大孔的厚导电构件；增加孔的数量；当使用网型导电构件时选择直径较大的导线和/或使用轧制导线；和选择具有长周长(例如，星状)的孔形状，可以增大导电构件与液态介质的接触面。
虽然通过减小流体动力学阻抗使得对流加速度计的噪声电平降低了，但动态范围和线性度随流体动力学阻抗增大而增大。通过安装这里所述的嘴状件；和/或选择这里所述的增加流体动力学阻抗的内部和外部生成形状，可以增加流体动力学阻抗。
除了在前一段中所述的方法之外，通过减小隔片的厚度，和/或使用较小直径的孔，也可以增大对流加速度计的频率范围。
举一个例子来说，当带有一个安装模块和没有嘴状件的对流加速度计具有直径为9毫米的环形通道、以及传感器元件带有厚度为30微米的导电构件、厚度为30微米的隔片和直径为200微米的相应孔时，对流加速度计具有如下性能特性：频率范围0-1000Hz，相对于1rad/sec2/√Hz，噪声电平-85dB，和相对于1Hz的通带1Hz中的噪声，动态范围138dB。
在例如施加给密封壳体1的角加速度沿箭头A(参见图10)的情况下，液态介质2开始流过对对流敏感的导电构件5。这样，作为溶解的盐和碘(例如，来自金属碘的溶解)的离子存在的电荷被带到导电构件5之一并从相邻导电构件析出，从而在传感元件4中生成其值与施加的加速度成正比的电流。为了进一步放大和处理从这些导电构件5收集的电信号，通过接线端8、9、10和11(图2)将导电构件5与电路16连接(图2)。在图10中示意性地示出了这个电路。
该电路包含运算放大器17，用于将从导电构件5收集的电流转换成电压。这样，运算放大器17的反馈电路中的电阻18决定从导电构件5收集的输出信号的总放大因子。该电路还包括加法器19，加法器19用于差分连接两对(100，200)导电构件5。在这种情况下，来自两对(100，200)导电构件5的差分电流与取决于导电构件5和介电隔片6的几何特性的角加速度、角速度或倾角的幅度成正比。电源20用作所有电路的电源。电源20的连接如下：电源20的正端与导电构件5的输出触点8和11连接，以及电源20的负端和导电构件5的输出触点9和10与运算放大器17的输入端连接。在不存在使液态介质2在与电源20的正负端连接的导电构件之间对流的外部加速度的情况下，直流电JA经过电路。如图11所示，这个电流的值取决于施加电压U的值。在这种情况下，与电源20的负端连接的导电构件5之间的空间几乎没有电荷载流子。当加速度计经受图10中箭头A所指方向的外部加速度时，液态介质2将附加电荷带到第一导电构件5并从第二导电构件带走电荷。相应地，从第一导电构件5收集的电流增加，以及从第二导电构件收集的电流减小。由于从两个导电构件5收集的电流几乎独立于运算放大器17的反馈电路中的电阻18，液态介质2的运动所引起的电流的小变化导致在电阻18两端出现高电压。因此，在传感元件4中，信号被放大，并且根据电阻18的值，放大因子可以高达107。于是，仅通过液态介质2形式的小惯性质量，流加速度计具有极高灵敏度。
将导电构件与电路连接的可替代方式包括将电源的正端和导电构件5的输出触点8和11连接到运算放大器17的输入端，并将导电构件5的输出端9和10直接连接到电源的负端。但是，在这种情况下的电子噪声在高频上较高。
将导电构件与电路连接的又一种方式是将电源的正端和导电构件5的输出触点8和11与一对运算放大器的输入端连接，并将电源的负端和导电构件5的输出端9和10与另一对运算放大器的输入端连接。加法器将具有与每个运算放大器的输出端连接的四个输入端，使得加法器的输出是从每个运算放大器收集的电压的线性组合。在这种情况下，电子噪声在高频上较高以及在极低频上较低。
正如下面阐述的那样，校正电子线路也可以用于通过补偿因环境温度变化引起的输出电压波动，从而补偿频率特性变化来提高加速度计的温度稳定性。环境温度的变化可能通过改变液态介质2的粘性来影响加速度计的输出信号。电子补偿温度相关性的公知方法可以用在本发明中。在一个实施例中，温度系数与液态介质2的温度粘滞系数一致的半导体热敏电阻21(图12)用于补偿温度变化。
来自加法器19(在图12中未示出)的输出端的信号通过电阻22馈入运算放大器23的输入端，运算放大器23的反馈电路包括热敏电阻21以及调整电阻24和25。当运算放大器23被插入如图12所示的电路中时，其中，b和c是运算放大器23的输入端，以及d和e用于与电源20(在图12中未示出)连接，它的放大因子随温度的变化而变化，以便不管环境温度是否发生变化，都能提供加速度计的恒定频率特性。根据所需应用，用于加速度计的转移函数的频率补偿的电路也可以用于扩大加速度计的有效频率范围。例如，通过利用频率校正电路，可以将带有厚度为25-40微米的介电隔片6的加速度计的频率范围扩大到隔片厚度为6.5到8微米的加速度计的频率范围。
在图13中给出了频率校正电路的例子。
来自加速度计的输出信号Vout提供给频率校正电路的输入端，以便在输出端上产生扩展通带。频率校正电路包含如图所示连接的运算放大器26。加法器19(在图13中未示出)的输出电压通过电阻27提供给运算放大器26的输入端f。输入端g接地，以及h和i用于连接电源20(在图13中未示出)。电阻28设置加速度计的灵敏度，而由电壳体29和电阻30组成的校正电路R2C1与电阻27一起限制高频的放大并用于形成加速度计的所需通带。
加速度计的灵敏度还取决于包含在壳体1中的液态介质2的物理和化学特性。在优选实施例中，希望液态介质2在最大溶度上具有最小粘度。并且，液态介质可以包含盐(例如，碱金属或碱土金属盐)和能够用作路易斯(Lewis)酸和路易斯碱的溶质，譬如，溶解的金属碘。适用于这种目的的溶剂包括，例如，能够溶解有机或无机盐，最好是诸如碱性盐的金属盐的蒸馏水和有机溶剂。当溶解碱金属盐时，溶液的密度增加，导致加速度计的灵敏度增加。因此，在某些实施例中，希望溶解盐的浓度高，最好接近溶度极限。一般说来，溶解盐的有用浓度范围为大约0.5摩尔/升到大约4.0摩尔/升，最好为大约2摩尔/升到大约4摩尔/升。此外，盐和用作路易斯酸/碱的溶质(例如，碘)的纯度应当至少98.5％，但在大多数情况下，最好99.98％。加速度计的电流输出由溶解金属碘的浓度决定，溶解金属碘的离子是能够从导电构件5接收电子和将电子归还给导电构件5的电荷载流子。因此，让上面的盐变成饱和溶液并让溶解金属碘的最小浓度达到0.0002N是有益的。这种浓度的溶解盐使仪器可以在负温度低到例如-70℃的宽范围内工作。金属碘浓度可以较低，但在这种情况下，要求保护的加速度计的电流输出可能不足以使包括用于温度和频率校正的电路在内的电路正常工作。溶解金属碘的有用浓度范围为大约0.0002摩尔/升到大约0.4摩尔/升，最好，大约2摩尔/升到大约4摩尔/升。溶解盐可以包含元素周期表的第II族的金属的盐，它们在流体中具有不低于碱金属盐的溶度。最适用于这个目的是例如钡盐，对于盐溶质的给定摩尔浓度，在最大溶度上，它们具有比碱金属盐的相应溶液密度大1.5倍的溶液密度。
除了灵敏度之外，加速度计的重要特性是它的固有噪声电平。当安装加速度计时，用作电荷载流子的碘离子受重力影响，并可能聚集在传感元件5的底部附近。其结果是，溶液密度发生局部变化，从而引起自由对流。密封壳体1内自由对流的存在导致波动，并甚至导致在不存在外部加速度的情况下，加速度计的输出端上的电流的自激振荡。盐和金属碘的含量的严格平衡可以使振荡得以避免，并最小化自由对流的噪声的影响。图14和15给出了与溶解盐和金属碘的不同溶度有关的数据，其中，横坐标是观察时间，以及纵坐标是在不存在外部加速度的情况下要求保护的加速度计的输出电流值。
在图14中，输出电流被描绘成在0.0002摩尔/升的恒定碘浓度上，不同KI浓度的函数。曲线31-34分别对应于4、3、2和0.2摩尔/升的KI浓度。在图14中给出的数据的比较表明，在碘的固定浓度上，由自由对流引起的输出电流的幅度在2摩尔/升的碱金属盐浓度上是可接受的，即使碱金属盐浓度下降，它几乎没有变化。
在图15中，曲线35-38分别对应于0.8摩尔/升、0.5摩尔/升、0.1摩尔/升、0.02摩尔/升的溶解金属碘浓度。关于这些研究，金属碘溶解在2 M KI溶液中。数据比较表明，在固定碱金属盐浓度上，由自由对流引起的输出电流的幅度在0.02摩尔/升的碘浓度上最小。随着碘浓度进一步下降，输出电流单调减小。
基于上述相同原理，这里所述的对流加速度计还用作倾角计，除了外部加速度的作用被加速度计灵敏轴相对于重力矢量的倾角所取代。应当注意到，灵敏轴取决于所涉及的加速度计的类型。例如，对于这里所述的具有填充液态介质的环形通道的旋转加速度计(参见例如，图1)，灵敏轴与环形通道所定义的平面垂直。另一方面，这里所述的具有部分填充液态介质的环形通道的线性加速度计(参见例如，图24)的灵敏轴具有在环形通道所定义的平面内的灵敏轴。在任何情况下，当要求保护的加速度计倾斜时，液态介质2开始运动，以及加法器19产生与倾角成正比的电压。
如下的描述提供了本发明的一些示范性实施例。
在一个实施例中，如图10所示，可以在距离导电构件5的固定距离安装两个附加电极39和40。一般说来，保护电极应当尽可能接近传感元件的最外面的导电构件，以及在一些实施例中甚至可以接触。在其它实施例中，传感元件的最外面导电构件与保护电路相隔大约5微米到大约120微米。附加保护电极39和40的存在导致在导电构件5以外的电荷载流子的浓度空间不均匀，从而减小由容积中和导电构件5的表面附近的液态介质密度差引起的自由对流。对于这种应用，附加保护电极39和40的形状没有具体限制，一般可以是(1)与液态介质2的接触面大(即，等于或大于导电构件与液态介质之间的接触面的接触面)，和(2)对流体动力学阻抗的贡献最小(即，至少传感元件的流体动力学阻抗的二分之一)的任何形状。例如，保护电极可以具有环状螺旋41(图16)、锥形螺旋42(图17)、或像如图9所示的扁平网那样的形状。为了提供高工作稳定性，如图18所示，保护电极39和40最好通过导电构件43互连。在优选实施例中，保护电极39和40(图10)与电源20的正端连接。并且，当像下面更全面描述的那样，使用不止一个安装模块时，最好为每个安装模块提供相应保护电极。
密封壳体1(图1)用于容纳液态介质2并防止液态介质2的任何泄漏或蒸发。许多类型的材料或材料组合可以用于制造密封壳体1，只要这些材料或材料组合对液态介质2呈现化学稳定和非导电表面即可。例如，密封壳体1可以根据利用扩散焊的标准陶瓷技术制成，也可以由石英、玻璃、或化学稳定塑料材料制成。输出触点8、9、10和11是密封端并用于将导电构件5与电路连接。在某些实施例中，提供了与密封壳体1做在一起的顶箱44，顶箱44用作膨胀体，以便在环境温度波动的宽范围内补偿液态介质2的热膨胀。液态介质2通过入口45进入密封壳体1。
密封壳体1(图19)可以配有也填充有液态介质2的通道46。通道46的形状由外部和内部生成形状限定，外部和内部生成形状可以是相同类型的形状或不同类型的形状。生成形状的类型没有具体限制，可以是任何封闭形状(例如，椭圆形、圆形、长方形、正方形、卵形或甚至不规则形状)。例如，当外部和内部生成形状是圆形，以及通道的横断面是圆形时，通道包含环形管道。应当注意到，本发明也关注非环形管道，包括可以具有相同或不同内部和外部生成形状的那些管道、和/或不具有圆形横断面的管道。但是，环形管道的有利之处在于，最小化可以由引起加速度计响应的变化的外部环境的温度和压力变化所引起的可能壳体变形的影响。于是，甚至在存在环境干扰的情况下，带有环形管道的加速度计也可以提高对在外部加速度的影响下由受迫对流引起的液态介质2的运动的灵敏度。通道46包含通常通过毛细管47(图2)进入的液态介质2，毛细管47让液态介质2自由地从顶箱44流入环形通道46(图19)中。环形通道46可以以这样的方式制成，那就是，内部和外部生成形状是相互偏心的。内部和外部生成形状的偏心度用e表示，e代表内部和外部生成形状的中心之间的距离。对于某些优选实施例，e可以在大约0.1毫米到大约5毫米之间变化。对于高频应用，让对流加速度计具有大的e值(即，≥1毫米，参见图19)是有益的，因为加速度计的截止频率随e值增加而增大。
另外，在一些实施例中，可以通过利用“嘴状件”改变对液态介质2的运动的流体动力学阻抗值，来改变对流加速度计的频率范围。这里，“嘴状件”被定义成添加到密封壳体以便提高通道46的流体动力学阻抗的物体。例如，可以将嘴状件安装在通道46的一个壁上(图20)。这个部件的存在导致通道46局部收缩，从而提高流体动力学阻抗。嘴状件48的数量可以改变，并可以通过首先确定特定频率范围所需的流体动力学阻抗，然后确定达到那个流体动力学阻抗所需的嘴状件数量来确定。正如本领域的普通技术人员所理解的那样，这些参数可以从例行实验中确定。作为利用嘴状件的一种替代手段，通过选择提供通道的必要收缩的内部和外部生成形状，可以实现通道46的局部收缩，以达到所需流体动力学阻抗。例如，如果对内部生成形状是直径为d的圆形的环形对流加速度计进行修改，以便内部生成形状是侧边尺度为d的正方形，那么，修改的加速度计的流体动力学阻抗将大于原加速度计的流体动力学阻抗。这是因为通道在伸到通道中的正方形角上被局部收缩了。
导电构件5可以彼此等距离地排列在安装模块3(图1)的中心，以便最小化静态下流过每对导电构件100、200的电流的绝对值之间的差，并最小化每对导电构件的幅度-频率特性相对于另一个的偏差。导电构件5可以位于与安装模块3的壁相距固定距离以避免可能的未对齐。当导电构件具有网形式(参见图9)时，介电隔片中的孔的中心最好与网中单元(即，导线之间的空间)的中心相对。最好，网的区域应当与隔片中的孔所覆盖的区域重叠，边缘等于孔的半径。为了提高加速度计的特性的线性度，环形通道46(图19)可以配有沿直径彼此相对布置的两个安装模块3(图21)。每个安装模块3至少包括一对导电构件，但为了提高加速度计的灵敏度，如图22所示，安装模块3可以包括第二对导电构件。安装模块3的数量可以改变，但在一些实施例中，最好使用偶数个安装模块3，以及对称地排列并围绕密封壳体均匀地隔开安装模块，以便提高加速度计响应的线性度(例如，参见图23)。在优选实施例中，围绕环形密封壳体将安装模块对称地排列成1°或更小空间公差。在这种情况下，通过对从每对导电构件获得的数据求平均，可以相当大地提高加速度计测量的精度，因为测量误差随安装模块的数量n增加以1/sqrt(n)减小。一般说来，将安装模块和导电构件的数量选择成在高灵敏度和截止频率之间达到最佳平衡。
本发明还提供了能够测量线性加速度的加速度计。在一个实施例中，线性加速度计包含只部分充有如这里所述的液态介质的环形管道。如图24所示，这种线性加速度计的环形管道是这样取向的，环形面与重力g的方向平行，以及包含传感元件的至少一个安装模块3是这样安装的，它淹没在环形管道中的液态介质中。在优选实施例中，环形通道一半充有液态介质2。这种线性加速度计的灵敏轴A位于圆环定义的平面内并与重力方向垂直。当加速度计经受具有沿灵敏轴的分量的加速度时，液态介质响应加速度，如图24中的曲线箭头所指的那样流动，导致如虚线所指的那样，圆环的不同部分中液态介质2的水平面发生变化。由传感元件以基本上与针对上述角加速度计所述相似的方式检测液态介质的这种运动。本领域的普通技术人员应当认识到，非环形形状也可以用于线性加速度计。作为一个非限制性例子，内部和外部生成形状可以是同心长方形或卵形。
利用加速度计收集的数据，通过数学方法，例如利用在现有技术中公知的计算机积分方法也可以计算速度和位移。因此，本发明可以用作加速度计、倾角计和速度或位移的测量设备。
加速度计的外部尺度可以做得很小，使整个设备可以放在标准新式14-管脚芯片中，并可以具有安装在标准卡上的输出配置。对于包括家用电器、娱乐设备、控制和稳定系统、海洋、地面和空中导航网络、汽车和诊断台的监视系统、矫形设备、神经外科仪器和侵入报警系统的各种各样应用，按照本发明的设备都可以做得足够小。加速度计可以安装成水平的、垂直的或倾斜成任意角度。
至于灵敏度、频率和动态范围，按照本发明的加速度计比相同尺度的所有现有技术设备好至少两个数量级。设计简单、低生产成本和在不同条件下的高工作可靠性使它非常适合十分不同实际应用中的大规模使用。
虽然上面参照本发明的特定实施例对本发明作了详细描述，但对于本领域的普通技术人员来说，显而易见，可以作出各种各样的改变和修改，和可以应用各种各样的等效物，而不偏离本发明的精神和范围。
例1
这个例子提供了具有单个安装模块的角加速度计。安装模块被安装在具有如下参数的环形密封壳体中：
1.直径：9毫米；
2.通道尺寸：2×2毫米；
3.e值：零。
传感元件包含由3个隔片分隔开的4个电极。电极是具有2×2毫米面积和直径为200微米的9个圆孔的30微米厚金属板。隔片是具有2.5×2.5毫米面积的45微米石英板。隔片也具有直径为200微米的9个圆孔。
对于20-1000Hz频率范围，利用旋转振荡振动台(IMV，日本)，以及对于0.08-40Hz频率范围，利用俄罗斯分子电子技术中心(Center for Molecular Electronics(CME)，Russia)为这些测试提供的旋转振荡校准器来测量加速度计的转移函数。
在20-1000Hz频率范围内，以80-400rad/s2范围内的恒定角加速度来驱动IMV振动台。测试传感器输出信号由Velleman数字PC示波器/谱分析器PCS32i记录和分析。
CME校准器的最大角位移是1°。这个值限制了最大加速度，因此，限制了传感器的输出信号，尤其在低频上。其结果是，在低频上，传感器的输出信号可以下降到校准处理中使用的12-位数字化器的分辨阈值以下。因此，以借助于这种设备可达到的最大角位移来驱动校准器。另外，使用了对于0.08-3Hz频率范围，放大因子为100的前置放大器。利用与校准器设置结合在一起的特定硬件和软件来累积和处理校准数据。
换算成原加速度计增益的所得曲线显示在图25中。
噪声测试在夜间进行。24-位高分辨率数字化器用于记录数据长达6个小时。放置两个相同加速度计，灵敏轴排列在相同方向上，以及相关数据处理技术用于从记录数据中减去地震信号和数字化器自噪声的相关部分。通过对16个样本求平均来计算最终噪声。在这种情况下，发现传感器的自噪声本底在0-500Hz频率范围内是频率无关的。在减去了信号的相关部分(排除数字化器自噪声)之后，发现自噪声本底的绝对值相对于1rad/sec2/√Hz，等于-85dB。综合噪声具有如下值：
在1Hz上，在通带1Hz中，-5×10-5rad/sec2。
传感器的整个范围大于或等于400rad/sec2。对于这个范围，谐波失真和与信号电平的增益相关性都在等于4％的实验设备精度以下。此外，定义成传感器整个范围与噪声电平之比的动态范围具有如下值：
相对于1Hz上通带1Hz中的噪声，138dB。
例2
要求保护的对流加速度计的极其重要应用之一是用于提高住宅安全性。为了达到这个目的，可以以许多方式使用加速度计。这里描述三个非限制性例子：侵入者检测、侵入者识别和远程测谎。
关于侵入者检测，要求保护的对流加速度计的高灵敏度允许通过检测侵入者脚步和/或诸如心跳和呼吸的生理信号，甚至通过建筑物的墙体和地板来远程感测侵入者的存在。图26示出了如安装在地板上的旋转加速度计所检测的行走人员的特征谱。注意，尽管人正行走在另一层上并与加速度计相距超过10米，也可以区分他的分离脚步(用箭头标记)。图27示出了与人相距大约2米的旋转加速度计所记录并用24-位数字化器以40sps(即，40个样本每秒)处理的人的心跳和呼吸信号。通过增加传感器尺度和减小加速度计的流体动力学阻抗，可以将这样远程记录的距离提高到6米。利用这里所述的对流加速度计的远程感测比基于光学或红外的侵入者检测方法有利，基于光学或红外的侵入者检测方法往往要求在侵入者与检测器之间存在直接视线。
除了侵入者检测之外，要求保护的加速度计还可以用于根据人的生理信号来识别他。例如，图28例示了利用按照本发明的旋转加速度计获得的人的心跳和呼吸信号的频率谱(“生理震动图”)。如图所示，不同谱特征已被指定成个人的呼吸和心跳。由于人们一般具有不同的心率和呼吸模式，根据这样的参数来生成个人体征的能力对于识别个人或区分两个或更多个人是非常宝贵的。
本发明还关注将加速度计用于远程测谎。正如在现有技术中已知的那样，某些类型的测谎仪通过检测人说谎时神经更加紧张而引起的人的心率变化来工作。由于这里所述的对流加速度计能够远程检测心跳，所以对流加速度计可以用作远程测谎仪。例如，通过将对流加速度计安装在机场检票口附近(例如地板下)，机务人员就可以确定当询问潜在旅客的行李内容时，他是否变得更加神经紧张。此外，由于感测是远程完成的，因此是暗中完成的，即使真的是恐怖分子，潜在旅客也不知道让自己平静下来而给出假的读数，如果将他绑在传统测谎器上，他可能就会这样做。这样，就可以获得潜在旅客情绪状态的更精确评估。
例3
这个例子示出了按照本发明的对流加速度计可能适用于地震应用，譬如，地震成像或石油勘探。尤其，如这里所述的旋转加速度计可以适用于测量不同地震区，或更准确地说，直接测量位移区的curl。与此不同，不同地震区的现有技术测量是间接的，需要两个隔开的线性传感器和基于线性传感器输出的一系列计算。
通过使用如这里所述的线性和旋转加速度计的组合，通过3D高分辨率地震测量可以获得足够多的有关地下地质条件的信息。与只能记录地震声波信号的第一次到达的传统地震检波器不同，旋转和线性加速度计的组合分开地通过旋转传感器捕获横波的第一次到达，以及通过线性传感器捕获纵波的第一次到达。这是因为旋转传感器对平移运动不敏感以及线性传感器对旋转运动不敏感。因此，可以高精度地测量Δt＝t1-tt，其中，t1和tt分别是纵波和横波第一次到达的时刻。纵波和横波的分开到达允许不仅确定杨氏模量而且确定泊松比。因此，使以高得多的精度识别媒体沿着波传播方向的特性成为可能。
所推荐仪器的另一个优点是，允许在特定安装点之间内插来自旋转和线性加速度计组合的数据，确定这些点之间的地震区，从而与传统手段相比，用相同或较少测量点数就可以获得地震区的高分辨率图像。
下面提供了利用按照本发明的线性和旋转加速度计构造的廉价高分辨率3D地震仪器的参数。
●频率范围：1-1000Hz；
●动态范围：126dB；
●噪声电平：对于旋转通道，5×10-5rad/sec2/√Hz，以及对于线性通道，10-6m/sec2/√Hz；
●功耗：来自12V的5mA；
●温度范围：-40℃到+55℃(可选地，直到+100℃)；
●总组合传感器系统尺度：
直径：30mm；
长度：170mm。
传感器的高灵敏度和小尺寸使人们可以从根本上简化测量并降低它们的费用，因为可以减小钻孔的直径，增大它们之间的距离，和降低信号源的功率。这显著地增加了可获得的信息量，并提高了3D地震测量的分辨能力。
本发明的对流加速度计还为油气萃取和/或勘探期间的钻井设备控制创造了新的机会。一般说来，存在两种在油气萃取期间控制钻井设备的手段：(1)将传感器放在钻头上。在这种情况下，存在在高振动和温度环境下传感器正常工作和将数据发送到表面的几方面问题；或(2)将传感器放在地表上。在这种情况下，传感器应当极其灵敏，以检测钻井设备生成的信号，并且还能够在嘈杂环境下选择有用信号。
本例把注意力集中在第二种手段上，尤其使用配有低噪声、高质量、宽带对流加速度计的地震网络，这种对流加速度计可以与测量地震参数类似地测量钻井设备参数。利用传统传感器获得的谱显示在图29-32中。在这些研究中，传感器被安装在地表上。这些数据是为低成本垂直地震检波器(型号CB-10，频率范围5-120Hz：Guralp(英国)型号CMG40T的俄罗斯类似设备)、和线性三分量宽带测震仪(型号CME4011，频率范围0.033-20Hz：Mark Products(美国)型号L28的俄罗斯类似设备)显示的。传感器处在与钻机相距600米的位置，而工作钻头位于地表下大约1公里深的地方。实验是在春季洪水泛滥期间进行的，钻机和传感器位于被浅水分隔开的两个小岛上。
从上面给出的数据中可以得出如下结论：(1)低成本垂直地震检波器(29)不能检测地下设备所产生的低频信号，因此，对于本实验来说是无用的；(2)宽带测震仪记录与钻井设备的平移运动相对应的峰(在图31-32中，1.1Hz上的峰)；和(3)没有用在测试中的线性加速度计检测到与钻头旋转相对应的谱分量。
但是，用分辨率为5×10-7rad/sec和频率范围为0.05-100Hz的旋转对流加速度计测量了钻头旋转。它的工作原理例示在图34中。图34给出了三分量旋转对流加速度计的图像，和图35-37示出了用三分量旋转传感器记录的谱。只有旋转传感器检测到与钻头旋转的频率(0.8Hz)和它的2次和3次谐波(相应地，1.6和2.4Hz)相对应的频率。这些峰在钻头停止时消失了，在重新工作之后又重新出现。这样的峰在线性加速度计的谱中观察不到，因为它们被与刮风天尤其明显的水表面振荡有关的背景地震噪声掩盖了。但是，由于旋转传感器的空间过滤能力，这种噪声不影响旋转传感器。
这个实验结果表明，在油气工业中，旋转传感器在如下领域中具有巨大潜力：(1)远程监视钻头状况；(2)确定钻井方向，利用通过旋转传感器的所有三个分量测量的信号幅度之间的关系使之成为可能；和(3)利用钻头的瞬时方向和钻入距离来确定钻头的位置和速度。应当强调的是，所有这些测量和数据处理可以从地表进行到相对于钻机深达约1公里的距离。