用于加速計的彈簧安裝元件的制作方法

專利名稱：用于加速計的彈簧安裝元件的制作方法
技術領域：
本發明涉及加速計和彈簧安裝元件，并且更具體而言，涉及耐受極端條件特別是高溫的電容性加速計和彈簧。
背景技術：
加速計用來測量加速度，并且呈若干種形式。電容性加速計具有懸掛在兩個傳導性板之間的彈簧上的傳導性質量塊，這稱為震動檢測質量塊或慣性檢測質量塊。諸如空氣或非活性氣體的氣體占據質量塊和板之間的空間。該布置形成兩個電容器，一個在各個板和檢測質量塊之間，氣體用作電介質。當裝置經歷加速時，檢測質量塊運動成更靠近一個板或另一個板，從而減小檢測質量塊和一個板之間的間隙，同時增大檢測質量塊和另一個板之間的距離，從而改變電容器中的電容。通過比較電容，可確定加速度的方向和幅度。但是， 由于它們的結構的原因，大多數電容性加速計僅可沿著一個軸線來測量加速度。為了沿著不止一個軸線來測量加速度，必須為所關注的各個軸線提供一個加速計，這可能會變得復雜。另外，因為它們的材料和構造的原因，電容性加速計往往易于在例如可在燃氣輪機中經歷到的高溫處失效。

發明內容
在本發明的一方面，提供了一種帶有具有內部徑向周邊和外部徑向周邊的內部環和具有內部徑向周邊和外部徑向周邊的外部環的彈簧安裝元件。多個支承元件附連到內部環的外部徑向周邊上且對稱地設置在該外部徑向周邊的周圍，并且附連到外部環的內部徑向周邊上。該多個支承元件允許內部環沿三個維度運動。在本發明的另一方面，提供了一種加速計。該加速計具有輪廓和表面積基本相同的凹的第一表面和第二表面，并且第一表面面向第二表面。至少一個導電區域在第一表面和第二表面中的各個的相應的部分上。彈簧安裝元件包括具有內部徑向周邊和外部徑向周邊的內部環以及具有內部徑向周邊和外部徑向周邊的外部環。多個支承元件附連到內部環的外部徑向周邊上且對稱地設置在該外部徑向周邊的周圍，并且該多個支承元件附連到外部環的內部徑向周邊上。檢測質量塊附連到彈簧安裝元件上，并且支承在第一表面和第二表面之間，以在它們之間運動，并且檢測質量塊的至少一部分是導電的。彈簧安裝元件允許檢測質量塊沿三個維度運動。


圖1是根據本發明的一方面的加速計的透視圖；圖2是根據本發明的一方面的加速計的透視分解圖；圖3-8是根據本發明的各方面的加速計的半球形表面的示意圖；圖9是根據本發明的一方面的調節電路的示意圖；圖10是根據本發明的一方面的調節電路的示意圖11是根據本發明的一方面的彈簧安裝元件的透視圖；圖12是根據本發明的一方面的彈簧安裝元件的側視圖；圖13是根據本發明的一方面的彈簧安裝元件的俯視圖；圖14是根據本發明的一方面的彈簧安裝元件的俯視圖；圖15是根據本發明的一方面的彈簧安裝元件的俯視圖；圖16是根據本發明的一方面的彈簧安裝元件的俯視圖；以及圖17是根據本發明的一方面的彈簧安裝元件的俯視圖。部件列表10加速計11第一表面12第二表面13 第一板14 第二板15 切口16 切口17 端部18 端部20檢測質量塊30彈簧安裝元件310導電區域320-660 導電區域910 第一電容920 第二電容930調節電路940 信號1010-1060 電容1070調節電路1080 信號1085 信號1090 信號1110 內部環1120支承元件1130 外部環1300彈簧安裝元件1310 內部環1320支承元件1330 外部環1331 突片1340 孑L
1500彈簧安裝元件
1510內部環
1511鍵
1520支承元件
1530外部環
1600彈簧安裝元件
1610內部環
1611孔口
1620支承元件
1630外部環
1700彈簧安裝元件
1710內部環
1711孔口
1720支承元件
1730外部環
具體實施例方式參看附圖，公開了根據本發明的各方面的加速計和彈簧安裝元件的實例。出于闡述的目的，在圖中顯示了以及在后面的詳細描述中闡述了許多特定細節，以便提供對本發明的各方面的全面理解。所顯示和描述的細節是實例，而不限制本發明的范圍。但是，將顯而易見的是，可在沒有這些特定細節的情況下實踐本發明的各方面。在其它情形中，為了簡化附圖，示意性地顯示了眾所周知的結構和裝置。如在圖1和2中所看到的那樣，根據一方面，加速計10包括形成于第一板13和第二板14中的、半球形凹的第一表面11和第二表面12，第一表面11面向第二表面12。雖然在實例方面顯示了半球形表面，但是可使用其它構造，例如(但不限于)多邊形表面、橢圓形表面、雙曲線表面和拋物線表面，以及任何其它合適的表面，只要第一表面和第二表面具有基本相同的輪廓和表面積即可。第一表面11和第二表面12有基本相同的曲率半徑、表面積和其它尺寸，例如(但不限于)在板13、14的深度和表面處的周長。第一表面11和第二表面12中的各個均具有是導電區域或承載導電區域的至少一部分，各個導電區域居中定位在其相應的部分的表面中心的周圍。震動檢測質量塊或慣性檢測質量塊20通過基本全方向的類似彈簧的安裝元件30 (例如彎曲板和/或彈簧)而懸掛在第一表面11和第二表面12之間，使得檢測質量塊20可在沿多個維度的運動中進行接合。雖然在實例方面顯示了球形檢測質量塊20，但是可在本發明的范圍內使用其它構造或輪廓，例如(但不限于) 多邊形、橢圓形、雙曲線和拋物線輪廓。彈簧安裝元件30允許檢測質量塊沿一個維度、二個維度或三個維度運動。如已知的那樣，物體在多維空間中的運動可由其沿著軸線的運動分量來描述。例如，二維運動可由沿著兩個相互垂直的軸線的運動分量來描述。類似地，例如， 三維運動可由沿著三個相互垂直的軸線的運動分量來描述。檢測質量塊20的至少一部分是導電的。檢測質量塊20與第一表面11和第二表面12之間的空間25填充有用作電介質的氣體。在一方面，該氣體在高溫處是非活性的或者具有低的活性，例如氦氣，但是可使用其它氣體，只要它們對于本文公開的目的具有合適的低活性即可。為了允許彈簧偏轉，第一板和第二板中的各個均包括切口，例如在相應的半球形表面11、12的開口周圍的平頂圓錐形切口 15、16。第一板13和第二板14的接合表面 17,18的其余部分接合和固持彎曲板。在本發明的一些方面，第一板13和第二板14、彈簧安裝元件30和檢測質量塊20由非傳導性材料制成。通過將金屬涂層或傳導性涂層施用到板13、14的第一表面11和第二表面12以及檢測質量塊20上來形成第一板11和第二板12 以及檢測質量塊20的導電部分。這樣的涂層將具有厚度，但是只要該厚度基本均勻即可， 厚度的影響被抵除和/或是可忽略的。在高溫應用中，金屬涂層由具有高熔點的金屬制成， 使得涂層在加速計和彈簧所遭受的高溫處能保持不受干擾。在高溫應用中，制造第一板13和第二板14的材料可為耐高溫的陶瓷材料。對其它應用可采用其它材料，如在本發明的范圍內適當的那樣。雖然板13、14在圖1和2中顯示為圓柱形，但是在各方面可采用其它形狀。類似地，雖然允許彈簧安裝元件30運動的切口部分15、16顯示為平頂圓錐形的，但是可應用其它形狀，只要它們適應彈簧安裝元件30 的適當運動即可。制造震動質量塊或慣性檢測質量塊20的材料也可為陶瓷材料，特別是在高溫應用中，但是可使用其它合適的材料。如圖1中所顯示的那樣，彈簧安裝元件30附連到檢測質量塊20上，使得彈簧安裝元件30的內周緣隨檢測質量塊20而運動。在其外周緣處，彈簧安裝元件30由上部板13和下部板14的端部17、18保持。可包括外殼40，以將組件保持在一起，以及提供密封室來保持電介質氣體。對于高溫應用方面，外殼可為不銹鋼、陶瓷或另一種合適的耐熱材料。圖1 中顯示的外殼40僅是實例，并且可使用外殼的其它形狀、大小、類型和組件，而不偏離本發明的各種方面的范圍。如在圖3和4中所看到的那樣，各個半球形表面11、12均具有承載相應的導電區域310、320的一個部分。在圖3和4中顯示的方面，各個完整表面11、12涂覆有金屬來形成導電區域310、320，但是可采用較小的涂覆區域來形成導電區域310、320，只要它們的大小相同且導電區域310、320的中心與它們所應用到的相應的表面的表面中心一致即可。各個導電區域310、320與檢測質量塊20形成電容器。當單個涂覆部分310、320在各個表面上時，加速計10可根據在加速計10經歷加速度或至少其沿著軸線的分量時檢測質量塊20 的偏轉引起的電容的變化，來測量加速度的沿著單個軸線的分量。例如，如在圖3中看到的那樣，標為Z軸的單個測量軸線穿過半球的中心。如在圖5和6中所看到的那樣，一方面在各個半球形表面11、12中采用是導電區域410、420、430、440、450、460、470和480或承載它們的四個部分。采用區域的組合來測量加速度或其沿三個維度的分量。八個導電區域410、420、430、440、450、460、470和480中的各個均與導電區域中的相鄰的導電區域電隔離開。例如通過使表面的一部分不涂覆而在區域之間形成邊界來實現電隔離。各個導電區域與間隔開的檢測質量塊有效地形成電容器。 相對的區域對形成可測量加速度或至少其沿著穿過相應的相對的對的軸線的分量的相對的電容器。另外，可使用相對的對的區域組或區域群來測量加速度或至少其沿著穿過相應的相對的對的區域群的軸線的分量。例如，在各方面，使用如圖5和6中所看到的那樣的八個導電區域的組合，允許通過例如測量加速度的沿著三個相互垂直的笛卡爾軸線的分量來測量空間中的加速度。例如，可通過比較第一組區域410和450的總電容與第二組區域430和470的總電容來實現加速度的沿著圖6中所標的y軸的分量的測量，通過比較第三組區域420和460的總電容與第四組區域440和480的總電容來實現加速度的沿著圖6中所標的χ軸的分量的測量，以及通過比較第五組區域410-440的總電容與第六組區域450-480 的總電容來實現加速度的沿著ζ軸的分量的測量。可使用其它設定和定向來提供類似的結果。在一方面，如在上面論述的每個半球形表面有單個導電區域的情況下，導電區域可小于它們所應用到的表面的相應的部分，只要各個導電區域的中心與其所應用的到相應的部分的表面中心一致即可。另外，導電區域應當全部為基本同樣的大小。較一般的原理是由相對的導電區域或其相對的對稱的組或群形成的相對的電容器對可測量沿著穿過相對的導電部分的中心和處于其初始位置上的檢測質量塊的中心的軸線的加速度。因此，本發明不限于如上面描述的每個半球形表面有一個或四個導電區域， 而是可如適于給定情形那樣具有兩個、三個、五個或更多個導電區域。如在圖7和8中所看到的那樣，根據一方面，備選的三軸線加速計采用彼此電隔離開的六個導電區域610、620、630、640、650、660，在各個半球形表面11、12中有三個。再次， 可通過使表面的部分不涂覆而在區域之間形成邊界來實現電隔離。半球11、12使它們的導電區域有基本相同的布置，但是一個相對于另一個在x-y平面中旋轉180度，以將上半球11 的區域610、620、630布置成關于檢測質量塊20而與下半球12的對應的區域640、650、660 相對。各個區域與間隔開的檢測質量塊20有效地形成相應的電容器，并且區域的相對的對 610/660,620/650和630/640可測量加速度或至少其沿著穿過相應的相對的對的區域的中心的軸線的分量。使用如在圖7和8中所看到的那樣的三個相對的對允許沿著三個軸線進行測量，使得可利用加速計10的恰當定向和/或應用于調節電路和/或處理硬件和/或軟件中的適當的修正因子來測量加速度的沿著三個相互垂直的卡笛爾軸線的分量。如對于上面論述的對每個半球形表面采用一個和四個導電區域的方面那樣，各方面的導電區域可小于它們所應用到的表面的相應的部分，只要各個導電區域的中心與其所應用到的相應的部分的表面中心一致即可。另外，導電區域在各方面應當全部為同樣的大在各方面，如上面所論述的那樣，檢測質量塊和相對的電容器對或相對的對稱的電容器組或電容器群連接到調節電路上。調節電路監測各個電容器或電容器群和檢測質量塊之間的電容，并且提供表示相對的電容器對或相對的對稱的電容器組或電容器群之間的電容差的相應的信號，例如電壓。各個信號均是隨監測到的電容相對于初始值的變化的程度而變化的、加速計所經歷的加速度的幅度和/或方向的表示。因此，如在圖9中所看到的那樣，可通過將包括第一電容器或電容器組的第一電容910和包括第二電容器或電容器組920的第二電容920連接到調節電路930上來實現對加速度的單軸線測量。調節電路930提供表示第一電容910和第二電容920之間的電容差的信號940。信號940表示隨第一電容910和第二電容920相對于初始值的變化的程度而變化的、加速計所經歷的加速的幅度和/或方向。類似地，如在圖10中所看到的那樣，可通過將第一、第二、第三、第四、第五和第六電容1010-1060連接到調節電路1070上來實現對加速度的三軸線測量。同上，各個電容可為單個電容器或電容器組。調節電路1070提供表示第一電容1010和第二電容1020之間的電容差的第一信號1080，以及表示第三電容1030和第四電容1040之間的電容差的第二信號1085，以及表示第五電容1050和第六電容1060之間的電容差的第三信號1090。圖11示出了根據本發明的一方面的、可用來固持檢測質量塊20的彈簧安裝元件 30的透視圖。彈簧安裝元件由內部環1110、多個支承元件1120和外部環1130組成。內部環1110附連到檢測質量塊20上。支承元件1120可由對稱地設置在內部環1110的周緣或外周邊的周圍且附連到周緣或外周邊上的弧形材料條組成。支承元件還附連到外部環1130 的內周邊上。外部環可由上部板13和下部板14的端部17、18固定(參見圖2~)。檢測質量塊固定到內部環1110上，并且支承元件1120允許檢測質量塊沿三個維度全方向地運動。在設計中，支承元件的數量和形狀可有所不同，如特定應用中所期望的那樣。內部環1110和外部環1130以及支承元件1120可由任何合適的材料制成，包括(但不限于)金屬、金屬合金、塑料。例如，在高溫應用中，材料可選自下者中的一個或其組合鋁、鉻、鈷、鐵、鎂、鉬、 鎳、鋼、鈦、鎢和釩。支承元件1120可由如全方向彈簧那樣協同地起作用的半圓形或弧形材料條組成。如圖12中所顯示的那樣，可按交錯方式來布置支承元件排列。僅作為一個實例，在該多個支承元件1120的周圍沿順時針方向延伸，第一支承元件可布置成沿軸向向上(+Z軸) 凸出，沿順時針方向的下一個支承元件可布置成沿軸向向下(-Z軸)凸出，并且可重復這個型式，直到所有支承元件均布置在內部環和外部環之間為止。換句話說，支承元件可布置成交替和交錯的布置，其中，相鄰的支承元件位于內部環和外部環的相對的側上。該多個支承元件1120基本沿徑向定向，并且在檢測質量塊20沿三個維度運動的期間有效地且可預測地支承檢測質量塊20。支承元件1120的布置和形狀對溫度影響具有減小的敏感性，因為一組支承元件(例如+-ζ軸元件)的膨脹或收縮將被相對的組支承元件(例如-ζ軸元件)抵消。另外，一側(例如左側)的元件將抵消另一側(例如右側)的元件的擴張或收縮。如可在圖11和12中看到的那樣，彈簧安裝元件30可沿所有三個維度對稱，并且該多個支承元件1120的對稱性質將增強彈簧安裝元件30的線性。圖13示出了根據本發明的另一方面的、可用來支承檢測質量塊20的彈簧安裝元件1300的俯視圖。圖13顯示了在制造期間以及在支承元件1320形成為半圓形形狀之前的彈簧安裝元件1300。彈簧安裝元件1300可由壓制坯料或機制坯料形成，并且包括內部環1310、多個支承元件1320和外部環1330。多個分段突片1331形成于外部環中，并且在相鄰的突片之間形成間隙或空間。圖14示出了在支承元件1320形成為半圓形形狀之后的彈簧安裝元件1300的俯視圖。可看到，在支承元件1320 “彎曲”或轉彎成它們的期望形狀之后，包括突片1331的外部環元件沿徑向向內朝向內部環1310運動。各個相鄰的支承元件1320可按與圖11和 12中示出的那些類似的方式來構造，其中，一個支承元件沿+Z軸方向凸出，而相鄰的支承元件沿-Z軸方向凸出。突片1331可緊密地連結到彼此上，或通過任何合適的方法(包括 (但不限于)焊接和粘合劑應用)來通過外部支承環(或多個外部支承環)而連結，或者可如特定應用中所期望的那樣不連結突片。外部環1330可由上部板13和下部板14的端部17、18固定(參見圖2~)。另外， 端部17、18可包括多個沿周向設置的柱和孔(未顯示)。例如，柱可布置在端部18上且向上延伸，而相對的孔形成于端部17中，并且與柱的位置對準。一個或多個突片1331可具有也與端部17、18中的柱和孔對準的可選的孔1340。可將外部環1330布置在柱的上面，并且這些柱將協助阻止彈簧安裝元件的不合需要的運動。顯示了僅一些孔1340，但是應當理解，孔1340可存在于周向突片1331中的一個或多個中。外部環1330 (和突片1331)也可連結到第二外部環(未顯示)上。第二外部環將布置在突片1331的上方和/或下方，使得第二外部環覆蓋外部環1330的至少一側，以及然后兩個元件可按任何合適的方式(例如焊接、粘合劑等)連結。兩個層(由第二外部環和外部環1330/突片1331形成)然后可夾在端部17和18之間。檢測質量塊20可構造成實心的整體元件，或者可為多件式(例如兩個或更多個) 元件。僅作為一個非限制性實例，檢測質量塊可由兩個半部形成，并且該兩個半部可包括用來接合彈簧支承元件上的對應的部件的一個或多個部件。圖15示出了具有內部環1510、支承元件1520和外部環1530的彈簧安裝元件1500 的俯視圖。內部環1510包括鍵元件1511。鍵元件可構造成沿徑向向內(如所顯示的那樣)、沿徑向向外或沿任何其它合適的方向凸出，如特定應用中所期望的那樣。鍵元件1511 設計成接合形成于檢測質量塊20中的對應的凹部。圖16示出了具有內部環1610、支承元件1620和外部環1630的彈簧安裝元件1600 的俯視圖。內部環1610包括一個或多個孔口 1611。孔口 1611可構造成任何合適的形狀和數量，如特定應用中所期望的那樣。孔口 1611設計成接合檢測質量塊20中的對應的凸出部。圖17示出了具有內部環1710、支承元件1720和外部環1730的彈簧安裝元件1700 的俯視圖。內部環1710包括非圓形孔口 1711。孔口 1711可構造成任何合適的形狀(例如長方形、多邊形、橢圓形)，如特定應用中所期望的那樣。孔口 1711設計成接合檢測質量塊 20中的一個或多個對應的凸出部。通過應用本文公開的各方面，提供了一種緊湊且穩定可靠的加速計。具體而言，提供了一種可經受住例如存在于燃氣輪機中的極端溫度的多軸線加速計。另外，可在物體或組件沿三個維度需要精確的彈簧支承的任何情況下使用彈簧安裝元件。雖然參照一個或多個示例性方面來描述了本公開，但是本領域技術人員將理解， 可作出各種改變，并且等效物可代替本公開的元件，而不偏離本公開的范圍。另外，可作出許多修改，以使特定的情形或材料適于本公開的教導，而不偏離本公開的范圍。因此，意圖本公開不限于作為為了執行本發明而構想的最佳模式而公開的特定方面(一個或多個)， 而是本發明將包括落在所附權利要求的范圍內的所有方面。
權利要求
1.一種彈簧安裝元件(30)，包括具有內部徑向周邊和外部徑向周邊的內部環(1110)； 具有內部徑向周邊和外部徑向周邊的外部環(1130)；多個支承元件(1120)，其附連到所述內部環的所述外部徑向周邊上且對稱地設置在所述外部徑向周邊的周圍，并且附連到所述外部環的所述內部徑向周邊上；以及其中，所述多個支承元件(1120)允許所述內部環沿三個維度運動。
2.根據權利要求1所述的彈簧安裝元件，其特征在于，所述多個支承元件中的各個由類似彈簧的弧形部件組成。
3.根據權利要求1所述的彈簧安裝元件，其特征在于，所述多個支承元件布置成交替和交錯的布置，其中，所述多個支承元件中的沿周向相鄰的支承元件位于所述內部環和所述外部環的相對的側上。
4.根據權利要求1所述的彈簧安裝元件，其特征在于，所述多個支承元件中的各個包含下者中的一個或其組合鋁、鉻、鈷、鐵、鎂、鉬、鎳、鋼、鈦、鎢和釩。
5.根據權利要求1所述的彈簧安裝元件，其特征在于，所述外部環由多個分段突片 (1331)組成。
6.根據權利要求5所述的彈簧安裝元件，其特征在于，所述多個分段突片(1331)中的相鄰的突片連結到彼此上。
7.根據權利要求1所述的彈簧安裝元件，其特征在于，所述內部環包括沿徑向向內凸出的鍵(1511)。
8.根據權利要求1所述的彈簧安裝元件，其特征在于，所述內部環包括多個孔口 (1611)。
9.根據權利要求1所述的彈簧安裝元件，其特征在于，所述內部環包括至少一個孔口 (1711)。
10.一種加速計(10)，包括輪廓和表面積基本相同的凹的第一表面(1 和第二表面(16)，所述第一表面面向所述第二表面；在所述第一表面和所述第二表面中的各個的相應的部分上的至少一個導電區域； 彈簧安裝元件(30)，其包括 具有內部徑向周邊和外部徑向周邊的內部環(1110)； 具有內部徑向周邊和外部徑向周邊的外部環(1130)；多個支承元件(1120)，其附連到所述內部環的所述外部徑向周邊上且對稱地設置在所述外部徑向周邊的周圍，并且附連到所述外部環的所述內部徑向周邊上；檢測質量塊00)，其附連到所述彈簧安裝元件上，并且支承在所述第一表面和所述第二表面之間，以在它們之間運動，所述檢測質量塊的至少一部分是導電的；以及其中，所述彈簧安裝元件(30)允許所述檢測質量塊00)沿三個維度運動。
全文摘要
本發明涉及用于加速計的彈簧安裝元件。提供了一種帶有具有內部徑向周邊和外部徑向周邊的內部環(1110)和具有內部徑向周邊和外部徑向周邊的外部環(1130)的彈簧安裝元件(30)。多個支承元件(1120)附連到內部環的外部徑向周邊上且對稱地設置在該外部徑向周邊的周圍，并且附連到外部環的內部徑向周邊上。該多個支承元件(1120)允許內部環沿三個維度運動。
文檔編號G01P1/00GK102565445SQ201110405010
公開日2012年7月11日 申請日期2011年11月29日 優先權日2010年11月29日
發明者呂卓民 申請人:通用電氣公司