具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种热对流式电化学振动传感器，以改善传感器的长期稳定性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供的热对流式电化学振动传感器包括：工作介质1、速度测量单元2、密封腔3、热对流驱动单元4及信号处理电路。

具体地，所述密封腔3设有内部中心流道及外部环形流道；所述工作介质1完全填充且被密封于所述密封腔3的内部。

所述热对流驱动单元4位于所述密封腔3的底部，且正对所述内部中心流道；所述热对流驱动单元4用于加热所述内部中心流道处的工作介质1。

所述速度测量单元2位于所述密封腔3的内部；所述速度测量单元2用于测量所述工作介质1的运动速度，得到速度测量信号。

所述信号处理电路分别与所述热对流驱动单元4及所述速度测量单元2连接；所述信号处理电路用于根据所述速度测量信号得到振动传感信号，还用于为所述速度测量单元2及所述热对流驱动单元4供电。

进一步地，所述工作介质1为具备自身氧化还原反应能力的电解液。在本实施例中，所述工作介质1采用碘-碘化钾电解液，其中碘化钾浓度为1-4mol/L，碘浓度为1-4mmol/L。

优选地，所述密封腔3包括外壳与内芯。所述外壳位于所述内芯的外围，且所述外壳与所述内芯的外围之间留有环形空隙，用于形成所述外部环形流道。所述内芯为两个底面相对设置的弓形阻隔体。所述两个底面相对设置的弓形阻隔体的中间留有竖直空隙，用于形成所述内部中心流道。

进一步地，所述热对流驱动单元4位于所述外壳的底部。

优选地，所述热对流驱动单元4为加热器。

进一步地，所述速度测量单元2位于所述内部中心流道的中心位置。

优选地，所述速度测量单元2为电化学换能器。

进一步地，所述电化学换能器由四只多孔惰性金属电极构成。

在本实施例中，所述四只多孔惰性金属电极采用阳极-阴极-阴极-阳极或阴极-阳极-阳极-阴极的方式排列；所述阳极与所述信号处理电路的电源连接，所述阴极与所述信号处理电路的信号处理部分连接。

在工作过程中，所述电化学换能器的阳极由外部电压供电，所述阴极作为测量电极。工作介质1在电化学换能器外部电压的作用下，在阴/阳极表面发生可逆氧化还原反应，引起附近电流的变化，通过测量流过阴/阳极的电流变化可反推出工作介质1的运动速度。

优选地，所述信号处理电路的信号处理部分包括差分放大模块与滤波处理模块。

具体地，所述差分放大模块与所述电化学换能器的阴极连接；所述差分放大模块用于对所述速度测量信号进行差分放大。

所述滤波处理模块与所述差分放大模块连接；所述滤波处理模块用于对差分放大后的所述速度测量信号进行滤波处理，得到振动传感信号。

本发明通过利用信号处理电路的信号处理部分对电化学换能器的阴极输出的速度测量信号进行差分放大及滤波处理，使得传感器输出的振动传感信号与工作介质1的运动速度或加速度线性相关，从而反映外界加速度的大小。

图2为本发明热对流式电化学振动传感器的工作流程图，如图2所示，工作过程中，热对流驱动单元4加热工作介质1，电化学振动传感器在热对流驱动单元4加热和外部环形流道散热的共同作用下达到稳定状态，内部中心流道内的工作介质1的温度略高于外部环形流道内的工作介质1的温度，从而使工作介质1在重力、浮力、摩擦力的共同作用下，在密封腔3的内部中心流道和外部环形流道之间形成稳定的环形流动。当外界存在加速度时，由于内部中心流道和外部环形流道内的工作介质1存在密度差异，环形流动的工作介质1的运动速度受到影响而发生变化，速度测量单元2测量工作介质1的速度变化，再通过信号处理电路解算出外界加速度。

具体地，通过信号处理电路解算外界加速度的方法如下：

由于在密封腔体内，工作介质在温度及外界加速度的作用下，满足不可压缩流体的Navier-Stokes方程：

其中，代表密封腔体内的工作介质的流速，P代表压力、ρ代表工作介质的密度、μ代表工作介质的粘度系数，代表外界加速度，t代表时间。

具体地，工作介质的密度ρ及工作介质的粘度系数μ的计算公式分别为：

其中，ρ_w为水的密度，μ_w为水的粘度系数，c_i为工作介质内部的离子浓度，k为离子种类，T为温度，A和B分别代表工作介质内不同种类盐的系数(可在相关化学文献中检索到)。

本发明中的工作介质的热对流速度可按照层流计算，在密封腔体内部边界无滑移条件下，可通过多种计算方式获得与的函数关系。

ρ_h为受热后工作介质的密度，g是重力加速度，a是外界加速度，f为中心流道内体积为V的工作介质受到的摩擦力，等于β*v。其中，β为比例系数，v为工作介质的运动速度。

当外界无加速度时，密封腔的内部中心流道内体积为V的工作介质受浮力、重力和摩擦力的影响，形成稳定的自然对流，此时，工作介质的运动速度为v₀，对体积为V的工作介质进行受力分析得到：

ρ_hVg+βv₀＝ρVg

当外界有加速度时，工作介质的运动速度发生改变，假设测得的工作介质的运动速度为v₁，再对体积为V的工作介质进行受力分析得到：

将外界有加速度与外界无加速度两种情况下的受力分析式进行联立，得到：

整理后得到内部中心流道内的工作介质运动速度与外界加速度的关系为：

由于速度测量单元的输出电流I与工作介质的流速存在固定的对应关系，故可进一步求出输出电流与外界加速度关系：

其中，I_o和I₁分别为速度是v_o和v₁时的输出电流，γ是输出电流与工作介质的运动速度的比例系数。

信号处理电路基于输出的函数关系式，将电流输出转化为电压输出，并使得输出电压与外界加速度或外界加速度的积分(即振动速度)呈线性关系。

本发明采用设有内部中心流道及外部环形流道的密封腔对工作介质进行密封，并利用热对流驱动单元驱动工作介质形成稳定的环形流动，以实现对外界加速度的感应。相较于传统电化学传感器利用橡胶膜的弹性力作为拾振单元，受橡胶膜本身弹性限度的限制，测量直流加速度的效果不佳，本发明可用于测量直流加速度。且由于避免了橡胶膜的使用，减少了封装材料的种类，从而能够进一步简化传感器的封装方式，更有利于传感器的小型化和产品集成。进一步地，还能够避免出现因橡胶膜与工作介质、外部化学物质等发生反应而造成橡胶膜弹性降低、工作介质浓度下降，从而引起传感器的性能指标发生偏移、灵敏度下降的问题，有助于提升传感器长期工作的稳定性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。