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倾角传感器，该倾角传感器结合了静态倾角传感器与速率陀螺仪的特点，实现了倾角传感器的静态测量和动态测量的互补。

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和2所示，本发明提供的一种热对流式电化学倾角传感器，包括：倾角测量模块1、角速度测量模块2和信号处理电路。倾角测量模块1与角速度测量模块2背靠背固定。倾角测量模块1用于测量传感器的倾角信号；所述倾角信号包含有角速度噪声；角速度测量模块2用于测量传感器的角速度噪声信号；信号处理电路分别与所述倾角测量模块1和所述角速度测量模块2连接，用于对所述倾角信号和所述角速度噪声信号进行差分放大及滤波处理，得到动态倾角信号，所述动态倾角信号不包含角速度噪声。

其中，所述倾角测量模块1包括：第一环形密封腔11、第一工作介质12、热对流驱动单元13以及第一电化学换能单元14。所述角速度测量模块2包括：第二环形密封腔21、第二工作介质22、流体驱动泵23以及第二电化学换能单元24。如图1和2所示，第一环形密封腔11和第二环形密封腔21的结构图相同，第一工作介质12和第二工作介质22相同，第一电化学换能单元14和第二电化学换能单元24结构相同。

第一环形密封腔11用来密封液体工作介质，并引导工作介质在热对流驱动下形成环流。所述第一工作介质12位于所述第一环形密封腔11内，热对流驱动单元13采用加热器加热第一环形密封腔11中心位置的第一工作介质12，第一工作介质12受热而产生密度差异，并在重力和浮力的共同作用下，在第一环形密封腔11内形成自然对流。所述第一电化学换能单元14用于检测所述第一环形密封腔11的两个流道的速度差，得到传感器的倾角信号。

其中，；所述第二环形密封腔21与所述第一环形密封腔11结构相同。所述第二工作介质22位于所述第二环形密封腔21内，所述流体驱动泵23用于驱动所述第二工作介质22在所述第二环形密封腔21内形成环流；所述第二电化学换能单元24用于检测所述第二通环形密封腔的两个流道的速度差，得到传感器的角速度噪声信号。

其中，所述第一工作介质12和所述第二工作介质22为能够发生自身氧化还原反应的电解液，如碘/碘化钾溶液，其中碘化钾浓度1-4mol/L，碘浓度1-4mmol/L，工作介质完全填充环形密封腔。

其中，所述第一电化学换能单元14和所述第二电化学换能单元24结构相同，均包括四支多孔惰性金属电极。电极可采用阳极/阴极/阴极/阳极(ACCA)或者阴极/阳极/阳极/阴极(CAAC)排列，其中，电化学换能器的阳极由外部电压供电，阴极作为测量电极。工作介质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，通过测量流过阴/阳极的电流变化可反推出工作介质的速度。

本发明提供的热对流式电化学倾角传感器还包括：电化学驱动电路，分别与所述倾角测量模块和所述角速度测量模块连接，用于为所述第一电化学换能单元14和所述第二电化学换能单元24提供电能。

本发明提供的热对流式电化学倾角传感器，结合了静态倾角传感器与速率陀螺仪的特点，实现了倾角传感器的静态测量和动态测量的互补。电化学换能器以离子浓度检测代替电阻电容检测克服了稳定时间长的缺点，电解液作为液体摆的工作介质，既保留了抗冲击性强的优点又克服了气体自然对流受温度影响大的缺点。该传感器具有体积小、灵敏度高、噪声低、响应时间短、低频性能好、抗冲击性强、抗震性好等优点，可用于极端环境下的测量。

如图3所示，本发明提供的热对流式电化学倾角传感器的工作过程如下：

倾角测量模块：加热器加热工作介质，倾角测量模块的环形密封腔中心位置受加热，中心位置的温度高于外部流道，工作介质在环形密封腔内形成稳定的环形流动。

角速度测量模块：流体驱动泵驱动工作介质在在环形密封腔内形成稳定的环形流动。

传感器的倾角发生变化，流体的浮力方向竖直向上不变，进而导致流经倾角测量模块的环形密封腔的两个流道的流速发生改变，电化学换能单元检测两个流道的速度差进而获得传感器的倾角信息(水平姿态信息)。倾角测量模块在外界存在角速度情况下，流体受科氏力作用而产生角速度信号噪声，需要消噪处理。

角速度测量模块流体密度均一，环形流动由流体驱动泵提供，流经角速度测量模块的环形密封腔的两个流道的流速仅与科氏力作用相关，电化学换能单元检测两个流道的速度差进而获得传感器的角速度噪声信号。

倾角测量模块与角速度测量模块信号差分，并经滤波处理后，传感器获得经角速度消噪后的动态倾角信号。

理论依据：

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，代表腔体内的工作介质流速，P代表压力、ρ代表液体密度、μ代表工作介质的粘度系数，代表加速度，t代表时间。

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，A_ij和B_ij分别代表工作介质内不同种物质的平均系数。

其中，主要包含重力加速度、液体上浮加速度及科氏加速度：

为载台所在位置的重力加速度，为液体上浮加速度，为载台转动引起的科氏加速度，ρ_a为液体的平均密度，为载台角度，为载台角速度。

角速度测量模块中，ρ为常量，流体速度仅为函数；

倾角测量模块中，受加热器加热影响，空间位置温度T不同，ρ为非常量，故存在，流体速度为知函数；

进而，倾角测量模块姿态可表达为如下函数：

本发明中的倾角测量模块和角速度测量模块中，热对流流体和流体驱动泵驱动流体可按照层流计算，在封闭腔体内部边界无滑移条件下，可通过多种计算方式获得各模块内的与及的函数关系。电化学换能电路测量得的流体速度信息经信号处理电路处理，获得传感器输出电压与倾角的线性对应关系。

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方法及其核心思想；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。