電阻式六自由度加速度傳感器的製作方法

2023-11-10 19:14:17

專利名稱：電阻式六自由度加速度傳感器的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於電子元件傳感器領域，涉及一種利用慣性加速度原理製造的全新的加速度傳感器，可應用於人工智慧、電力、電子、化工、機械、交通、自動化、軍事工業等行業中對儀器、設備運動的監測、描述、保護，可對運動的描述提供一種更為簡便且經濟實用的監測方法。
背景技術：
加速度傳感器是用來將加速度這一物理信號轉變成便於測量的電信號的測試儀器。常見的有差容式力平衡加速度傳感器、壓電式加速度傳感器等。差容式力平衡加速度傳感器是把被測的加速度轉換為電容器的電容量變化。實現這種功能的方法有變間隙，變面積，變介電常量三種，其對絕緣電阻的要求較高，並且寄生電容(引線電容及儀器中各元器件與極板間電容等)不可忽視。壓電式加速度傳感器主要利用不存在對稱中心的異極晶體加在其上的外力除了使晶體發生變形以外，還將改變晶體的極化狀態，在晶體內部建立電場，這種由於機械力作用使介質發生發生極化。常見有矽微加速度傳感器，但其頻率影響範圍窄、需要複雜信號處理電路。還有很多其它方法來製作加速度傳感器，比如壓阻技術，電容效應，熱氣泡效應，光效應，但是其最基本的原理都是由於加速度產生某個介質產生變形，通過測量其變形量並用相關電路轉化成電壓輸出。但以上各種傳感器共有的缺點是測量方向單一，實際應用中需組合起來使用，無形中增加了成本，且數據處理量較大。比如利用微機電系統技術將多個單軸的電容式、壓阻式、壓電式和其他原理的加速度傳感器集成到單塊矽片上實現多維加速度傳感。這種方法提高了加速度傳感器的微小化程度，但是降低了加速度傳感器的機械精度，難以承受較大的過載。利用粘貼在膜片上的應變片的組合實現6維加速度傳感。這種分析方法複雜，力口速度解耦困難，目前還沒有很完整的分析。採用靜電超導原理實現6維加速度傳感。只能用於微重力環境下，比較複雜，成本也較高。採用多隻單軸加速度傳感器進行組合實現六維加速度傳感。其基本原理是通過固定在同一剛體上的多隻單軸加速度傳感器的輸出分離出剛體沿空間慣性坐標系三個正交軸向的線加速度％和角加速度Oi，通過計算得到6維的加速度。本文提出並研究了一種基於半球與圓柱組合結構的6維加速度傳感器的原理，將4隻不同型號的單值傳感器首尾相連固定於剛體上，通過三者合成數值的運算計算出當前剛體在六個自由度的加速度情況。
發明內容本實用新型鑑於上述問題而提出，目的在於提供一種更為簡便的加速度傳感器，可檢測六個自由度的加速度信號，其不會降低檢測振動的靈敏度，主要靠簡單的程序處理一個數值信號便可得到六個自由度的加速度情況。[0007]為達到上述目的，本實用新型採用的技術方案是一種電阻式六自由度單值傳感器在一空心導體半球體球形容器的球心處，通過一彈性連結點伸出一根有一定質量的與半徑等長的導體指針，即用彈性導電材料固定一導體指針，與半球容器壁接觸始終相連且可繞彈性連結點在球形空間內自由轉動，該導體指針可因容器的加速運動而相對球形容器運動，從而使電流流經容器表面不同位置。兩個相同半球結構相同且對稱放置，兩半球中間加入圓柱形的彈性滑動變阻器結構，使兩半球球心連通，同時可因垂直於半球地面方向的加速度而改變其阻值，從而測量在該方向的線加速度分量。電流可從一半球頂端流經該半球導體指針、彈性滑動變阻器、另一半球導體指針，並從另一半球頂端流出。球形容器外部結構根據需要調節其形狀，使導體指針在不同位置時得到不同的電阻值。單個本實用新型為一組，可測量三維線加速度；兩個本實用新型構成一組，首尾相連置於剛體上，各傳感器導體指針在同一位置時各個電阻阻值呈一定互補關係，根據互相間的間隔及二者導體指針位置的不同可得出三維線加速度及三維角加速度，不能測量兩個本實用新型恰好位於剛體運動圓周上的角加速度；四個本實用新型構成一組，不都位於任何圓周上排列於剛體上且首尾相連形成一條通路，根據互相間的間隔及四者導體指針位置的不同得出的電壓大小不同可計算出六個加速度量。實際應用中，使該傳感器附著在待測剛體上，並與其保持相對靜止，傳感器加速度即為剛體加速度。I、在上述方案中，在一組傳感器靜止時，其導體指針位置及彈性變阻器組合得到的電阻阻值下的電壓值，經計算可轉換為當前受到的重力加速度，並以此為起點通過坐標變換跟蹤之後的運動。2、在上述方案中，傳感器通過不絕緣球形容器外部引入的導線使傳感器帶電，該電量已知。由於上述技術方案的應用，本實用新型與現有技術相比具有下列優點I、由於本實用新型的採用，利用電阻的變化得到明顯的單一數位訊號，使得相應的信號處理簡單易用，並且極大降低了生產成本，提高了系統的可靠性。2、本實用新型結構原理簡單，製造與應用十分方便，便於廣泛大規模應用。

下面基於附圖來詳細描述本實用新型的實施方式，附圖中附圖I是單個傳感器的主視圖。附圖2是多個傳感器空間形狀(不包括半球體空腔電阻外部形狀)及實際使用時的空間分布及導線連接圖。以上附圖中1為上半球體空腔的電阻，6為下半球體空腔的電阻，5為柱狀電阻，形狀及電阻大小根據情況而定；2導體指針；3彈性連結點；4彈性滑動變阻器；7導線，與外殼相連不與導體指針相連；8空心腔體；其中，粗黑線是大致模擬電流流向。
具體實施方式
以下結合附圖及實施例對本發明作進一步詳述參照附圖1，本實施方式在一空心不絕緣半球體球形容器球心處的彈性連結點3的位置，用固定位置的彈性導電材料連接一導體指針2的一端，且導體指針2的另一端接接觸於上半球體空腔的電阻I的內表面並可在此表面運動。兩個該半球容器底面相對放置，中間加入彈性滑動變阻器4以連通兩半球體空腔電阻，彈性滑動變阻器4可因其所在軸向的加速度而改變其伸長，從而改變柱狀電阻5接入電路中的阻值。電流從導線7進入，流經下半球體空腔的電阻6、下半球指針、柱狀電阻5、導體指針2、上半球體空腔的電阻1，再從上一半球導線流出。使用時，上半球體空腔的電阻I、柱狀電阻5、下半球體空腔的電阻6的形狀及阻值可根據需要自行設計。傳感器附著的剛體產生加速度時，由導體指針2相對於上半球體空腔的電阻I的內表面及下半球體空腔電阻6的內表面產生慣性運動，以及彈性滑動變阻器4的運動，改變接入電路中電阻的阻值，通過一個數據可得出剛體的加速度情況。參照附圖2，本實施方式利用多個不同型號的本發明附著於剛體上的位置不同，當剛體擁有角加速度時不同位置有不同的線加速度值，所以不同傳感器的指針位置及彈性變阻器阻值可能有所不同，根據此不同可計算出角加速度值。
權利要求1.一種電阻式六自由度加速度傳感器，其特徵是在一空心不絕緣半球體球形容器球心處的彈性連結點(3)，用彈性導電材料固定一導體指針(2)，兩個該半球容器底面相對放置，中間加入圓柱形彈性滑動變阻器結構(4)以連通兩半球，使電流能從下半球的導線(7)進入，流經部分下半球體空腔的電阻(6)、下半球指針、柱狀電阻(5)接入電路的部分、上半球的導體指針(2)、部分上半球體空腔的電阻(1 )，再從上一半球導線流出。
2.如權利要求I所述的電阻式六自由度加速度傳感器，其特徵是導線與上半球體空腔的電阻(1)外部固定處相連，導體指針(2)與上半球體空腔的電阻(1)內部始終相連。
3.如權利要求I所述的電阻式六自由度加速度傳感器，其特徵是彈性連結點(3)始終位於球心處，且連接導體指針(2)的一端，使導體指針(2)另一端能在上半球體空腔的電阻(I)內表面運動。
4.如權利要求I所述的電阻式六自由度加速度傳感器，其特徵是彈性滑動變阻器(4)可因其所在軸向的加速度而改變其伸長，從而改變柱狀電阻(5)接入電路中的阻值。
5.如權利要求I所述的電阻式六自由度加速度傳感器，其特徵是上下半球體結構相同且對稱。
專利摘要一種電阻式六自由度加速度傳感器，利用傳感器產生加速度使導體指針及彈性滑動變阻器因慣性發生相對傳感器內壁的運動，從而改變接入電路中的阻值，得出傳感器附著剛體的加速度情況。本實用新型在一空心不絕緣半球體球形容器球心處的彈性連結點的位置，用固定位置的彈性導電材料連接一導體指針的一端，且導體指針的另一端接觸於上半球體空腔的電阻內表面自由運動。兩個該半球容器底面相對放置，中間加入圓柱形彈性滑動變阻器以連通兩半球。工作時，傳感器附著的剛體產生加速度時，由導體指針相對於上半球體空腔的電阻內表面的慣性運動，以及彈性滑動變阻器的運動，改變接入電路中電阻的阻值，僅處理一個數據即可得出剛體的加速度情況。本實用新型數據處理簡單，成本低廉，可靠性高，便於大規模應用。
文檔編號G01P15/12GK202815011SQ20122005727
公開日2013年3月20日 申請日期2012年2月10日 優先權日2012年2月10日
發明者柴源, 柴世學, 宋莉 申請人:柴源