專利名稱：電阻式六自由度加速度傳感器的制作方法
電阻式六自由度加速度傳感器所屬技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于電子元件傳感器領(lǐng)域，涉及一種利用慣性加速度原理制造的全新的加速度傳感器，可應(yīng)用于人工智能、電力、電子、化工、機(jī)械、交通、自動(dòng)化、軍事工業(yè)等行業(yè)中對(duì)儀器、設(shè)備運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測(cè)、描述、保護(hù)，可對(duì)運(yùn)動(dòng)的描述提供一種更為簡(jiǎn)便且經(jīng)濟(jì)實(shí)用的監(jiān)測(cè)方法。
背景技術(shù)：
加速度傳感器是用來(lái)將加速度這一物理信號(hào)轉(zhuǎn)變成便于測(cè)量的電信號(hào)的測(cè)試儀器。常見(jiàn)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(cè)的加速度轉(zhuǎn)換為電容器的電容量變化。實(shí)現(xiàn)這種功能的方法有變間隙，變面積，變介電常量三種，其對(duì)絕緣電阻的要求較高，并且寄生電容(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(duì)稱中心的異極晶體加在其上的外力除了使晶體發(fā)生變形以外，還將改變晶體的極化狀態(tài)，在晶體內(nèi)部建立電場(chǎng)，這科由于機(jī)械力作用使介質(zhì)發(fā)生發(fā)生極化。常見(jiàn)有硅微加速度傳感器，但其頻率影響范圍窄、需要復(fù)雜信號(hào)處理電路。
還有很多其它方法來(lái)制作加速度傳感器，比如壓阻技術(shù)，電容效應(yīng)，熱氣泡效應(yīng)， 光效應(yīng)，但其最基本的原理都是由于加速度使某個(gè)介質(zhì)產(chǎn)生變形，通過(guò)測(cè)量其形變量并用相關(guān)電路轉(zhuǎn)化成電壓輸出。
但以上各種傳感器共有的缺點(diǎn)是測(cè)量方向單一，實(shí)際應(yīng)用中需組合起來(lái)使用，無(wú)形中增加了成本，且數(shù)據(jù)處理量較大。比如利用微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)將多個(gè)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硅片上實(shí)現(xiàn)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(jī)械精度，難以承受較大的過(guò)載。利用粘貼在膜片上的應(yīng)變片的組合實(shí)現(xiàn)6維加速度傳感。這種分析方法復(fù)雜，加速度解耦困難，目前還沒(méi)有很完整的分析。采用靜電超導(dǎo)原理實(shí)現(xiàn)6維加速度傳感。只能用于微重力環(huán)境下，比較復(fù)雜，成本也較高。采用多只單一自由度加速度傳感器進(jìn)行組合實(shí)現(xiàn)六維加速度傳感器，其基本原理是通過(guò)固定在同一剛體上的多只單一自由度加速度傳感器的輸出分離出剛體沿空間慣性坐標(biāo)系三個(gè)正交軸向的線加速度ai和角加速度O1，通過(guò)計(jì)算得到6維的加速度。
本文提出并研究了一種基于半球與圓柱組合結(jié)構(gòu)的6維加速度傳感器的原理，將 4只不同型號(hào)的單值傳感器首尾相連固定于剛體上，通過(guò)三者合成數(shù)值的運(yùn)算計(jì)算出當(dāng)前剛體在六個(gè)自由度的加速度情況。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明鑒于上述問(wèn)題而提出，目的在于提供一種更為簡(jiǎn)便的加速度傳感器，可檢測(cè)六個(gè)自由度的加速度信號(hào)，其不會(huì)降低檢測(cè)的靈敏度，主要靠簡(jiǎn)單的程序處理一個(gè)數(shù)值信號(hào)便可得到六個(gè)自由度的加速度情況。3
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種電阻式六自由度單值傳感器在一空心半球體導(dǎo)體容器的球心處，用彈性材料固定一根有一定質(zhì)量的與半徑等長(zhǎng)的導(dǎo)體指針一端，指針另一端與半球容器內(nèi)壁接觸且可繞球心接點(diǎn)在球形空間內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，該指針可因容器的加速運(yùn)動(dòng)而相對(duì)球形容器運(yùn)動(dòng)，從而使電流流經(jīng)容器表面不同位置。兩個(gè)相同形狀的半球相向放置，中間加入圓柱形的彈性滑動(dòng)變阻器結(jié)構(gòu)，使兩半球球心連通，同時(shí)該結(jié)構(gòu)可因其軸向的加速度而改變其伸長(zhǎng)量，從而改變其接入電路中的阻值，得出該方向的線加速度分量。電流從一半球體外部導(dǎo)線經(jīng)半球體流入，進(jìn)而流經(jīng)該半球指針、彈性滑動(dòng)變阻器、另一半球指針，并從位于另一半球體外表面的導(dǎo)線流出。球形容器外部結(jié)構(gòu)根據(jù)需要調(diào)節(jié)其形狀，使指針在不同位置時(shí)得到不同的電阻值。單個(gè)本發(fā)明為一組，可測(cè)量三維線加速度；兩個(gè)本發(fā)明構(gòu)成一組，首尾相連置于剛體上，各傳感器指針在同一位置時(shí)阻值呈一定互補(bǔ)關(guān)系，根據(jù)互相間的間隔及二者的共同阻值阻值可測(cè)量絕大部分六自由度加速度情況，不能測(cè)量?jī)蓚€(gè)本發(fā)明恰好位于剛體運(yùn)動(dòng)圓周上的角加速度；三個(gè)及以上本發(fā)明構(gòu)成一組，使其附著于剛體上時(shí)排列結(jié)構(gòu)為不都位于任何真實(shí)圓周上，且首尾相連形成一條通路， 根據(jù)互相間的間隔及各者指針位置的不同得出的電壓大小不同可計(jì)算出該剛體的六個(gè)加速度量。
I、在上述方案中，在一組傳感器靜止時(shí)，其指針位置及彈性變阻器組合得到的電阻阻值，經(jīng)計(jì)算可轉(zhuǎn)換為當(dāng)前受到的重力加速度，并以此為起點(diǎn)通過(guò)坐標(biāo)變換跟蹤之后的運(yùn)動(dòng)。
2、在上述方案中，傳感器通過(guò)不絕緣球形容器外部引入的導(dǎo)線使傳感器帶電，該電量已知。
由于上述技術(shù)方案的應(yīng)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)I、由于本發(fā)明的采用，利用電阻的變化得到明顯的單一數(shù)字信號(hào)，使得相應(yīng)的信號(hào)處理簡(jiǎn)單易用，并且極大降低了生產(chǎn)成本，提高了系統(tǒng)的可靠性。
2、由于本發(fā)明的采用，可極方便的通過(guò)電子計(jì)算機(jī)模擬出測(cè)量剛體的運(yùn)動(dòng)情況。
3、本發(fā)明結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)單，制造與應(yīng)用十分方便，便于廣泛大規(guī)模應(yīng)用。


下面基于附圖來(lái)詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施方式，附圖中附圖I是單個(gè)傳感器的主視圖。
附圖2是多個(gè)傳感器空間形狀(不包括外電阻形狀)及實(shí)際使用時(shí)的空間分布及導(dǎo)線連接圖。
以上附圖中①⑤⑥為電阻，其形狀及電阻大小根據(jù)使用者情況自行設(shè)計(jì)；②導(dǎo)體指針；③彈性連結(jié)點(diǎn)；④彈簧；⑦導(dǎo)線，與外殼相連不與指針相連；⑧空心腔體；其中，粗黑線是大致模擬電流流向具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳述參照附圖1，本實(shí)施方式在一空心不絕緣半球體球形容器球心③處，用固定位置的彈性導(dǎo)電材料連接一導(dǎo)體指針②的一端，且指針②的另一端接觸于半球體①內(nèi)表面可在此表面4運(yùn)動(dòng)。兩個(gè)該半球容器相向放置，中間加入圓柱形彈性滑動(dòng)變阻器結(jié)構(gòu)④以連通兩半球，彈簧④可因其所在軸向的加速度而改變其伸長(zhǎng)，從而改變電阻⑤接入電路中的阻值。電流從下半球的導(dǎo)線⑦進(jìn)入，流經(jīng)部分下球殼電阻⑥、下半球指針、部分變阻器電阻⑤、上半球指針②、部分上半球球殼電阻①，再?gòu)纳弦话肭驅(qū)Ь€流出。使用時(shí)，①⑤⑥電阻的形狀及阻值可根據(jù)需要自行設(shè)計(jì)。傳感器附著的剛體產(chǎn)生加速度時(shí)，由兩指針②相對(duì)于球體①內(nèi)表面的慣性運(yùn)動(dòng)，以及彈性滑動(dòng)變阻器④的運(yùn)動(dòng)，改變接入電路中電阻的阻值，通過(guò)一個(gè)數(shù)據(jù)可得出剛體的加速度情況。
參照附圖2，本實(shí)施方式利用多個(gè)不同型號(hào)的本發(fā)明附著于剛體上的位置不同，當(dāng)剛體擁有角加速度時(shí)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(jù)此不同可計(jì)算出角加速度值。
權(quán)利要求
1.一種電阻式六自由度加速度傳感器，利用傳感器產(chǎn)生加速度導(dǎo)致指針因慣性發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而改變接入電路中的阻值，從而得出傳感器附著剛體的加速度情況，其特征是在一空心不絕緣半球體球形容器球心③，用彈性導(dǎo)電材料固定一導(dǎo)體指針②，兩個(gè)該半球容器呈構(gòu)成球形方向放置，中間加入圓柱形彈性滑動(dòng)變阻器結(jié)構(gòu)④以連通兩半球，使電流能從下半球的導(dǎo)線⑦進(jìn)入，流經(jīng)部分下球殼電阻⑥、下半球指針、部分變阻器電阻⑤、上半球指針②、部分上半球球殼電阻①，再?gòu)纳弦话肭驅(qū)Ь€流出。
2.如權(quán)利要求I所述的電阻式六自由度加速度傳感器，其特征是導(dǎo)線與球殼①外部固定處相連，指針②與球殼①內(nèi)部始終相連。
3.如權(quán)利要求I所述的電阻式六自由度加速度傳感器，其特征是彈性連接點(diǎn)③始終位于球心處，且連接指針②的一端，使指針②另一端能在①內(nèi)表面運(yùn)動(dòng)。
4.如權(quán)利要求I所述的電阻式六自由度加速度傳感器，其特征是彈簧④可因其所在軸向的加速度而改變其伸長(zhǎng)，從而改變電阻⑤接入電路中的阻值。
5.如權(quán)利要求I所述的電阻式六自由度加速度傳感器，其特征是上下球體結(jié)構(gòu)相同且對(duì)稱。
6.如權(quán)利要求I所述的電阻式六自由度加速度傳感器，其特征是電阻①⑤⑥形狀阻值可根據(jù)使用者測(cè)量對(duì)象的量程而自行設(shè)計(jì)。
7.如權(quán)利要求I所述的電阻式六自由度加速度傳感器，其特征是使用時(shí)該傳感器附著于待測(cè)剛體上，并且與附著剛體保持相對(duì)靜止。
全文摘要
一種電阻式六自由度加速度傳感器，利用傳感器產(chǎn)生加速度使指針及彈性變阻器因慣性發(fā)生相對(duì)傳感器的運(yùn)動(dòng)，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。本發(fā)明在一空心不絕緣半球體球形容器球心③處，用固定位置的彈性導(dǎo)電材料連接一導(dǎo)體指針②的一端，且②的另一端接觸于半球體①內(nèi)表面自由運(yùn)動(dòng)。兩個(gè)該半球容器相向放置，中間加入圓柱形彈性滑動(dòng)變阻器結(jié)構(gòu)④以連通兩半球。使用時(shí)，傳感器附著的剛體產(chǎn)生加速度時(shí)，由兩指針②相對(duì)于球體①內(nèi)表面的慣性運(yùn)動(dòng)，以及彈性滑動(dòng)變阻器④的運(yùn)動(dòng)，改變接入電路中電阻的阻值，僅處理一個(gè)數(shù)據(jù)即可得出剛體的加速度情況。本發(fā)明數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單，成本低廉，可靠性高，便于大規(guī)模應(yīng)用。
文檔編號(hào)G01P15/12GK102539828SQ201210038309
公開(kāi)日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月10日
發(fā)明者宋莉, 柴世學(xué), 柴源 申請(qǐng)人:柴源