專利名稱：一種雙閾值三穩(wěn)態(tài)碰撞傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種雙閾值三穩(wěn)態(tài)碰撞傳感器，屬于精密微機(jī)電系統(tǒng)和碰撞傳感器技術(shù)領(lǐng)域，可用于碰撞安全保護(hù)系統(tǒng)、航空航天控制系統(tǒng)、武器系統(tǒng)、儀器跌落保護(hù)以及病人摔倒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)等。
背景技術(shù)：
碰撞傳感器能夠準(zhǔn)確地感應(yīng)碰撞強(qiáng)度，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的閾值來判斷碰撞危險(xiǎn)程度，為完全保護(hù)控制系統(tǒng)提供可靠的決策信息，在武器系統(tǒng)、航空航天、車輛安全系統(tǒng)及民用消費(fèi)電子領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。作為安全控制系統(tǒng)的關(guān)鍵傳感器件，碰撞傳感器不僅需要快速而準(zhǔn)確的評估碰撞方向和危險(xiǎn)程度，并接通安全保護(hù)電路，還要考慮應(yīng)用環(huán)境中干擾因素的影響，這就限制了一些基于多物理場效應(yīng)研制的傳感器的應(yīng)用，如磁場式和電場式傳感器能耗問題和抗干擾問題。目前碰撞傳感器的功能主要集中于單閾值單方向的碰撞感應(yīng)，難以判斷兩次以上的連續(xù)碰撞或?qū)ε鲎矎?qiáng)度進(jìn)行判斷等。而電子式碰撞傳感器主要依靠加速度計(jì)來感應(yīng)碰撞， 同時需要復(fù)雜的測試電路和信號處理電路，這不僅增加了傳感器測量系統(tǒng)的成本，還受制于加速度計(jì)的工作精度和環(huán)境干擾影響等，嚴(yán)重影響了安全系統(tǒng)的響應(yīng)速度和可靠性。綜合調(diào)研發(fā)現(xiàn)，碰撞傳感器的閾值感應(yīng)個數(shù)和抗干擾能力是限制其性能提升的關(guān)鍵因素。因此，采用非線性純機(jī)械結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)多個同向或異向碰撞閾值的感應(yīng)功能，是提高傳感器系統(tǒng)的精度和可靠性的重要途徑，既可以滿足多級安全保護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用需求，又可以避免外界電磁場的干擾和能耗問題。

發(fā)明內(nèi)容
為了滿足現(xiàn)代碰撞多級安全保護(hù)系統(tǒng)對于多閾值、多方向及低能耗碰撞傳感器的應(yīng)用需求，本發(fā)明提供了一種雙閾值三穩(wěn)態(tài)碰撞傳感器，屬于精密微機(jī)電系統(tǒng)和碰撞傳感器技術(shù)領(lǐng)域，可用于碰撞安全保護(hù)系統(tǒng)、航空航天控制系統(tǒng)、武器系統(tǒng)、儀器跌落保護(hù)以及病人摔倒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)等。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種雙閾值三穩(wěn)態(tài)碰撞傳感器主要包括質(zhì)量塊、平行梁、固定塊第一觸點(diǎn)和第二觸點(diǎn)，所述質(zhì)量塊包含一個外質(zhì)量塊和內(nèi)質(zhì)量塊，采用平行梁把外質(zhì)量塊、內(nèi)質(zhì)量塊和固定塊連接，構(gòu)成內(nèi)外嵌套的雙層平行梁支撐結(jié)構(gòu)，第一平行梁和第二平行梁連接外質(zhì)量塊的內(nèi)側(cè)與內(nèi)質(zhì)量塊的外側(cè)，第三平行梁和第四平行梁連接內(nèi)質(zhì)量塊的內(nèi)側(cè)與位于固定塊上側(cè)梁的外側(cè)，側(cè)梁的兩端與固定塊連接，形成左右對稱結(jié)構(gòu)，所述第一觸點(diǎn)位于內(nèi)質(zhì)量塊豎直方向的外側(cè)，所述第二觸點(diǎn)位于外質(zhì)量塊沿豎直方向的外側(cè)；當(dāng)內(nèi)質(zhì)量塊沿豎直方向運(yùn)動，內(nèi)質(zhì)量塊與第一觸點(diǎn)接觸時，第一平行梁和第二平行梁發(fā)生變形，碰撞傳感器位于第二穩(wěn)態(tài)；當(dāng)內(nèi)質(zhì)量塊位置保持不變，外質(zhì)量塊沿豎直方向運(yùn)動，外質(zhì)量塊與第二觸點(diǎn)接觸時，第三平行梁和第四平行梁發(fā)生變形，碰撞傳感器位于第三穩(wěn)態(tài)。所述第一觸點(diǎn)和第二觸點(diǎn)分別位于內(nèi)質(zhì)量塊和外質(zhì)量塊同一側(cè)的外側(cè)。
所述第一觸點(diǎn)和第二觸點(diǎn)分別位于內(nèi)質(zhì)量塊和外質(zhì)量塊相反側(cè)的外側(cè)。所述外質(zhì)量塊的內(nèi)側(cè)和內(nèi)質(zhì)量塊內(nèi)側(cè)及外側(cè)都設(shè)有供平行粱固定用的側(cè)梁。所述外質(zhì)量塊和內(nèi)質(zhì)量塊采用方形中空結(jié)構(gòu)，兩側(cè)的寬度大于上下部分的寬度。所述外質(zhì)量塊、內(nèi)質(zhì)量塊、第一觸點(diǎn)和第二觸點(diǎn)采用金屬導(dǎo)電材料。本發(fā)明中裝置的工作特性為，該碰撞傳感器無需處理器和驅(qū)動裝置即可迅速判斷碰撞強(qiáng)度等級，發(fā)出控制信號。當(dāng)外界碰撞強(qiáng)度低于第一危險(xiǎn)閾值時，平行梁結(jié)構(gòu)不發(fā)生屈曲變形，內(nèi)外質(zhì)量塊保持原位置，傳感器處于第一穩(wěn)態(tài)；當(dāng)外界碰撞強(qiáng)度超過第一危險(xiǎn)閾值而小于第二危險(xiǎn)閾值時，第三平行梁和第四平行梁結(jié)構(gòu)發(fā)生屈曲變形，內(nèi)質(zhì)量塊迅速與第一觸點(diǎn)接觸，第一平行梁和第二平行梁保持不變形，該機(jī)構(gòu)處于第二穩(wěn)態(tài)；當(dāng)外界碰撞強(qiáng)度超過第二危險(xiǎn)閾值時，四組平行梁同時發(fā)生屈曲變形，并使外質(zhì)量塊和內(nèi)質(zhì)量塊同時迅速接觸第一觸點(diǎn)和第二觸點(diǎn)，并保持于該狀態(tài)，此時機(jī)構(gòu)處于第三穩(wěn)態(tài)；當(dāng)連續(xù)發(fā)生二次碰撞時，即第一次碰撞大于第一危險(xiǎn)閾值、第二次碰撞大于第二危險(xiǎn)閾值，此時第一平行梁和第二平行梁首先變形，內(nèi)質(zhì)量塊接觸第一觸點(diǎn)，然后外質(zhì)量塊接觸第二觸點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)碰撞類型的感應(yīng)功能。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)1.本發(fā)明采用內(nèi)外嵌套雙層傾斜支撐梁結(jié)構(gòu)的非線性三穩(wěn)態(tài)特性實(shí)現(xiàn)雙碰撞強(qiáng)度閾值的感應(yīng)功能，與傳統(tǒng)線彈性結(jié)構(gòu)傳感器相比，具有閾值感應(yīng)精度高、雙閾值感應(yīng)、能耗低和可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。2.本發(fā)明為依靠外界慣性力驅(qū)動的機(jī)械裝置，能夠有效的抵抗電磁干擾，并且碰撞傳感器工作行程大，對外界各種頻率加速度信號具有機(jī)械識別功能，濾去高頻干擾，提高傳感器在各種惡劣環(huán)境(電磁干擾、雷雨及振動干擾等)下的動作準(zhǔn)確性，適用于多種民用和軍用場合。3.本發(fā)明采用平面結(jié)構(gòu)，除觸點(diǎn)外的所有結(jié)構(gòu)部分適合一體化加工，成本低廉，便于批量生產(chǎn)。


圖1是實(shí)施例1 一種雙閾值三穩(wěn)態(tài)碰撞傳感器結(jié)構(gòu)圖。圖2是實(shí)施例1 一種雙閾值三穩(wěn)態(tài)碰撞傳感器第二穩(wěn)態(tài)位置。圖3是實(shí)施例1 一種雙閾值三穩(wěn)態(tài)碰撞傳感器第三穩(wěn)態(tài)位置。圖4是實(shí)施例2 —種雙閾值三穩(wěn)態(tài)碰撞傳感器的第一穩(wěn)態(tài)位置。圖5是實(shí)施例2 —種雙閾值三穩(wěn)態(tài)碰撞傳感器的第二穩(wěn)態(tài)位置。圖6是實(shí)施例2 —種雙閾值三穩(wěn)態(tài)碰撞傳感器的第三穩(wěn)態(tài)位置。圖7是實(shí)施例3 —種雙閾值三穩(wěn)態(tài)碰撞傳感器結(jié)構(gòu)圖。圖中，1、外質(zhì)量塊，2、內(nèi)質(zhì)量塊，3、固定塊，4、第一平行梁，5，第二平行梁，6、第三平行梁，7、第四平行梁，8、第一側(cè)梁、8a、第二側(cè)梁，Sb、第三側(cè)梁，Sc、第四側(cè)梁、8d、第五側(cè)梁，Se、第六側(cè)梁、8f、第七側(cè)梁，8j、第八側(cè)梁，9、第一觸點(diǎn)，9a、第二觸點(diǎn)，％、第三觸點(diǎn)，10、 第五平行梁，11、第六平行梁。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1圖1示出一種雙閾值三穩(wěn)態(tài)碰撞傳感器的結(jié)構(gòu)圖。圖中，一種雙閾值三穩(wěn)態(tài)碰撞傳感器包括外質(zhì)量塊1、內(nèi)質(zhì)量塊2、固定塊3、第一平行梁4、第二平行梁5、第三平行梁6 和第四平行梁7、第一觸點(diǎn)9和第二觸點(diǎn)9a。第一側(cè)梁8和第二側(cè)梁8a的兩端連接于固定塊3上。第三平行梁6和第四平行梁7將內(nèi)質(zhì)量塊2連接于固定塊3上，形成支撐結(jié)構(gòu)；第一平行梁4和第二平行梁5的兩端分別連接內(nèi)質(zhì)量塊2的外側(cè)和外質(zhì)量塊1的內(nèi)側(cè)。第一觸點(diǎn)9固定于內(nèi)質(zhì)量塊2和外質(zhì)量塊1之間，第二觸點(diǎn)9a固定于外質(zhì)量塊的外側(cè)。當(dāng)沒有碰撞時，四組平行梁支撐外質(zhì)量塊1和內(nèi)質(zhì)量塊2保持于原位置，碰撞傳感器處于第一穩(wěn)態(tài)。碰撞傳感器的抗干擾能力主要體現(xiàn)于，當(dāng)傳感器受到的碰撞強(qiáng)度小于第一危險(xiǎn)閾值或其他振動干擾時，外質(zhì)量塊1和內(nèi)質(zhì)量塊2僅在第一穩(wěn)態(tài)位置附近微小振動，傳感器不會發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)換，第一觸點(diǎn)9、第二觸點(diǎn)9a與內(nèi)質(zhì)量塊2和外質(zhì)量塊1之間保持?jǐn)嚅_狀態(tài)， 因此，傳感器具有一定的抗干擾能力。由于機(jī)構(gòu)為純機(jī)械結(jié)構(gòu)，同時不受外界電磁場的干擾。圖2所示，當(dāng)外界碰撞強(qiáng)度大于第一危險(xiǎn)閾值而小于第二危險(xiǎn)閾值時，在外界碰撞力的作用下，第三平行梁6和第四平行梁7發(fā)生屈曲變形，依靠機(jī)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)跳轉(zhuǎn)現(xiàn)象，內(nèi)質(zhì)量塊2迅速與第一觸點(diǎn)9接觸，并保持于該狀態(tài)。同時，外質(zhì)量塊1隨著內(nèi)質(zhì)量塊2平動， 由于外力的幅值未超過第一平行梁4和第二平行梁5的屈曲極限而未發(fā)生變形現(xiàn)象，未達(dá)到第二觸點(diǎn)9a的位置，此時結(jié)構(gòu)處于第二穩(wěn)態(tài)位置；圖3所示，當(dāng)外界碰撞強(qiáng)度大于第二危險(xiǎn)閾值時，內(nèi)質(zhì)量塊2和外質(zhì)量塊1產(chǎn)生的慣性力足以使四組平行梁同時發(fā)生屈曲變形，并發(fā)生跳轉(zhuǎn)現(xiàn)象，使內(nèi)質(zhì)量塊2和外質(zhì)量塊1 同時與第一觸點(diǎn)9和第二觸點(diǎn)9a接觸，并穩(wěn)定保持與該狀態(tài)，接通所連接的電路保護(hù)裝置。實(shí)施例2圖4、5、6給出了另一種雙閾值三穩(wěn)態(tài)碰撞傳感器的結(jié)構(gòu)圖。圖中，在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上，采用第五平行梁10和第六平行梁11替代實(shí)施例1中的第一平行梁4和第二平行梁5，觸點(diǎn)9b替代觸點(diǎn)9a，并置于外質(zhì)量塊的上部。第五平行梁和第六平行梁的傾斜角度之和等于180度。第五平行梁10和第六平行梁11的角度與第三平行梁6和第四平行梁7 的傾斜角度大小相等，方向相反。圖5和圖6給出了該實(shí)施方式的另外兩個穩(wěn)定狀態(tài)。該類傳感器能夠感應(yīng)不同方向上不同閾值的碰撞事故，即外碰撞沿不同方向的感應(yīng)功能。當(dāng)外碰撞超過第一危險(xiǎn)閾值時，內(nèi)質(zhì)量塊2迅速與第一觸點(diǎn)9接觸。當(dāng)相反方向的外碰撞超過第二危險(xiǎn)閾值時，第三平行梁6和第四平行梁7不發(fā)生變形，內(nèi)質(zhì)量塊1保持不動。第五平行梁10和第六平行梁11發(fā)生屈曲變形，外質(zhì)量塊迅速與第三觸點(diǎn)9b接觸， 并閉合，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定接觸。對于連續(xù)的相反方向的碰撞感應(yīng)，本發(fā)明首先內(nèi)質(zhì)量塊2與第一觸點(diǎn)9迅速接觸， 當(dāng)相反方向的碰撞發(fā)生時，內(nèi)質(zhì)量塊2與第一觸點(diǎn)9迅速斷開恢復(fù)到原位置，外質(zhì)量塊1迅速與第三觸點(diǎn)9b接觸，導(dǎo)通電路。實(shí)施例3圖7給出了第三種雙閾值三穩(wěn)態(tài)碰撞傳感器的結(jié)構(gòu)圖。圖中，在實(shí)施例1和實(shí)施例2的基礎(chǔ)上，采用第三側(cè)梁Sb、第四側(cè)梁Sc、第五側(cè)梁8d、第六側(cè)梁Se、第七側(cè)梁8f和第八側(cè)梁8j作為柔性連接替代原有的剛性連接，第三側(cè)梁8b和第四側(cè)梁8c的兩端連接內(nèi)質(zhì)量塊2的內(nèi)側(cè)，中間部分連接第三平行梁6和第四平行梁7的一端，第六側(cè)梁8e和第五側(cè)梁8d的兩端連接內(nèi)質(zhì)量塊2的外側(cè)，中間部分連接第五平行梁10和第六平行梁11的一端。 第七側(cè)梁8f和第八側(cè)梁8j的兩端連接外質(zhì)量塊1的內(nèi)側(cè)，中間部分連接第五平行梁10和第六平行梁11的另一端。該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)實(shí)施例2的功能的同時，可以大幅度降低感應(yīng)閾值， 適用于病人跌倒防護(hù)監(jiān)測和跌落保護(hù)系統(tǒng)等。
權(quán)利要求
1.一種雙閾值三穩(wěn)態(tài)碰撞傳感器，它主要包括質(zhì)量塊、平行梁、固定塊C3)第一觸點(diǎn) (9)和第二觸點(diǎn)(9a)，其特征是所述質(zhì)量塊包含一個外質(zhì)量塊(1)和內(nèi)質(zhì)量塊O)，采用平行梁把外質(zhì)量塊(1)、內(nèi)質(zhì)量塊( 和固定塊C3)連接，構(gòu)成內(nèi)外嵌套的雙層平行梁支撐結(jié)構(gòu)，第一平行梁⑷和第二平行梁(5)連接外質(zhì)量塊⑴的內(nèi)側(cè)與內(nèi)質(zhì)量塊(2)的外側(cè)， 第三平行梁(6)和第四平行梁(7)連接內(nèi)質(zhì)量塊O)的內(nèi)側(cè)與位于固定塊C3)上側(cè)梁的外側(cè)，側(cè)梁的兩端與固定塊C3)連接，形成左右對稱結(jié)構(gòu)，所述第一觸點(diǎn)(9)位于內(nèi)質(zhì)量塊 (2)豎直方向的外側(cè)，所述第二觸點(diǎn)(9a)位于外質(zhì)量塊(1)沿豎直方向的外側(cè)；當(dāng)內(nèi)質(zhì)量塊(2)沿豎直方向運(yùn)動，內(nèi)質(zhì)量塊( 與第一觸點(diǎn)(9)接觸時，第一平行梁(4)和第二平行梁( 發(fā)生變形，碰撞傳感器位于第二穩(wěn)態(tài)；當(dāng)內(nèi)質(zhì)量塊( 位置保持不變，外質(zhì)量塊(1) 沿豎直方向運(yùn)動，外質(zhì)量塊(1)與第二觸點(diǎn)(9a)接觸時，第三平行梁(6)和第四平行梁(7) 發(fā)生變形，碰撞傳感器位于第三穩(wěn)態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙閾值三穩(wěn)態(tài)碰撞傳感器，其特征是所述第一觸點(diǎn)(9) 和第二觸點(diǎn)(9a)分別位于內(nèi)質(zhì)量塊( 和外質(zhì)量塊(1)同一側(cè)的外側(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙閾值三穩(wěn)態(tài)碰撞傳感器，其特征是所述第一觸點(diǎn)(9) 和第二觸點(diǎn)(9a)分別位于內(nèi)質(zhì)量塊( 和外質(zhì)量塊(1)相反側(cè)的外側(cè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙閾值三穩(wěn)態(tài)碰撞傳感器，其特征是所述外質(zhì)量塊(1) 的內(nèi)側(cè)和內(nèi)質(zhì)量塊⑵內(nèi)側(cè)及外側(cè)都設(shè)有供平行粱固定用的側(cè)梁。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙閾值三穩(wěn)態(tài)碰撞傳感器，其特征是所述外質(zhì)量塊(1) 和內(nèi)質(zhì)量塊(2)采用方形中空結(jié)構(gòu)，兩側(cè)的寬度大于上下部分的寬度。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種雙閾值三穩(wěn)態(tài)碰撞傳感器，其特征是所述外質(zhì)量塊 (1)、內(nèi)質(zhì)量塊(2)、第一觸點(diǎn)(9)和第二觸點(diǎn)(9a)采用金屬導(dǎo)電材料。
全文摘要
一種雙閾值三穩(wěn)態(tài)碰撞傳感器，屬于精密微機(jī)電系統(tǒng)和碰撞傳感器技術(shù)領(lǐng)域。主要由外質(zhì)量塊、內(nèi)質(zhì)量塊、平行梁、固定塊、第一觸點(diǎn)和第二觸點(diǎn)構(gòu)成內(nèi)外嵌套的雙層傾斜支撐梁結(jié)構(gòu)。本發(fā)明無需處理器和驅(qū)動裝置即可迅速判斷碰撞強(qiáng)度等級，發(fā)出控制信號。無危險(xiǎn)情況時，傳感器處于第一穩(wěn)態(tài)，當(dāng)外界碰撞強(qiáng)度超過第一危險(xiǎn)閾值而小于第二危險(xiǎn)閾值時，內(nèi)質(zhì)量塊迅速與第一觸點(diǎn)接觸，處于第二穩(wěn)態(tài)；當(dāng)外界碰撞強(qiáng)度超過第二危險(xiǎn)閾值時，外質(zhì)量塊和內(nèi)質(zhì)量塊同時迅速接觸第一觸點(diǎn)和第二觸點(diǎn)，處于第三穩(wěn)態(tài)；當(dāng)連續(xù)發(fā)生二次碰撞時，傳感器依次接通第一觸點(diǎn)和第二觸點(diǎn)。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、多閾值智能感應(yīng)、接觸可靠、無需驅(qū)動和抗電磁干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。
文檔編號H01H35/14GK102568923SQ20111045925
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月31日
發(fā)明者劉鵬勃, 常穎, 牛磊, 胡平, 趙劍, 陳國璽 申請人:大連理工大學(xué)