專利名稱：一種多維位移加速度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種相對位置、角度與加速度測量裝置，具體涉及一種多維位移加速度傳感器。
背景技術(shù)：
目前，已知的位移傳感器，角度傳感器，加速度傳感器多為分立元件。當一個產(chǎn)品， 需要應用上述功能時，例如具有鼠標指針的手持設備，為了達到良好的操控效果，多使用軌跡球或光電圖像傳感器。這些傳感器大部分為相對位置測量，即手指劃動一下，鼠標指針便移動一段距離。雖然可以達到很好的效果，但在靈活性方面還有不足。如果還想同時具備加速度與角度感應功能，則還需要增加旋轉(zhuǎn)編碼器和加速度模塊。中國專利申請?zhí)枮?200610109056.6的專利集成了位移、角度、加速度傳感三種功能。但還存在結(jié)構(gòu)復雜、生產(chǎn)難度大、生產(chǎn)成本高等問題，而且不利于實現(xiàn)類似力反饋功能的擴展。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)成本低、功能全面的多維位移加速度傳感器。本實用新型所述的一種多維位移加速度傳感器，其特征在于，磁體(3)的一側(cè)固定有測量元件組，測量元件組處于磁體(3)的磁場中，磁體(3)可以在其所處的平面上移動，在磁體(3)移動過程中，所述測量元件組通過測量所述磁體(3)所在位置的磁場強度和磁場方向獲得所述磁體(3)相對所述測量元件組的位置和轉(zhuǎn)角。所述測量元件組包括磁敏元件(1)和距離測量元件(2)。所述磁敏元件(1)為至少三個，平均分布在測量元件組上。所述距離測量元件(2)為至少一個。所述距離測量元件(2)可以為觸點開關(guān)元件、電容傳感器、電感傳感器、壓電傳感器或應變傳感器。所述磁體(3)為永磁鐵。所述磁鐵(3)為一側(cè)包含至少4個磁極的永磁鐵。 所述磁極的S極和N極交替排列。所述磁敏元件(1)作為水平位移測量和旋轉(zhuǎn)角度的測量，所述距離測量元件(2) 作為垂直方向上的位移和傾角測量，通過檢測單位時間內(nèi)所述磁體(3)不同方向移動的距離來實現(xiàn)多維加速度測量。利用電感傳感器的電磁效應或壓電傳感器的逆壓電效應，通過為距離測量元件 (2)施加電流使其控制磁體(3)產(chǎn)生位移，實現(xiàn)力反饋。本實用新型的有益效果是1.集成了位移、角度、加速度傳感三種功能；2.利于實現(xiàn)類似力反饋功能的擴展；[0017] 3.結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)成本低。

[0018]圖1是本實用新型實施例1中磁體的磁極分布示意圖；[0019]圖2是本實用新型實施例1中測量元件組示意圖；[0020]圖3是本實用新型實施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；[0021]圖4是本實用新型實施例1的磁體與磁敏元件的曲線圖[0022]圖5是圖3X軸方向上的側(cè)視圖；[0023]圖6是圖3Y軸方向上的側(cè)視圖；[0024]圖7是本實用新型實施例3中測量元件組示意圖；[0025]圖8是本實用新型實施例2的結(jié)構(gòu)示意圖；[0026]圖9是圖8Y軸方向上的側(cè)視圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖及具體實施例對本實用新型做詳細說明。實施例1 如圖1所示，磁體3為一側(cè)包含4個磁極的圓形永磁鐵，磁極的S極32和N極31 交替排列，4極永磁鐵可以通過對同一個磁性材料做多極磁化或由多塊扇形磁體組合在一起得到。如圖2所示，測量元件組由4個磁敏元件1與4個距離測量元件2組成，磁敏元件 1可以是霍爾效應元件，也可以是磁阻元件。磁敏元件la、lb、lc、Id和距離測量元件2a、2b、 2c,2d平均分布在測量元件組上。磁敏元件1在磁體3的N極靠近磁敏元件1時輸出電信號，包括電壓、電阻或頻率。 所述電信號通過采集電路轉(zhuǎn)換后輸出的數(shù)據(jù)B > 0 ；磁敏元件1在磁體3的S極靠近磁敏元件1時，輸出數(shù)據(jù)B < 0 ；磁體3的N極與S極中心分割線靠近磁敏元件1時輸出數(shù)據(jù)B =0。如圖3所示，將磁體3放置在測量元件組一側(cè)，并覆蓋住測量元件組。磁敏元件la、 lb、lc、Id和距離測量元件2a、2b、2c、2d分別在磁極分割線31與32所對應的正Y軸、負X 軸、負Y軸、正X軸上。當磁敏元件la、Ib、Ic、Id和距離測量元件2a、2b、2c、2d到磁極分割線31與32交點的距離相等時，磁敏元件la、lb、lc、ld輸出的數(shù)據(jù)Ba, Bb, Be, Bd都為0。如圖4所示，當磁體3在磁敏元件1上移動距離M時，磁敏元件1輸出的數(shù)據(jù)B為曲線C，可以得到接近線性的區(qū)域P。限制磁體3移動范圍，使磁敏元件1輸出數(shù)據(jù)B在P 區(qū)域內(nèi)即可測量磁體3相對磁敏元件1的位置。M = K(B) (1)式中，M磁敏元件1相對磁體3的S極與N極中心分割線的位移距離；B為磁敏元件1輸出的數(shù)據(jù)；K為磁敏元件1輸出的數(shù)據(jù)B與磁體3位移距離M的系數(shù)(函數(shù))。如圖3、圖5和圖6所示，磁體3按順時針轉(zhuǎn)動時，磁敏元件Ia與Ic同時靠近N極輸出的數(shù)據(jù)Ba = Bc > 0，磁敏元件Ib與Id同時靠近S極輸出的數(shù)據(jù)Bb = Bd < 0 ；磁體 3逆時針轉(zhuǎn)動時磁敏元件Ia與Ic同時靠近S極輸出的數(shù)據(jù)Ba = Bc < 0，磁敏元件Ib與Id同時靠近N極輸出的數(shù)據(jù)Bb = Bd > 0。通過公式2可得到磁體3轉(zhuǎn)動的角度，通過正、 負號可以確定磁體3是順時針轉(zhuǎn)動還是逆時針轉(zhuǎn)動。
Rcp=arctan(K((Ba+Bb+Bc+Bd)/4)/D)(2 )式中，Rcp為轉(zhuǎn)動角度；arctan為反余弦函數(shù)；K為磁敏元件1輸出的數(shù)據(jù)B與磁體 3在X，Y方向上位移距離M的系數(shù)；Ba，Bb, Be, Bd為磁敏元件la，lb, lc, Id輸出的數(shù)據(jù)；D 為設計時磁敏元件1距離磁體中心的距離。由公式2可計算出磁體3在以Z軸為軸心轉(zhuǎn)動的角度，即磁體3N極與S極中心分割線與相對坐標軸的夾角，通分過兩次讀取轉(zhuǎn)動角度與讀取時間間隔進行計算可得出磁體 3的轉(zhuǎn)角加速度。當磁體3向正X方向移動時，磁敏元件Ia的正面靠近磁體N極輸出的數(shù)據(jù)Ba > 0，磁敏元件Ic靠近磁體S極輸出的數(shù)據(jù)Bc < 0，磁敏元件Ib與Id相對磁體N極與S極的位置不變，保持在磁體N極與S極中心分割線上輸出的數(shù)據(jù)Bb = Bd = 0。磁體3向負X 方向移動時，磁敏元件Ia的正面靠近磁體S極輸出的數(shù)據(jù)Ba < 0，磁敏元件Ic靠近磁體N 極輸出的數(shù)據(jù)Bc > 0，磁敏元件Ib與Id相對磁體N極與S極的位置不變，保持在磁體N極與S極中心分割線上輸出的數(shù)據(jù)Bb = Bd = 0。Mx = K ((Ba-Bc) /2) (3)式中，Mx為磁體3在X方向上的移動距離；K為傳磁敏元件1輸出的數(shù)據(jù)B與磁體 3在X，Y方向上位移距離M的系數(shù)；Ba，Bc為磁敏元件la，Ic輸出的數(shù)據(jù)。由公式3可計算出磁體3在X方向上的移動距離，通過分兩次讀取磁體3的位移距離，與讀取時間間隔進行計算可得出磁體3在X方向上的加速度。當磁體3向正Y方向移動時，磁敏元件Id的正面靠近磁體N極輸出的數(shù)據(jù)Bd > 0，磁敏元件Ib靠近磁體S極輸出的數(shù)據(jù)Bb < 0，磁敏元件Ia與Ic相對磁體N極與S極的位置不變，保持在磁體N極與S極中心分割線上輸出的數(shù)據(jù)Ba = Bc = 0。磁體3向負Y 方向移動時，磁敏元件Id的正面靠近磁體S極輸出的數(shù)據(jù)Bd < 0，磁敏元件Ib靠近磁體N 極輸出的數(shù)據(jù)Bb > 0，磁敏元件Ia與Ic相對磁體N極與S極的位置不變，保持在磁體N極與S極中心分割線上輸出的數(shù)據(jù)Ba = Bc = 0。My = K ((Bb-Bd) /2) (4)式中，My為磁體3在Y方向上的移動距離；K為磁敏元件1輸出的數(shù)據(jù)B與磁體3 在X，Y方向上位移距離M的系數(shù)；Bb，Bd為磁敏元件lb，Id輸出的數(shù)據(jù)由公式4可計算出磁體3在Y方向上的移動距離，通過分兩次讀取磁體3的位移距離，與讀取時間間隔進行計算可得出磁體3在Y方向上的加速度。實施例2 如圖6、圖7、圖8和圖9所示，距離測量元件2的數(shù)量為1個，磁體3與距離測量元件2的距離發(fā)生變化時通過讀取距離測量元件2輸出數(shù)據(jù)T得到磁體3在Z方向上的位移Mz = K (T) (5)式中，Mz為磁體Z方向上的移動距離；T為距離測量元件2的輸出數(shù)據(jù)；K為距離測量元件2輸出數(shù)據(jù)T與磁體3在Z方向上位移M的系數(shù)。[0052]由公式5可計算出磁體3在Z方向上的移動距離，通過分兩次讀取磁體3的位移距離，與讀取時間間隔進行計算可得出磁體3在Z方向上的加速度。實施例3 如圖3所示，所述距離測量元件2的數(shù)量為4個，圖5所示磁體3與距離測量元件 2a, 2c的距離為ta，tc，圖9所示磁體3與距離測量元件2b，2d的距離為tb，td。Kx = arctan ((Mb-Md) /D) (6)Ky = arctan ((Ma-Mc) /D) (7)Kz = (Ma+Mc+Mb+Md) /4 (8)式中，Kx為磁體3在X軸方向上的傾斜角度，通過正、負號決定磁體3是向正X軸方向傾斜還是向負X軸方向傾斜；Ky為磁體3在Y軸方向上的傾斜角度，通過正、負號決定磁體3是向正Y軸方向傾斜還是向負Y軸方向傾斜；Kz為磁體3到距離測量元件2的平均距離；Ma、Mb、Mc、Md分別為磁體3到距離測量元件h、2b、2c、2d的距離；D為設計時距離測量元件加與2c，2b與2d的距離。由公式6和公式7可計算出磁體3在X軸與Y軸方向上的傾斜角度，通過分兩次讀取磁體3的傾斜角度，與讀取時間間隔進行計算可得出磁體3在X軸與Y軸方向上的傾角加速度。由公式8可計算出磁體3在Z方向上的移動的平均距離，通過分兩次讀取磁體3 的位移距離，與讀取時間間隔進行計算可得出磁體3在Z方向上的加速度。實施例4:所述距離測量元件2為電感傳感器，由于磁體3為磁導率比較高的材料制成，當磁體3與距離測量元件2的距離發(fā)生變化時，距離測量元件2的電感量或磁阻會發(fā)生變化。 測量距離測量元件2輸出的數(shù)據(jù)并通過實施例1可得到磁體相對Z軸的位移與加速度。為距離測量元件2施加電流使距離測量元件2可作為電磁體使用，調(diào)整距離測量元件2的線圈方向使其在通入正向電流時靠近磁體3 —側(cè)為N極，通入負向電流時靠近磁體3 —側(cè)為 S極。為距離測量元件加通入正向電流，2c通入負向電流。此時加靠近磁體3 —側(cè)為 N極，2c靠近磁體3 —側(cè)為S極，在加與2c處為磁體3施加一個方向為負X的力，磁體3 向負X方向移動。為距離測量元件加通入負向電流，2c通入正向電流。此時加靠近磁體3 —側(cè)為 S極，2c靠近磁體3 —側(cè)為N極，在加與2c處為磁體3施加一個方向為正X的力磁體3向正X方向移動。為距離測量元件2b通入正向電流，2d通入負向電流。此時2b靠近磁體3 —側(cè)為 N極，2d靠近磁體3 —側(cè)為S極，在2b與2d處為磁3體施加一個方向為正Y的力磁體3向正Y方向移動。為距離測量元件加通入負向電流，2c通入正向電流。此時加靠近磁體3 —側(cè)為 S極，2c靠近磁體3 —側(cè)為N極，在加與2c處為磁體3施加一個方向為負Y的力磁體3向負Y方向移動。為距離測量元件加與2c同時通入正向電流，此時加與2b靠近磁體3 —側(cè)都為 N極，加處為磁體3施加一個方向為負X方向的力，2c處為磁體3施加一個正X方向的力，此時磁體3逆時針轉(zhuǎn)動。為距離測量元件加與2c同時通入負向電流，此時加與2b靠近磁體3 —側(cè)都為 S極，加處為磁體3施加一個方向為正X方向的力，2c處為磁體3施加一個負X方向的力， 此時磁體3順時針轉(zhuǎn)動。實施例5 所述距離測量元件2為電容傳感器，當磁體接觸距離測量元件2并為距離測量元件2施加一定的力時，改變了距離測量元件2兩電極間的距離使距離測量元件2的電容發(fā)生變化，測量電容變化通過實施例1計算出磁體相對距離測量元件2在Z軸上的位移與加速度。實施例6:所述距離測量元件2為壓電傳感器，利用壓電材料的壓電效應，當磁體接觸距離測量元件2并為距離測量元件2施加一定的力時。距離測量元件2的體積發(fā)生變化，距離測量元件2兩端產(chǎn)生電壓，測量距離測量元件2數(shù)據(jù)通過實施例1計算出磁體相對距離測量元件2在Z軸上的位移與加速度。利用壓電材料的逆壓電效應，為相應距離測量元件2 通入電流可使距離測量元件2的體積向Z方向變大或縮小從而推動磁體3不同位置在Z方向產(chǎn)生位移。實施例7 所述距離測量元件2為觸點開關(guān)元件，當磁體3與距離測量元件2接觸并使距離減小到某特定點時，開關(guān)閉合。當磁體3與距離測量元件2的距離大到某一特定點時，開關(guān)斷開。通過監(jiān)視開關(guān)的狀態(tài)可以判斷磁體3到距離測量元件2的位置變化。實施例8 所述距離測量元件2為應變傳感器，當磁體3與距離測量元件2接觸并施加一定壓力時，應變元件發(fā)生形變使輸出數(shù)據(jù)發(fā)生變化。測量距離測量元件2數(shù)據(jù)通過實施例1 計算出磁體相對距離測量元件2在Z軸上的位移與加速度。
權(quán)利要求1.一種多維位移加速度傳感器，其特征在于，磁體(3)的一側(cè)固定有測量元件組，測量元件組處于磁體(3)的磁場中，磁體(3)可以在其所處的平面上移動，在磁體(3)移動過程中，所述測量元件組通過測量所述磁體(3)所在位置的磁場強度和磁場方向獲得所述磁體 (3)相對所述測量元件組的位置和轉(zhuǎn)角。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多維位移加速度傳感器，其特征在于，所述測量元件組包括磁敏元件(1)和距離測量元件(2)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種多維位移加速度傳感器，其特征在于，所述磁敏元件(1) 為至少三個，平均分布在測量元件組上。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種多維位移加速度傳感器，其特征在于，所述距離測量元件(2)為至少一個。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或4任1項所述的一種多維位移加速度傳感器，其特征在于，所述距離測量元件(2)可以為觸點開關(guān)元件、電容傳感器、電感傳感器、壓電傳感器或應變傳感ο
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多維位移加速度傳感器，其特征在于，所述磁體(3)為永磁鐵。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多維位移加速度傳感器，其特征在于，所述磁鐵(3)為一側(cè)包含至少4個磁極的永磁鐵。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種多維位移加速度傳感器，其特征在于，所述磁極的S極和 N極交替排列。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種多維位移加速度傳感器，其特征在于，所述磁敏元件(1) 作為水平位移測量和旋轉(zhuǎn)角度的測量，所述距離測量元件(2)作為垂直方向上的位移和傾角測量，通過檢測單位時間內(nèi)所述磁體(3)不同方向移動的距離來實現(xiàn)多維加速度測量。
專利摘要本實用新型涉及一種相對位置、角度與加速度測量裝置。一種多維位移加速度傳感器，磁體的一側(cè)固定有測量元件組，測量元件組處于磁體的磁場中，磁體可以在其所處的平面上移動，在磁體移動過程中，所述測量元件組通過測量所述磁體所在位置的磁場強度和磁場方向獲得所述磁體相對所述測量元件組的位置和轉(zhuǎn)角。所述測量元件組包括磁敏元件和距離測量元件。本實用新型集成了位移、角度、加速度傳感三種功能；利于實現(xiàn)類似力反饋功能的擴展；結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)成本低。
文檔編號G01B7/02GK202255262SQ20112024074
公開日2012年5月30日 申請日期2011年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月8日
發(fā)明者張峰 申請人:張峰