專利名稱：電阻式六自由度加速度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型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)，這種由于機(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)，但是其最基本的原理都是由于加速度產(chǎn)生某個(gè)介質(zhì)產(chǎn)生變形，通過(guò)測(cè)量其變形量并用相關(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，力口速度解耦困難，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。采用多只單軸加速度傳感器進(jìn)行組合實(shí)現(xiàn)六維加速度傳感。其基本原理是通過(guò)固定在同一剛體上的多只單軸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％和角加速度Oi，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)容本實(shí)用新型鑒于上述問(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)振動(dòng)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。[0007]為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是一種電阻式六自由度單值傳感器在一空心導(dǎo)體半球體球形容器的球心處，通過(guò)一彈性連結(jié)點(diǎn)伸出一根有一定質(zhì)量的與半徑等長(zhǎng)的導(dǎo)體指針，即用彈性導(dǎo)電材料固定一導(dǎo)體指針，與半球容器壁接觸始終相連且可繞彈性連結(jié)點(diǎn)在球形空間內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，該導(dǎo)體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)相同半球結(jié)構(gòu)相同且對(duì)稱放置，兩半球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)可因垂直于半球地面方向的加速度而改變其阻值，從而測(cè)量在該方向的線加速度分量。電流可從一半球頂端流經(jīng)該半球?qū)w指針、彈性滑動(dòng)變阻器、另一半球?qū)w指針，并從另一半球頂端流出。球形容器外部結(jié)構(gòu)根據(jù)需要調(diào)節(jié)其形狀，使導(dǎo)體指針在不同位置時(shí)得到不同的電阻值。單個(gè)本實(shí)用新型為一組，可測(cè)量三維線加速度；兩個(gè)本實(shí)用新型構(gòu)成一組，首尾相連置于剛體上，各傳感器導(dǎo)體指針在同一位置時(shí)各個(gè)電阻阻值呈一定互補(bǔ)關(guān)系，根據(jù)互相間的間隔及二者導(dǎo)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(cè)量?jī)蓚€(gè)本實(shí)用新型恰好位于剛體運(yùn)動(dòng)圓周上的角加速度；四個(gè)本實(shí)用新型構(gòu)成一組，不都位于任何圓周上排列于剛體上且首尾相連形成一條通路，根據(jù)互相間的間隔及四者導(dǎo)體指針位置的不同得出的電壓大小不同可計(jì)算出六個(gè)加速度量。實(shí)際應(yīng)用中，使該傳感器附著在待測(cè)剛體上，并與其保持相對(duì)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(shí)，其導(dǎo)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(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，本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)I、由于本實(shí)用新型的采用，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、本實(shí)用新型結(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)描述本實(shí)用新型的實(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(不包括半球體空腔電阻外部形狀)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(jù)情況而定；2導(dǎo)體指針；3彈性連結(jié)點(diǎn)；4彈性滑動(dòng)變阻器；7導(dǎo)線，與外殼相連不與導(dǎo)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(shí)施方式
以下結(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處的彈性連結(jié)點(diǎn)3的位置，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，且導(dǎo)體指針2的另一端接接觸于上半球體空腔的電阻I的內(nèi)表面并可在此表面運(yùn)動(dòng)。兩個(gè)該半球容器底面相對(duì)放置，中間加入彈性滑動(dòng)變阻器4以連通兩半球體空腔電阻，彈性滑動(dòng)變阻器4可因其所在軸向的加速度而改變其伸長(zhǎng)，從而改變柱狀電阻5接入電路中的阻值。電流從導(dǎo)線7進(jìn)入，流經(jīng)下半球體空腔的電阻6、下半球指針、柱狀電阻5、導(dǎo)體指針2、上半球體空腔的電阻1，再?gòu)纳弦话肭驅(qū)Ь€流出。使用時(shí)，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(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)，由導(dǎo)體指針2相對(duì)于上半球體空腔的電阻I的內(nèi)表面及下半球體空腔電阻6的內(nèi)表面產(chǎn)生慣性運(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，其特征是在一空心不絕緣半球體球形容器球心處的彈性連結(jié)點(diǎn)(3)，用彈性導(dǎo)電材料固定一導(dǎo)體指針(2)，兩個(gè)該半球容器底面相對(duì)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(dǎo)體指針(2)、部分上半球體空腔的電阻(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)線與上半球體空腔的電阻(1)外部固定處相連，導(dǎo)體指針(2)與上半球體空腔的電阻(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，其特征是彈性連結(jié)點(diǎn)(3)始終位于球心處，且連接導(dǎo)體指針(2)的一端，使導(dǎo)體指針(2)另一端能在上半球體空腔的電阻(I)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，其特征是彈性滑動(dòng)變阻器(4)可因其所在軸向的加速度而改變其伸長(zhǎng)，從而改變柱狀電阻(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，其特征是上下半球體結(jié)構(gòu)相同且對(duì)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(chǎn)生加速度使導(dǎo)體指針及彈性滑動(dòng)變阻器因慣性發(fā)生相對(duì)傳感器內(nèi)壁的運(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。本實(shí)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(jié)點(diǎn)的位置，用固定位置的彈性導(dǎo)電材料連接一導(dǎo)體指針的一端，且導(dǎo)體指針的另一端接觸于上半球體空腔的電阻內(nèi)表面自由運(yùn)動(dòng)。兩個(gè)該半球容器底面相對(duì)放置，中間加入圓柱形彈性滑動(dòng)變阻器以連通兩半球。工作時(shí)，傳感器附著的剛體產(chǎn)生加速度時(shí)，由導(dǎo)體指針相對(duì)于上半球體空腔的電阻內(nèi)表面的慣性運(yùn)動(dòng)，以及彈性滑動(dòng)變阻器的運(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。本實(shí)用新型數(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)G01P15/12GK202815011SQ20122005727
公開日2013年3月20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)明者柴源, 柴世學(xué), 宋莉 申請(qǐng)人:柴源