基于磁流變彈性體的加速度傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種基于磁流變彈性體的加速度傳感器，所述不導(dǎo)磁的殼體與不導(dǎo)磁的基座構(gòu)成具有內(nèi)腔的封閉外殼，外殼的內(nèi)腔中固定不導(dǎo)磁的導(dǎo)向柱，所述導(dǎo)向柱從下往上依次套有磁流變彈性體、不導(dǎo)磁的質(zhì)量塊和彈簧，磁流變彈性體的上、下端面分別粘接固定有上電極片、下電極片，上電極片和下電極片通過導(dǎo)線與殼體側(cè)壁上設(shè)置的傳感器信號(hào)接口相連，上電極片與質(zhì)量塊粘接，質(zhì)量塊可沿導(dǎo)向柱軸向運(yùn)動(dòng)，所述彈簧下端與質(zhì)量塊接觸，上端與殼體的頂部接觸，所述下電極片與基座之間設(shè)有絕緣墊片所述基座內(nèi)設(shè)有用于設(shè)置永磁體的密封空腔，永磁體封裝在該密封空腔內(nèi)。本發(fā)明的加速度傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高，測(cè)量范圍廣，且不受溫度變化的影響。
【專利說(shuō)明】基于磁流變彈性體的加速度傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種傳感器，具體涉及一種基于磁流變彈性體的加速度傳感器，屬于磁流變材料及應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]加速度傳感器是一種能夠測(cè)量加速力的電子設(shè)備，屬于慣性式傳感器，其將加速度所產(chǎn)生的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)楸阌跍y(cè)量的電信號(hào)的測(cè)試儀器，是許多控制系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng)的主要測(cè)量工具。目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)控制、汽車、地震測(cè)量、軍事和空間系統(tǒng)、醫(yī)學(xué)及生物工程等領(lǐng)域中。加速度傳感器可以分為壓阻式加速度傳感器、壓電式加速度傳感器、電容式加速度傳感器和伺服式加速度傳感器。
[0003]現(xiàn)有壓阻加速度傳感器是在其內(nèi)腔的硅梁根部集成壓阻橋，壓阻橋的一端固定在傳感器基座上，另一端掛懸著質(zhì)量塊。當(dāng)傳感器裝在被測(cè)物體上隨之運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳感器具有與被測(cè)件相同的加速度，質(zhì)量塊按牛頓定律產(chǎn)生力作用于硅梁上，形成應(yīng)力，使電阻橋受應(yīng)力作用而引起其電阻值變化，把輸入與輸出導(dǎo)線引出傳感器，可得到相應(yīng)的電壓輸出值，該電壓輸出值表征了物體的加速度。但是該壓阻式加速度傳感器的制作工藝難度大，壓阻式加速度傳感器使用范圍一般要小于壓電型傳感器，壓阻式加速度傳感器的測(cè)量范圍有限，使用中容易達(dá)到其量程的極限值。其頻響范圍窄，存在沖擊極限和振動(dòng)極限小等問題，產(chǎn)品只能用于低精度的粗糙測(cè)量，從而降低了壓阻式加速度傳感器的靈敏度，而且壓阻式加速度傳感器的硅梁易受溫度的影響較大，需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種便于加工的基于磁流變彈性體的加速度傳感器，該加速度傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高，測(cè)量范圍廣，且不受溫度變化的影響。
[0005]本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
一種基于磁流變彈性體的加速度傳感器，包括不導(dǎo)磁的殼體，其特征在于:所述殼體與一不導(dǎo)磁的基座固定連接構(gòu)成具有內(nèi)腔的封閉外殼，所述外殼的內(nèi)腔中固定有一豎直的不導(dǎo)磁的導(dǎo)向柱，所述導(dǎo)向柱下端與基座固定連接，所述導(dǎo)向柱從下往上依次套有磁流變彈性體、不導(dǎo)磁的質(zhì)量塊和彈簧，所述磁流變彈性體的上、下端面分別粘接固定有上電極片、下電極片，所述上電極片和下電極片通過導(dǎo)線與殼體側(cè)壁上設(shè)置的傳感器信號(hào)接口相連，所述上電極片與質(zhì)量塊粘接，所述質(zhì)量塊與導(dǎo)向柱滑動(dòng)配合，使質(zhì)量塊可沿導(dǎo)向柱軸向運(yùn)動(dòng)，所述彈簧下端與質(zhì)量塊接觸，上端與殼體的頂部接觸，所述下電極片與基座之間設(shè)有絕緣墊片，該絕緣墊片的上端與下電極片粘接，下端與基座粘接，所述基座內(nèi)設(shè)有用于設(shè)置永磁體的密封空腔，一永磁體封裝在該密封空腔內(nèi)。
[0006]所述基座由基框，上蓋板和下底板構(gòu)成，上蓋板和下底板分別固定在基框的上下兩端，構(gòu)成基座的密封空腔，所述上蓋板上焊接固定導(dǎo)向柱。
[0007]所述永磁體采用N52的NdFeB磁體。
[0008]所述殼體、基座、導(dǎo)向柱和質(zhì)量塊采用不銹鋼或者硬質(zhì)合金材料。
[0009]所述磁流變彈性體、不導(dǎo)磁的質(zhì)量塊、彈簧、上電極片、下電極片和絕緣墊片不與外殼的內(nèi)腔接觸。
[0010]所述傳感器信號(hào)接口的輸出端與信號(hào)處理模塊的輸入端相連，可以將變化的阻值信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)值信號(hào)，便于直接讀取信息。
[0011]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工簡(jiǎn)便，易操作，降低了成本，通過殼體與基座連接構(gòu)成具有內(nèi)腔的封閉外殼，外殼的內(nèi)腔內(nèi)設(shè)置導(dǎo)向柱，導(dǎo)向柱上套有磁流變彈性體、質(zhì)量塊和彈簧，磁流變彈性體的兩端分別固定有上電極片、下電極片，所述上電極片和下電極片通過導(dǎo)線與外殼側(cè)面設(shè)置的傳感器信號(hào)接口相連；所述上電極片與質(zhì)量塊粘接，導(dǎo)向立柱與質(zhì)量塊滑動(dòng)配合，導(dǎo)向立柱為質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)提供導(dǎo)向，使質(zhì)量塊沿導(dǎo)向支柱軸向運(yùn)動(dòng)，彈簧位于殼體頂部和質(zhì)量塊之間，彈簧起緩沖質(zhì)量塊、保證質(zhì)量塊回位的作用。所述下電極片與基座之間粘接固定有絕緣墊片，使磁流變彈性體固定在基座上，且絕緣墊片避免了下電極片與基座直接接觸，起到了絕緣的作用?；鶅?nèi)設(shè)有空腔，一永磁體封裝在該空腔內(nèi)，所述永磁體不僅能夠?yàn)榇帕髯儚椥泽w提供工作磁場(chǎng)，還可以通過永磁體將本發(fā)明的加速傳感器吸附于被測(cè)裝置的測(cè)量位置。當(dāng)被測(cè)裝置加速運(yùn)動(dòng)，質(zhì)量塊將會(huì)給磁流變彈性體施加一定的壓力，磁流變彈性體在受到壓力作用下，磁流變彈性體整體的阻值信號(hào)發(fā)生變化，磁流變彈性體的阻值信號(hào)通過上電極片和下電極片上連接的導(dǎo)線傳遞到傳感器信號(hào)接口，變化的阻值信號(hào)即可用于表征被測(cè)裝置的加速度信號(hào)。由于磁流變彈性體受壓后其電阻值的變化比較明顯，因此本發(fā)明的加速傳感器測(cè)量精度高，且不易受溫度變化的影響，有效地拓寬加速度傳感器的應(yīng)用范圍。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0013]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地說(shuō)明。
[0014]具體實(shí)施例1:
參見圖1所示的基于磁流變彈性體的加速度傳感器，包括不導(dǎo)磁的殼體1，不導(dǎo)磁的基座2、不導(dǎo)磁的導(dǎo)向柱4、磁流變彈性體5、不導(dǎo)磁的質(zhì)量塊6、彈簧7、上電極片8、下電極片9、絕緣墊片10、傳感器信號(hào)接口 11和永磁體12，所述殼體1、基座2、導(dǎo)向柱4和質(zhì)量塊6采用不銹鋼或者硬質(zhì)合金材料。所述殼體I與基座2固定連接構(gòu)成具有內(nèi)腔3-1的封閉外殼3，所述殼體I的頂部設(shè)有導(dǎo)向柱定位槽，殼體I的側(cè)壁設(shè)有兩個(gè)導(dǎo)線孔，所述傳感器信號(hào)接口 11安裝在與體殼I的兩個(gè)導(dǎo)線孔對(duì)應(yīng)的位置；所述基座2由基框2-1，上蓋板2-2和下底板2-3構(gòu)成，上蓋板2-2和下底板2-3分別固定在基框2-1的上下兩端，構(gòu)成基座2用于安放永磁體的密封空腔，永磁體12表面通過強(qiáng)力膠封裝在基座2的密封空腔內(nèi)，所述永磁體12采用N52的NdFeB磁體，該永磁體的磁性較強(qiáng)，為最佳材料，為磁流變彈性體5提供了工作磁場(chǎng)，還將本發(fā)明的傳感器吸附于被測(cè)裝置的測(cè)量位置，被測(cè)裝置往往是導(dǎo)磁材料制成，利用永磁體的吸引力可以直接將加速度傳感器吸附并固定在被測(cè)裝置處。殼體I焊接固定在基座2的上蓋板2-2上。
[0015]所述外殼3的內(nèi)腔3-1中固定有一豎直的導(dǎo)向柱4,所述導(dǎo)向柱4 一端焊接固定在基座2的上蓋板2-2上，導(dǎo)向柱4另一端卡接在殼體I的導(dǎo)向柱定位槽內(nèi)；所述導(dǎo)向柱4從下往上依次套有絕緣墊片10、下電極片9、磁流變彈性體5、上電極片8、質(zhì)量塊6和彈簧7，所述絕緣墊片10采用硬質(zhì)塑料材料加工而成的絕緣墊圈，該硬質(zhì)塑料為最佳材料，所述絕緣墊片10粘貼固定在基座2的上蓋板2-2上，所述下電極片9與基座2上固定的絕緣墊片10粘接固定；所述磁流變彈性體5由橡膠基體、羰基鐵粉、石墨顆粒組成，各組分的質(zhì)量份為:橡I父基體為19%，擬基鐵粉80%,石墨顆粒占1%，所述石墨顆粒為球形，粒徑為10?30um，所述磁流變彈性體5在磁場(chǎng)為1.5T環(huán)境下制備的磁流變彈性體。磁流變彈性體5的上表面與上電極片8粘接，磁流變彈性體5的下表面與下電極片9粘接，磁流變彈性體5通過下電極片9粘接固定在基座2上；所述上電極片8、下電極片9中，其中一塊為正極，另一塊為負(fù)極，所述上電極片8和下電極片9通過導(dǎo)線與殼體I側(cè)壁上設(shè)置的傳感器信號(hào)接口11相連，所述傳感器信號(hào)接口 11采用m5型號(hào)的連接器；所述上電極片8與質(zhì)量塊6的上表面粘接固定，質(zhì)量塊6與導(dǎo)向柱4滑動(dòng)配合，使質(zhì)量塊6沿導(dǎo)向柱4軸向運(yùn)動(dòng)；所述彈簧7下端抵在質(zhì)量塊6上，上端抵在殼體I的頂部，規(guī)范質(zhì)量塊6運(yùn)動(dòng)的作用；將絕緣墊片10、下電極片9、磁流變彈性體5、上電極片8、質(zhì)量塊6和彈簧7封裝于封閉外殼3內(nèi)，所述磁流變彈性體5、不導(dǎo)磁的質(zhì)量塊6、彈簧7、上電極片8、下電極片9和絕緣墊片10不與外殼3的內(nèi)腔3-1接觸。
[0016]所述傳感器信號(hào)接口 11的輸出端與信號(hào)處理模塊的輸入端相連，信號(hào)處理模塊與顯示模塊相連，通過信號(hào)處理模塊將磁流變彈性體的電阻值變化轉(zhuǎn)換為數(shù)值信號(hào)，通過顯示模塊顯示的數(shù)值信號(hào)即被測(cè)裝置的加速度變化。所述傳感器信號(hào)接口 11的輸出端還可以與可編程的虛擬儀器或嵌入式系統(tǒng)或單片機(jī)對(duì)上述電壓信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算，從而得到加速度的大小。
[0017]本發(fā)明的工作原理:
磁流變彈性體5是由微米級(jí)別的軟磁性材料均勻分散在高分子聚合物如硅橡膠中，在磁場(chǎng)作用下形成特定結(jié)構(gòu)后固化制備而成。與磁流變液相比，磁流變彈性體5不但具有磁流變液所具備的諸多性能可控、可逆以及響應(yīng)迅速、可通過調(diào)節(jié)外磁場(chǎng)的強(qiáng)弱來(lái)控制材料的力學(xué)性能的連續(xù)變化等特點(diǎn)，還具有穩(wěn)定性好、制備成本低等獨(dú)特特點(diǎn)。磁流變彈性體5作為一種新型的智能材料，具有在一定條件下性能可控的特點(diǎn)，磁流變彈性體5的電阻呈現(xiàn)明顯的壓力依賴性，在受軸向壓力作用下，磁流變彈性體5電阻呈數(shù)量級(jí)遞減，體現(xiàn)出明顯的壓阻特性行為，因此磁流變彈性體5具有靈敏度高和制備簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，而且摻雜有石墨顆粒的磁流變彈性體5其導(dǎo)電性更高，在壓力的作用下，磁流變彈性體5電阻值的變化更加明顯；當(dāng)隨著壓力的連續(xù)作用，阻值同樣呈現(xiàn)了連續(xù)的變化趨勢(shì)，隨著壓力的撤消阻值也迅速恢復(fù)至沒有施加壓力的狀態(tài)，說(shuō)明磁流變彈性體5具有良好的可逆性。基于磁流變彈性體5壓阻特性的靈敏性以及一定范圍內(nèi)的良好線性關(guān)系，發(fā)明了本發(fā)明所述的壓力傳感器。
[0018]本發(fā)明的加速度傳感器通過永磁體吸附于被測(cè)裝置上，且為磁流變彈性體5提供工作磁場(chǎng)，在磁場(chǎng)作用下，可以提高磁流變彈性體的對(duì)外界應(yīng)變的敏感性，從而提高加速度傳感器的敏感性。當(dāng)被測(cè)裝置處于振動(dòng)狀態(tài)時(shí)，振動(dòng)信號(hào)傳遞給本發(fā)明的加速度傳感器，質(zhì)量塊在振動(dòng)信號(hào)的激勵(lì)下，將產(chǎn)生同步振動(dòng)，通過基座2上的導(dǎo)向柱4限制了質(zhì)量塊6只沿軸線運(yùn)動(dòng)，質(zhì)量塊與彈簧的共同作用將垂直方向的振動(dòng)轉(zhuǎn)化為施加于磁流變彈性體上的壓力，磁流變彈性體5在受到壓力作用下，磁流變彈性體5內(nèi)部的羰基鐵粉、石墨顆粒之間的間距發(fā)生變化，表現(xiàn)為磁流變彈性體整體的阻值信號(hào)的變化，磁流變彈性體的阻值信號(hào)通過電極片和下電極片傳遞到傳感器信號(hào)接口，變化的阻值信號(hào)即可用于表征被測(cè)裝置的加速度信號(hào)。
[0019]具體實(shí)施例2:
本實(shí)施例的特點(diǎn)是:所述磁流變彈性體5由重量份為15%的橡膠基體為，重量份為68%的羰基鐵粉，重量份為2%的石墨顆粒占組成，其他特點(diǎn)與具體實(shí)施例1相同。
[0020]具體實(shí)施例3:
本實(shí)施例的特點(diǎn)是:所述磁流變彈性體5由重量份為30%的橡膠基體，重量份為84%的羰基鐵粉，重量份為1%的石墨顆粒組成，其他特點(diǎn)與具體實(shí)施例1相同。
[0021]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍，這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍也包含這些改動(dòng)和變型。
【權(quán)利要求】
1.一種基于磁流變彈性體的加速度傳感器，包括不導(dǎo)磁的殼體(I)，其特征在于:所述殼體(I)與一不導(dǎo)磁的基座(2)固定連接構(gòu)成具有內(nèi)腔(3-1)的封閉外殼(3),所述外殼(3)的內(nèi)腔(3-1)中固定有一豎直的不導(dǎo)磁的導(dǎo)向柱(4),所述導(dǎo)向柱(4)下端與基座(2)固定連接，所述導(dǎo)向柱(4)從下往上依次套有磁流變彈性體(5)、不導(dǎo)磁的質(zhì)量塊(6)和彈簧(7)，所述磁流變彈性體(5)的上、下端面分別粘接固定有上電極片(8)、下電極片(9)，所述上電極片(8)和下電極片(9)通過導(dǎo)線與殼體(I)側(cè)壁上設(shè)置的傳感器信號(hào)接口(11)相連，所述上電極片(8)與質(zhì)量塊(6)粘接，所述質(zhì)量塊(6)與導(dǎo)向柱(4)滑動(dòng)配合，使質(zhì)量塊(6)可沿導(dǎo)向柱(4)軸向運(yùn)動(dòng)，所述彈簧(7)下端與質(zhì)量塊(6)接觸，上端與殼體(I)的頂部接觸，所述下電極片(9 )與基座(2 )之間設(shè)有絕緣墊片(10 )，該絕緣墊片(10 )的上端與下電極片(9 )粘接，下端與基座(2 )粘接，所述基座(2 )內(nèi)設(shè)有用于設(shè)置永磁體的密封空腔，一永磁體(12 )封裝在該密封空腔內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁流變彈性體的加速度傳感器，其特征在于:所述基座(2)由基框(2_1),上蓋板(2_2)和下底板(2_3)構(gòu)成,上蓋板(2_2)和下底板(2_3)分別固定在基框(2-1)的上下兩端，構(gòu)成基座(2 )的密封空腔，所述上蓋板(2-2 )上焊接固定導(dǎo)向柱⑷。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁流變彈性體的加速度傳感器，其特征在于:所述永磁體(12)采用N52的NdFeB磁體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁流變彈性體的加速度傳感器，其特征在于:所述殼體(I )、基座(2)、導(dǎo)向柱(4 )和質(zhì)量塊(6 )采用不銹鋼或者硬質(zhì)合金材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁流變彈性體的加速度傳感器，其特征在于:所述磁流變彈性體(5)、不導(dǎo)磁的質(zhì)量塊(6)、彈簧(7)、上電極片(8)、下電極片(9)和絕緣墊片(10)不與外殼(3)的內(nèi)腔(3-1)接觸。
【文檔編號(hào)】G01P15/12GK104049108SQ201410309287
【公開日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年7月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月1日
【發(fā)明者】居本祥, 張登友, 楊百煉 申請(qǐng)人:重慶材料研究院有限公司