基于科里奧利力效應的平動速度或加速度傳感裝置及結構的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種基于科里奧利力效應的平動速度或加速度傳感裝置及結構，包括殼體以及設置于殼體內部的驅動結構、敏感磁結構體、連接結構、磁屏蔽結構以及傳感機構，其中：驅動結構與電磁線圈相互作用，從而帶動敏感磁結構體轉動；當傳感裝置有滿足科里奧利力產生條件的平動速度時，敏感磁結構體將產生偏擺；傳感機構將該偏擺位移轉換為輸出電信號。本實用新型創(chuàng)新性的將功能敏感材料以及科里奧利效應用于平動速度及加速度檢測，實現了一種新型的平動檢測機理和方法，并能夠用于實現無檢測行程限制的往復平動檢測手段。
【專利說明】
基于科里奧利力效應的平動速度或加速度傳感裝置及結構
技術領域
[0001] 本實用新型涉及檢測傳感器技術領域，具體地，涉及一種基于科里奧利力效應的 平動速度或加速度傳感裝置及其組合結構。
【背景技術】
[0002] 根據牛頓力學的理論，以旋轉體系為參照系，質點的直線運動偏離原有方向的傾 向被歸結為一個外加力的作用，該力即為科里奧利力，并定義為：/^ = X?)，式中為 科里奧利力;m為質點質量；？為質點運動速度；泣為旋轉體系角速度。
[0003] 現有的基于科里奧利力的檢測傳感器，例如公開號為103913158A，【公開日】為2014 年07月09日，實用新型名稱為《磁電式科里奧利力檢測傳感器》的中國專利申請，提供了一 種磁電式科里奧利力檢測傳感器，該科里奧利力檢測傳感器，將質量塊設置于殼體內部，基 于科里奧利力效應，實現平轉動體低速或高速的寬頻轉速的檢測。
[0004] 但是這些專利申請?zhí)岢龅臋z測傳感器，均是針對轉動檢測，沒有檢測平動的，本實 用新型創(chuàng)新的將功能敏感材料以及科里奧利效應用于平動檢測。 【實用新型內容】
[0005] 本實用新型針對現有技術中存在的上述不足，提供了一種基于科里奧利力效應的 平動速度或加速度傳感裝置及其組合結構。
[0006] 根據本實用新型提供的一種基于科里奧利力效應的平動速度或加速度傳感裝置， 包括殼體以及設置于殼體內部的驅動結構、敏感磁結構體、連接結構、磁屏蔽結構以及傳感 機構；
[0007] 驅動結構通過連接結構對敏感磁結構體進行驅動；
[0008] 磁屏蔽結構在驅動結構與敏感磁結構體之間進行磁屏蔽；
[0009] 所述殼體作為平動體系；
[0010] 所述驅動結構產生相對殼體的旋轉運動，所述驅動結構的角速度為ω;
[0011] 通過連接結構，敏感磁結構體同步于驅動結構轉動；
[0012] 所述傳感機構連接殼體。所述傳感機構用于采集敏感磁結構體在科氏力作用下發(fā) 生偏擺所引發(fā)的磁電轉化信號。。
[0013] 優(yōu)選地，所述敏感磁結構體采用如下任一種結構：
[0014] -設置于剛性體內部且與剛性體連為一體的磁結構體；
[0015] -單體結構的磁結構體，采用永磁體或電磁體。
[0016] 優(yōu)選地，以所述殼體的速度ν或者加速度a，以及基于時間參量的運動位移作為要 檢測的量。
[0017] 優(yōu)選地，所述敏感磁結構體采用永磁體，永磁體的磁極方向根據檢測需求進行配 置。
[0018] 優(yōu)選地，所述驅動結構產生旋轉或往復擺轉動；
[0019] 所述驅動結構采用如下任一種結構：
[0020] -所述驅動結構采用永磁體，通過電磁線圈組驅動永磁體或電磁體；
[0021 ]-所述驅動結構采用電磁體，通過永磁體組驅動電磁體或永磁體；
[0022] -所述驅動結構采用電機以輸出轉動；
[0023] -所述驅動結構采用平轉動機構及相匹配的傳動齒輪、傳動齒條或者傳動皮帶輪， 形成往復擺轉動；
[0024] 所述驅動結構所需的電源采用電池，實現長行程的無電纜平動測量。
[0025] 優(yōu)選地，所述連接結構為驅動結構與敏感磁結構體的運動傳遞部件，且連接結構 要有一定的柔度，所述一定的柔度是指在科氏力作用下能產生偏擺彈性變形。
[0026] 優(yōu)選地，所述磁屏蔽結構屏蔽驅動部分的磁場，以提高檢測精度。
[0027] 優(yōu)選地，磁屏蔽結構將殼體內部空間分隔為第一容納腔和第二容納腔，所述驅動 結構位于第一容納腔內，所述敏感磁結構體位于第二容納腔內；
[0028] 敏感磁結構體所處的第二容納腔的側壁內設有第三容納腔，所述傳感機構設置于 所述第三容納腔內；
[0029] 所述傳感機構采用如下任一種結構：
[0030] -傳感機構包括相互接觸的磁致應變體和力電材料，所述力電材料位于磁致應變 體的上端和/或下端；
[0031] -傳感機構包括相互接觸的方向異型永磁結構體和力電材料，所述方向異型永磁 結構體采用一個方向異型永磁單體或多個相互接觸的方向異型永磁單體;所述力電材料位 于方向異型永磁結構體的上端和/或下端；
[0032]-傳感機構包括磁致應變體和力電材料，所述力電材料為薄膜或片體結構，并設置 于磁致應變體的兩側面上，形成夾心結構；
[0033]-傳感機構包括磁致應變體和力電材料；
[0034]所述磁致應變體包括:磁致伸縮材料、磁粒子擺動體、磁力移動體或巨磁阻材料；
[0035 ]所述力電材料包括:壓電材料、壓阻材料、壓磁材料、碳納米管或石墨稀材料。
[0036]所述力電材料可以為由碳納米管、石墨烯材料中的任一者或兩者的組合彈性結構 材料組成的薄膜或片體或塊體結構，并設置于磁致應變體的側面或端部，形成磁致應變體 變形時致使碳納米管或石墨烯材料對應產生應變；
[0037]-傳感機構采用巨磁阻材料體；
[0038]根據本實用新型提供的一種新型磁致應變體和力電材料傳感器裝置，包括力電材 料部件和磁致應變體；
[0039]所述力電材料部件采用的力電材料為由碳納米管、石墨烯材料中的任一者或兩者 的組合彈性結構材料組成的薄膜或片體或塊體結構，并設置于磁致應變體的側面或端部， 形成相對周邊磁場或電磁場變化下的磁致應變體變形時致使碳納米管或石墨烯材料產生 應變而實現的伸縮應變、磁場強度、電流強度或者電壓強度的檢測傳感裝置或系統(tǒng)。
[0040]由于碳納米管、石墨烯材料中的任一者或兩者的組合彈性結構材料組成的薄膜或 片體或塊體結構具有極高的電阻應變比，即微小應變可產生極大的電阻變化，進而使由碳 納米管、石墨烯材料中的任一者或兩者的組合彈性結構材料組成的薄膜或片體或塊體結構 體組成的電路具有極敏感的電參數(電壓或電流的變化），從而對應實現極微小應變的超精 密應變傳感器件。因此，所述力電材料為由碳納米管、石墨烯材料中的任一者或兩者的組合 彈性結構材料組成的薄膜或片體或塊體結構，可設置于磁致應變體的外側面、或內部、或端 部，形成相對磁致應變體周邊磁場或電磁場變化下的導致磁致應變體變形時對應設置的碳 納米管或石墨烯類力電材料產生應變，致使檢測出電信號變化?；诖?，而實現的伸縮應變 或磁場強度或電流/電壓強度檢測傳感裝置或系統(tǒng)。
[0041] 根據本實用新型提供的一種基于科里奧利力效應的平動速度或加速度傳感裝置 的組合結構，包括多個上述的基于科里奧利力效應的平動速度或加速度傳感裝置，多個所 述基于科里奧利力效應的平動速度或加速度傳感裝置呈陣列結構組合連接。
[0042] 本實用新型還提供了一種基于科里奧利力效應的傳感裝置的組合結構，包括多個 上述的基于科里奧利力效應的平動速度或加速度傳感裝置呈陣列結構組合連接以及基于 科里奧利力效應的平動速度或加速度傳感裝置同現有公開的專利轉動傳感裝置(例如公開 號103913158A)的組合使用。
[0043]本實用新型的工作原理為:驅動結構帶動敏感磁結構體旋轉或者往復擺轉動，即 有相對于殼體的相對角速度ω ;當殼體的平動速度(加速度)正交于該轉動時，敏感磁結構 體將受到科氏力的作用，進而產生正交于平動方向和轉動方向的偏擺運動，由磁致應變和 力電材料體組合而成的傳感機構將感應該偏擺運動產生電信號。以此來實現基于科里奧利 力效應實現平動體(殼體）的速度(加速度）的檢測。由于€ = _-2/r細xv;)，當質點（敏感磁結 構體)的質量m-定時，科里奧利力的值取決于平動體系(殼體)的速度v和質點的角速度S， 所以，當？較小(平動速度慢)或F較大(平動速度快)時，通過對應增加或減小質點轉動速度 i，即能夠取得卞和運之間優(yōu)化對應的頻譜關系，獲得穩(wěn)定的科里奧利力，使敏感磁結構體 體相對傳感機構空間位置發(fā)生變化，引起磁電信號的轉換，進而對應得到慢速或快速平動 的檢測。
[0044] 與現有技術相比，本實用新型解決了結構合理的技術問題，優(yōu)選的技術方案具有 如下有益效果：
[0045] 1、本實用新型基于科里奧利力效應，提供了不同的驅動模式，適用于不同信號特 征檢測需求；
[0046] 2、本實用新型使用的敏感功能材料，相較于傳統(tǒng)的傳感機構(如電容)具有更高的 抗干擾能力，可以在惡劣的環(huán)境中使用；
[0047] 3、本實用新型實現了一種新型的平動檢測機理和方法，并可以用于實現無檢測行 程限制的往復平動檢測手段。
[0048] 4、本實用新型實現了一種新型的平動檢測機理和方法，可以進行剛性物體平動檢 測亦可進行流體平動檢測。
【附圖說明】
[0049] 通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本實用新型的其它特 征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯：
[0050] 圖1為本實用新型的原理不意圖；
[00511圖2為實施實例的結構示意圖；
[0052]圖中：
[0053] 1為驅動結構，2為連接結構，3為殼體，4為傳感機構，5為敏感磁結構體，6為磁結構 體，7為電磁線圈，8為磁屏蔽結構，9為力電材料，10為磁致應變體；
[0054] v/a為待檢測的平動速度/加速度，F。為科里奧利力，vc為敏感磁結構體在科里奧 利力作用下的偏擺速度，U為敏感功能材料輸出的檢測電信號，ω為驅動結構在電磁線圈作 用下的轉動或擺轉動速度。
【具體實施方式】
[0055] 下面結合具體實施例對本實用新型進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的 技術人員進一步理解本實用新型，但不以任何形式限制本實用新型。應當指出的是，對本領 域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型構思的前提下，還可以做出若干變化和改進。 這些都屬于本實用新型的保護范圍。
[0056] 本實施實例提供了一種基于科里奧利力效應的平動速度或加速度傳感裝置，包括 殼體以及設置于殼體內部的驅動結構、電磁線圈、敏感磁結構體、連接結構、磁屏蔽結構和 傳感機構，所述殼體作為平動體系，其速度為V，即要檢測的量，在變化例中，檢測的量可以 是加速度a;所述驅動結構同電磁線圈組相互作用從而產生相對殼體的旋轉或擺轉動運動， 其角速度為ω ;通過連接結構，敏感磁結構體同步于驅動結構轉動;所述傳感機構用于采集 敏感磁結構體在科氏力作用下發(fā)生偏擺所引發(fā)的磁電轉化信號。其中：
[0057]所述磁結構體均采用永磁體體；
[0058] 進一步地，所述驅動結構在工作狀態(tài)下在電磁線圈組作用下往返擺動。
[0059] 進一步地，敏感磁結構體采用永磁體時，其磁極方向可以根據檢測需求進行配置：
[0060] -磁極方向同磁體偏擺方向相同；
[0061 ]-磁極方向同磁體偏擺方向垂直、同磁體旋轉方向相同；
[0062] -磁極方向同磁體偏擺方向垂直、同待檢測平動方向相同；
[0063] 進一步地，所述連接結構為驅動結構與敏感磁結構體的運動傳遞部件，且連接結 構要有一定的柔度，從而在科氏力作用下產生偏擺。
[0064] 進一步地，所述磁屏蔽結構可以屏蔽驅動部分的磁場，以提高檢測精度。
[0065] 進一步地，磁屏蔽結構將殼體內部空間分隔為第一容納腔和第二容納腔，所述驅 動結構位于第一容納腔內，所述敏感磁結構體位于第二容納腔內；敏感磁結構體所處的第 二容納腔的側壁內設有第三容納腔，敏感磁結構體處的殼體側壁內設有容納腔，所述傳感 機構設置于所述第三容納腔內；
[0066]所述傳感機構采用如下結構：
[0067]-傳感機構包括相互接觸的磁致應變體(如磁致伸縮材料、磁粒子擺動體、磁力移 動體或巨磁阻材料)和力電材料(如壓電材料、壓阻材料、壓磁材料），所述力電材料位于磁 致應變體的上端和/或下端。
[0068] 壓磁材料是指:磁通過感應線圈產生電信號的材料。
[0069] 進一步地，敏感磁結構體處殼體的兩側側壁內均設有傳感機構；當其中一組傳感 機構中的力電材料設置于磁致應變體的下端時，另外一組傳感機構中的力電材料可以設置 于磁致應變體的下端，也可以設置于磁致應變體的上端，當另外一組傳感機構中的力電材 料設置于磁致應變體的上端時，使傳感機構所受感應信號更加均勻，能夠更有效的感應磁 場變化。
[0070] 進一步地，敏感磁結構體的旋轉或者往復偏擺本身就會使得傳感機構產生電信 號，但其頻率特征不同于檢測平動所產生的電信號，通過頻率辨識可以提取出有效的檢測 信號。另一種方法是采用磁極方向同旋轉方向一致的永磁體作為敏感磁結構體，這樣磁體 的旋轉并不會產生交變的電信號。
[0071] 進一步地，本實用新型實現了一種新型磁致應變體和力電材料傳感器裝置，包括 力電材料部件和磁致應變體;所述力電材料部件采用的力電材料為由碳納米管、石墨烯材 料中的任一者或兩者的組合彈性結構材料組成的薄膜或片體或塊體結構，并設置于磁致應 變體的側面或端部，形成相對周邊磁場或電磁場變化下的磁致應變體變形時致使碳納米管 或石墨烯材料產生應變而實現的伸縮應變、磁場強度、電流強度或者電壓強度的檢測傳感 裝置或系統(tǒng)。
[0072] 由于碳納米管、石墨烯材料中的任一者或兩者的組合彈性結構材料組成的薄膜或 片體或塊體結構具有極高的電阻應變比，即微小應變可產生極大的電阻變化，進而使由碳 納米管、石墨烯材料中的任一者或兩者的組合彈性結構材料組成的薄膜或片體或塊體結構 體組成的電路具有極敏感的電參數(電壓或電流的變化），從而對應實現極微小應變的超精 密應變傳感器件。因此，所述力電材料為由碳納米管、石墨烯材料中的任一者或兩者的組合 彈性結構材料組成的薄膜或片體或塊體結構，可設置于磁致應變體的外側面、或內部、或端 部，形成相對磁致應變體周邊磁場或電磁場變化下的導致磁致應變體變形時對應設置的碳 納米管或石墨烯類力電材料產生應變，致使檢測出電信號變化?；诖?，而實現的伸縮應變 或磁場強度或電流/電壓強度檢測傳感裝置或系統(tǒng)。
[0073] 進一步地，所述傳感機構采集的磁電轉化信號，通過如下任一種方式傳輸：
[0074]-電纜接觸式；
[0075]-永磁非接觸式；
[0076]-無線射頻信號傳輸式。
[0077] 本實施提供的基于科里奧利力效應的平動速度或加速度傳感裝置可以進行陣列 組合，以實現多個自由度的檢測。
[0078] 以上對本實用新型的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本實用新型并不局 限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內做出各種變化或修改， 這并不影響本實用新型的實質內容。在不沖突的情況下，本申請的實施例和實施例中的特 征可以任意相互組合。
【主權項】
1. 一種基于科里奧利力效應的平動速度或加速度傳感裝置，其特征在于，包括殼體以 及設置于殼體內部的驅動結構、敏感磁結構體、連接結構、磁屏蔽結構以及傳感機構； 驅動結構通過連接結構對敏感磁結構體進行驅動； 磁屏蔽結構在驅動結構與敏感磁結構體之間進行磁屏蔽； 所述殼體作為平動體系； 所述驅動結構能夠產生相對殼體的旋轉運動； 通過連接結構，敏感磁結構體同步于驅動結構轉動； 所述傳感機構連接殼體。2. 根據權利要求1所述的基于科里奧利力效應的平動速度或加速度傳感裝置，其特征 在于，所述敏感磁結構體采用如下任一種結構： -設置于剛性體內部且與剛性體連為一體的磁結構體； -單體結構的磁結構體，采用永磁體或電磁體。3. 根據權利要求2所述的基于科里奧利力效應的平動速度或加速度傳感裝置，其特征 在于，所述敏感磁結構體采用永磁體。4. 根據權利要求1所述的基于科里奧利力效應的平動速度或加速度傳感裝置，其特征 在于，所述驅動結構產生旋轉或往復擺轉動； 所述驅動結構采用如下任一種結構： -所述驅動結構采用永磁體，通過電磁線圈組驅動永磁體或電磁體； -所述驅動結構采用電磁體，通過永磁體組驅動電磁體或永磁體； -所述驅動結構采用電機以輸出轉動； -所述驅動結構采用平轉動機構及相匹配的傳動齒輪、傳動齒條或者傳動皮帶輪，形成 往復擺轉動； 所述驅動結構所需的電源采用電池。5. 根據權利要求1所述的基于科里奧利力效應的平動速度或加速度傳感裝置，其特征 在于，所述連接結構為驅動結構與敏感磁結構體的運動傳遞部件，且連接結構要有一定的 柔度，所述一定的柔度是指在科氏力作用下能產生偏擺彈性變形。6. 根據權利要求1所述的基于科里奧利力效應的平動速度或加速度傳感裝置，其特征 在于，所述磁屏蔽結構屏蔽驅動部分的磁場。7. 根據權利要求1所述的基于科里奧利力效應的平動速度或加速度傳感裝置，其特征 在于，磁屏蔽結構將殼體內部空間分隔為第一容納腔和第二容納腔，所述驅動結構位于第 一容納腔內，所述敏感磁結構體位于第二容納腔內； 敏感磁結構體所處的第二容納腔的側壁內設有第三容納腔，所述傳感機構設置于所述 第三容納腔內； 所述傳感機構采用如下任一種結構： -傳感機構包括相互接觸的磁致應變體和力電材料，所述力電材料位于磁致應變體的 上端和/或下端； -傳感機構包括相互接觸的方向異型永磁結構體和力電材料，所述方向異型永磁結構 體采用一個方向異型永磁單體或多個相互接觸的方向異型永磁單體;所述力電材料位于方 向異型永磁結構體的上端和/或下端； -傳感機構包括磁致應變體和力電材料，所述力電材料為薄膜或片體結構，并設置于磁 致應變體的兩側面上，形成夾心結構； -傳感機構包括磁致應變體和力電材料； 所述磁致應變體包括:磁致伸縮材料、磁粒子擺動體、磁力移動體或巨磁阻材料； 所述力電材料包括:壓電材料、壓阻材料、壓磁材料、碳納米管或石墨稀材料。8. 根據權利要求7所述的基于科里奧利力效應的平動速度或加速度傳感裝置，其特征 在于，所述力電材料為由碳納米管、石墨烯材料中的任一者的薄膜或片體或塊體結構，并設 置于磁致應變體的側面或端部，形成磁致應變體變形時致使碳納米管或石墨烯材料對應產 生應變； -傳感機構采用巨磁阻材料體。9. 一種基于科里奧利力效應的平動速度或加速度傳感裝置的結構，其特征在于，包括 多個權利要求1至8中任一項所述的基于科里奧利力效應的平動速度或加速度傳感裝置，多 個所述基于科里奧利力效應的平動速度或加速度傳感裝置呈陣列結構組合連接。
【文檔編號】G01C19/56GK205642391SQ201620055672
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年1月20日
【發(fā)明人】楊斌堂, 楊詣坤
【申請人】上海交通大學