CN102435775B - 应变式三维加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应变式三维加速度传感器，属于三维传感器领域。该传感器包括弹性体、固定胶、质量块和8个应变片，其中弹性体的轴向截面呈“┻”形，该弹性体的下端为轮辐结构，下端为圆柱体结构且其上端面由固定胶固定连接质量块；在轮辐的同一条线辐条上对称设置有四个应变片：第一应变片和第三应变片设置于辐条的上表面，第二应变片和第四应变片设置于辐条的下表面，且弹性体的圆柱体上周向均匀设置有四个应变片：第五应变片、第六应变片、第七应变片和第八应变片。通过本发明，可以同时实现物体三维振动状态检测。

Description

应变式三维加速度传感器

技术领域

本发明涉及一种应变式传感器，尤其是一种应变式三维加速度传感器。

背景技术

目前的三维加速度传感器，根据三维信息是通过单惯性质量块还是多惯性质量块获取分为两种结构形式：合成式和一体化式。前者是通过将多个单向加速度传感器采用正交的方式合成在一起，一般每个方向加速度信息分别对应一个质量块；后者则是通过单惯性质量块完成对三个方向加速度的测量。三维加速度传感器在开始的一段时间主要是将多个单维加速度传感器集成在一起实现对三维信息的获取，由于三个质量块的存在，质心的不一致带来测量方面的误差，且由于多个单轴向传感器合成在一起，是的整个传感器的体积相对较大。因此目前三维加速度传感器向着一体化方向发展。

目前，对于一体化结构的三维加速度传感器的研究历史不长。而近年来，随着半导体微加工技术的发展，基于不同工作原理的三维加速度传感器纷纷推出，主要以压电式、压阻式、电容式为主。在结构设计上，有悬臂梁型、双梁型、四梁型、岛型等。在应变片的应用方面，日本提出了应变式全剪切三维加速度传感器，但是此种传感器加工精度要求比较高，制造工艺成本较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种成本较低的应变式三维加速度传感器，其可以同时实现物体三维振动状态检测。

为了实现上述目的，本发明提供了一种应变式三维加速度传感器，其特征在于：包括弹性体、固定胶、质量块和8个应变片，其中所述弹性体的轴向截面呈“┻”形，该弹性体的下端为轮辐结构，上端为圆柱体结构且其上端面由所述固定胶固定连接所述质量块； 

在所述轮辐同一条线的辐条上对称设置有四个应变片：第一应变片和第三应变片设置于所述辐条的上表面，第二应变片和第四应变片设置于所述辐条的下表面，由该四个应变片的电阻变化来反映Z轴方向的加速度变化；在所述弹性体的圆柱体上周向均匀设置有四个应变片：第五应变片、第六应变片、第七应变片和第八应变片，其中由所述第五应变片、第六应变片的电阻变化来反映X轴方向的加速度变化，由所述第七应变片、第八应变片的电阻变化来反映Y轴方向的加速度变化。

所述第一应变片、第二应变片、第三应变片和第四应变片构成全桥测量电路，第一稳压器连接所述第一应变片与第四应变片的连接节点，向所述全桥测量电路提供稳压电源，第一滑动电阻器连接所述第二应变片与第三应变片的连接节点，用于平衡初始调零，且由所述第一应变片与第二应变片的连接节点，所述第三应变片与第四应变片的连接节点输出Z轴方向加速度的电信号；

所述第五应变片、第六应变片与第一定值电阻、第二定值电阻构成第一半桥测量电路，第二稳压器连接所述第五应变片与第一定值电阻的连接节点，向所述第一半桥测量电路提供稳压电源，第二滑动电阻器连接所述第六应变片与第二定值电阻的连接节点，用于平衡初始调零，且由所述第五应变片与第六应变片的连接节点、所述第一定值电阻与第二定值电阻的连接节点输出X轴方向加速度的电信号；

所述第七应变片、第八应变片与第三定值电阻、第四定值电阻构成第二半桥测量电路，第三稳压器连接所述第七应变片与第三定值电阻的连接节点，向所述第二半桥测量电路提供稳压电源，第三滑动电阻器连接所述第八应变片与第四定值电阻的连接节点，用于平衡初始调零，且由所述第七应变片与第八应变片的连接节点、所述第三定值电阻与第四定值电阻的连接节点输出Y轴加速度的电信号。

所述第一应变片与第二应变片的连接节点、所述第三应变片与第四应变片的连接节点分别连接第一级运算放大器AD1的正负输入端，Z轴方向加速度的电信号由所述第一级运算放大器AD1前置差分放大，再经第二级运算放大器OPA1放大滤波处理后，传输给第三级电压跟随器OPB1进行隔离处理；

所述第五应变片与第六应变片的连接节点、所述第一定值电阻与第二定值电阻的连接节点分别连接第一级运算放大器AD2的正负输入端，X轴方向加速度的电信号由所述第一级运算放大器AD2前置差分放大，再经第二级运算放大器OPA2放大滤波处理后，传输给第三级电压跟随器OPB2进行隔离处理；

所述第七应变片与第八应变片的连接节点、所述第三定值电阻与第四定值电阻的连接节点分别连接第一级运算放大器AD3的正负输入端，Y轴方向加速度的电信号由所述第一级运算放大器AD3前置差分放大，再经第二级运算放大器OPA3放大滤波处理后，传输给第三级电压跟随器OPB3进行隔离处理；

且第一电源适配器分别向所述第一级运算放大器AD1、第二级运算放大器OPA1以及第三级电压跟随器OPB1提供电源；第二电源适配器分别向所述第一级运算放大器AD2、第二级运算放大器OPA2以及第三级电压跟随器OPB2提供电源；第三电源适配器分别向所述第一级运算放大器AD3、第二级运算放大器OPA3以及第三级电压跟随器OPB3提供电源。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明在三维方向分别设置应变片，采用一体式传感器即可实现物体三维振动状态检测，且由于采用应变片实现测量，成本较低；

2、由于应变片的电阻变化很微弱，本发明将电阻变化信息转变成电信号，更加易于实际应用，且对微弱的电信号进行放大滤波等处理，即使应变片电阻变化很小，也可以检测到，提高了传感器的灵敏度，降低了量程；

3、本传感器中只需要将相应的应变片设置在对应的位置即可，不要求较高的加工精度，降低了制造工艺成本。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的正视图；

图2是图1的俯视图；

图3是用于调整Z轴方向加速度信号的电路图；

图4是用于调整X轴方向加速度信号的电路图；

图5是用于调整Y轴方向加速度信号的电路图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

该应变式三维加速度传感器包括弹性体1、固定胶3、质量块4和8个应变片。如图1所示，弹性体1的的轴向截面呈“┻”形，该弹性体1的下端为轮辐5的结构，上端为圆柱体6的结构且其上端面由固定胶3固定连接质量块4；在轮辐5的一条线的辐条上对称设置有四个应变片（即四个应变片与弹性体1的距离相等）：第一应变片R1、第三应变片R3设置在辐条的上表面，第二应变片R2、第四应变片R4设置在辐条的下表面，且在弹性体1的圆柱体上周向均匀设置有四个应变片（即该四个应变片在同一圆周上，与轮辐5距离相等）：第五应变片R5、第六应变片R6、第七应变片R7和第八应变片R8。贴在被测定物上的应变片，随着被测定物的应变一起伸缩，应变片的电阻也随之发生变化，因此可以由应变片电阻的变化来反映三维的加速度变化。本实施例中第一应变片R1、第二应变片R2、第三应变片R3和第四应变片R4的电阻变化来反映Z轴方向的加速度变化，第五应变片R5和第六应变片R6的变化来反映X轴方向的加速度变化，第七应变片R7和第八应变片R8的电阻变化来反映Y轴方向的加速度变化。

由于在测量过程中，应变片感受的应变很微弱，其电阻相对变化率△R/R很小，并且电阻变化信息不利于在实际中的应用，因此需要将电阻变化信息转换为电信号，且对该电信号进行放大处理。

如图3所示，在Z轴方向，第一应变片R1、第二应变片R2、第三应变片R3和第四应变片R4构成全桥测量电路，第一稳压器TL43-1连接第一应变片R1与第四应变片R4的连接节点a，其向该全桥测量电路提供5V的稳压电源，第一滑动电阻器RP1连接第二应变片R2与第三应变片R3的连接节点，实现对该全桥测量电路平衡初始调零。该全桥测量电路将Z轴方向应变片的电阻变化信息转换成Z轴方向加速度的电信号，由第一应变片R1与第二应变片R2的连接节点、第三应变片R3与第四应变片R4的连接节点输出给第一级运算放大器AD1的正反输入端，对电信号进行差分放大，有效地去除干扰，其中该第一级运算放大器AD1外接电阻R3-1，以将全桥测量电路输出的信号精确放大至确定的倍数，实现第一级电路的前置放大。

第一级运算放大器AD1的输出端通过电阻R4-1连接第二级运算放大器OPA1的正输入端，该第二级运算放大器OPA1的负输入端与接地的电阻R5连接，且第二级运算放大器OPA1与电阻R6-1、电容C3-1并联，其中经前置放大后的电信号通过电阻R4-1被精确放大至确定的倍数，且通过并联的电阻R6-1、电容C3-1实现低通滤波，从而实现了第二级电路的放大滤波。

第二级运算放大器OPA1的输出端依次连接电阻R7-1、电容C6-1，且电容C6-1接地，电阻R7-1和电容C6-1的连接节点与第三跟随器OPB1连接，其中电阻R7-1和电容C6-1配置低通截止频率与上级一致，第三跟随器OPB1对电信号进行隔离、缓冲处理，提高输出阻抗，减少信号的衰减。由第三跟随器OPB1输出的电信号可以直接采用AD转换器进行模数转换处理。

上述第一级运算放大器AD1、第二级运算放大器OPA1和第三跟随器OPB1均采用双电源供电方式，由第一电源适配器将220V电压转换为15V电压提供给三者，其中NE555-1可以将正电压转换成负电压，提高输出精度。

如图4所示，在X轴方向，第五应变片R5、第六应变片R6、第一定值电阻F1和第二定值电阻F2构成第一半桥测量电路，第二稳压器TL43-2连接第五应变片R5与第一定值电阻F1的连接节点a，其向该第一半桥测量电路提供5V的稳压电源，第二滑动电阻器RP2连接第六应变片R6与第二定值电阻F2的连接节点b，实现对该第一半桥测量电路平衡初始调零。该第一半桥测量电路将X轴方向应变片的电阻变化信息转换成X轴方向加速度的电信号，由第五应变片R5与第六应变片R6的连接节点c、第一定值电阻F1与第二定值电阻F2的连接节点d输出给第一级运算放大器AD2的正反输入端，对电信号进行差分放大，有效地去除干扰，其中该第一级运算放大器AD2外接电阻R3-2，以将全桥测量电路输出的信号精确放大至确定的倍数，实现第一级电路的前置放大。

第一级运算放大器AD2的输出端通过电阻R4-2连接第二级运算放大器OPA2的正输入端，该第二级运算放大器OPA2的负输入端与接地的电阻R5连接，且第二级运算放大器OPA2与电阻R6-2、电容C3-2并联，其中经前置放大后的电信号通过电阻R4-2被精确放大至确定的倍数，且通过并联的电阻R6-2、电容C3-2实现低通滤波，从而实现了第二级电路的放大滤波。

第二级运算放大器OPA2的输出端依次连接电阻R7-2、电容C6-2，且电容C6-2接地，电阻R7-2和电容C6-2的连接节点与第三跟随器OPB2连接，其中电阻R7-2和电容C6-2配置低通截止频率与上级一致，第三跟随器OPB2对电信号进行隔离、缓冲处理，提高输出阻抗，减少信号的衰减。由第三跟随器OPB2输出的电信号可以直接采用AD转换器进行模数转换处理。

上述第一级运算放大器AD2、第二级运算放大器OPA2和第三跟随器OPB2均采用双电源供电方式，由第二电源适配器将220V电压转换为15V电压提供给三者，其中NE555-1可以将正电压转换成负电压，提高输出精度。

如图5所示，在Y轴方向，第七应变片R7、第八应变片R8、第三定值电阻F3和第四定值电阻F4构成第二半桥测量电路，第二稳压器TL43-3连接第七应变片R7与第三定值电阻F3的连接节点a，其向该第二半桥测量电路提供5V的稳压电源，第三滑动电阻器RP3连接第八应变片R8与第四定值电阻F4的连接节点b，实现对该第二半桥测量电路平衡初始调零。该第二半桥测量电路将Y轴方向应变片的电阻变化信息转换成Y轴方向加速度的电信号，由第七应变片R7与第八应变片R8的连接节点c、第三定值电阻F3与第四定值电阻F4的连接节点d输出给第一级运算放大器AD3的正反输入端，对电信号进行差分放大，有效地去除干扰，其中该第一级运算放大器AD3外接电阻R3-3，以将全桥测量电路输出的信号精确放大至确定的倍数，实现第一级电路的前置放大。

第一级运算放大器AD3的输出端通过电阻R4-3连接第二级运算放大器OPA3的正输入端，该第二级运算放大器OPA3的负输入端与接地的电阻R5连接，且第二级运算放大器OPA3与电阻R6-3、电容C3-3并联，其中经前置放大后的电信号通过电阻R4-3被精确放大至确定的倍数，且通过并联的电阻R6-3、电容C3-3实现低通滤波，从而实现了第二级电路的放大滤波。

第二级运算放大器OPA3的输出端依次连接电阻R7-3、电容C6-3，且电容C6-3接地，电阻R7-3和电容C6-3的连接节点与第三跟随器OPB3连接，其中电阻R7-3和电容C6-3配置低通截止频率与上级一致，第三跟随器OPB3对电信号进行隔离、缓冲处理，提高输出阻抗，减少信号的衰减。由第三跟随器OPB3输出的电信号可以直接采用AD转换器进行模数转换处理。

上述第一级运算放大器AD3、第二级运算放大器OPA3和第三跟随器OPB3均采用双电源供电方式，由第二电源适配器将220V电压转换为15V电压提供给三者，其中NE555-1可以将正电压转换成负电压，提高输出精度。

本发明中应变式三维加速度传感器的工作原理为：

当被测物体以加速度运动时，质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力作用，使弹性体产生变形，粘贴在弹性体上的应变片随之发生应变，从而使应变片的电阻发生变化。电阻的变化引起应变片组成的桥路出现不平衡，从而输出电压。应变片桥路不平衡而产生的输出电压与被测物体的加速度成线性关系，即可测得被测物体加速度的大小。

该应变式三位加速度传感器通过选定应变片的布片位置，组成三个测量桥路，通过解耦后可以测量空间三个互相垂直方向上的加速度。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (2)

1.一种应变式三维加速度传感器，其特征在于：包括弹性体（1）、固定胶（3）、质量块（4）和8个应变片，其中所述弹性体（1）的轴向截面呈“┻”形，该弹性体（1）的下端为轮辐（5）结构，上端为圆柱体（6）结构且其上端面由所述固定胶（3）固定连接所述质量块（4）； 

在所述轮辐（5）同一条线的辐条上对称设置有四个应变片：第一应变片（R1）和第三应变片（R3）设置于所述辐条的上表面，第二应变片（R2）和第四应变片（R4）设置于所述辐条的下表面，由该四个应变片的电阻变化来反映Z轴方向的加速度变化；在所述弹性体（1）的圆柱体上周向均匀设置有四个应变片：第五应变片（R5）、第六应变片（R6）、第七应变片（R7）和第八应变片（R8），其中由所述第五应变片（R5）、第六应变片（R6）的电阻变化来反映X轴方向的加速度变化，由所述第七应变片（R7）、第八应变片（R8）的电阻变化来反映Y轴方向的加速度变化；

所述第一应变片（R1）、第二应变片（R2）、第三应变片（R3）和第四应变片（R4）构成全桥测量电路，第一稳压器连接所述第一应变片（R1）与第四应变片（R4）的连接节点，向所述全桥测量电路提供稳压电源，第一滑动电阻器（RP1）连接所述第二应变片（R2）与第三应变片（R3）的连接节点，用于平衡初始调零，且由所述第一应变片（R1）与第二应变片（R2）的连接节点，所述第三应变片（R3）与第四应变片（R4）的连接节点输出Z轴方向加速度的电信号；

所述第五应变片（R5）、第六应变片（R6）与第一定值电阻（F1）、第二定值电阻（F2）构成第一半桥测量电路，第二稳压器连接所述第五应变片（R5）与第一定值电阻（F1）的连接节点，向所述第一半桥测量电路提供稳压电源，第二滑动电阻器（RP2）连接所述第六应变片（R6）与第二定值电阻（F2）的连接节点，用于平衡初始调零，且由所述第五应变片（R5）与第六应变片（R6）的连接节点、所述第一定值电阻（F1）与第二定值电阻（F2）的连接节点输出X轴方向加速度的电信号；

所述第七应变片（R7）、第八应变片（R8）与第三定值电阻（F3）、第四定值电阻（F4）构成第二半桥测量电路，第三稳压器连接所述第七应变片（R7）与第三定值电阻（F3）的连接节点，向所述第二半桥测量电路提供稳压电源，第三滑动电阻器（RP3）连接所述第八应变片（R8）与第四定值电阻（F4）的连接节点，用于平衡初始调零，且由所述第七应变片（R7）与第八应变片（R8）的连接节点、所述第三定值电阻（F3）与第四定值电阻（F4）的连接节点输出Y轴加速度的电信号。

2.根据权利要求1所述的应变式三维加速度传感器，其特征在于：所述第一应变片（R1）与第二应变片（R2）的连接节点、所述第三应变片（R3）与第四应变片（R4）的连接节点分别连接第一级运算放大器AD1的正负输入端，Z轴方向加速度的电信号由所述第一级运算放大器AD1前置差分放大，再经第二级运算放大器OPA1放大滤波处理后，传输给第三级电压跟随器OPB1进行隔离处理；

所述第五应变片（R5）与第六应变片（R6）的连接节点、所述第一定值电阻（F1）与第二定值电阻（F2）的连接节点分别连接第一级运算放大器AD2的正负输入端，X轴方向加速度的电信号由所述第一级运算放大器AD2前置差分放大，再经第二级运算放大器OPA2放大滤波处理后，传输给第三级电压跟随器OPB2进行隔离处理；

所述第七应变片（R7）与第八应变片（R8）的连接节点、所述第三定值电阻（F3）与第四定值电阻（F4）的连接节点分别连接第一级运算放大器AD3的正负输入端，Y轴方向加速度的电信号由所述第一级运算放大器AD3前置差分放大，再经第二级运算放大器OPA3放大滤波处理后，传输给第三级电压跟随器OPB3进行隔离处理；

且第一电源适配器分别向所述第一级运算放大器AD1、第二级运算放大器OPA1以及第三级电压跟随器OPB1提供电源；第二电源适配器分别向所述第一级运算放大器AD2、第二级运算放大器OPA2以及第三级电压跟随器OPB2提供电源；第三电源适配器分别向所述第一级运算放大器AD3、第二级运算放大器OPA3以及第三级电压跟随器OPB3提供电源。

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