CN102568923A - 一种双阈值三稳态碰撞传感器 - Google Patents

Abstract

一种双阈值三稳态碰撞传感器，属于精密微机电***和碰撞传感器技术领域。主要由外质量块、内质量块、平行梁、固定块、第一触点和第二触点构成内外嵌套的双层倾斜支撑梁结构。本发明无需处理器和驱动装置即可迅速判断碰撞强度等级，发出控制信号。无危险情况时，传感器处于第一稳态，当外界碰撞强度超过第一危险阈值而小于第二危险阈值时，内质量块迅速与第一触点接触，处于第二稳态；当外界碰撞强度超过第二危险阈值时，外质量块和内质量块同时迅速接触第一触点和第二触点，处于第三稳态；当连续发生二次碰撞时，传感器依次接通第一触点和第二触点。本发明具有结构简单、多阈值智能感应、接触可靠、无需驱动和抗电磁干扰能力强的特点。

Description

一种双阈值三稳态碰撞传感器

技术领域

一种双阈值三稳态碰撞传感器，属于精密微机电***和碰撞传感器技术领域，可用于碰撞安全保护***、航空航天控制***、武器***、仪器跌落保护以及病人摔倒监护***等。

背景技术

碰撞传感器能够准确地感应碰撞强度，并根据预先设定的阈值来判断碰撞危险程度，为完全保护控制***提供可靠的决策信息，在武器***、航空航天、车辆安全***及民用消费电子领域具有广泛的应用前景。

作为安全控制***的关键传感器件，碰撞传感器不仅需要快速而准确的评估碰撞方向和危险程度，并接通安全保护电路，还要考虑应用环境中干扰因素的影响，这就限制了一些基于多物理场效应研制的传感器的应用，如磁场式和电场式传感器能耗问题和抗干扰问题。目前碰撞传感器的功能主要集中于单阈值单方向的碰撞感应，难以判断两次以上的连续碰撞或对碰撞强度进行判断等。而电子式碰撞传感器主要依靠加速度计来感应碰撞，同时需要复杂的测试电路和信号处理电路，这不仅增加了传感器测量***的成本，还受制于加速度计的工作精度和环境干扰影响等，严重影响了安全***的响应速度和可靠性。综合调研发现，碰撞传感器的阈值感应个数和抗干扰能力是限制其性能提升的关键因素。

因此，采用非线性纯机械结构来实现多个同向或异向碰撞阈值的感应功能，是提高传感器***的精度和可靠性的重要途径，既可以满足多级安全保护***的应用需求，又可以避免外界电磁场的干扰和能耗问题。

发明内容

为了满足现代碰撞多级安全保护***对于多阈值、多方向及低能耗碰撞传感器的应用需求，本发明提供了一种双阈值三稳态碰撞传感器，属于精密微机电***和碰撞传感器技术领域，可用于碰撞安全保护***、航空航天控制***、武器***、仪器跌落保护以及病人摔倒监护***等。

本发明的技术方案是：一种双阈值三稳态碰撞传感器主要包括质量块、平行梁、固定块第一触点和第二触点，所述质量块包含一个外质量块和内质量块，采用平行梁把外质量块、内质量块和固定块连接，构成内外嵌套的双层平行梁支撑结构，第一平行梁和第二平行梁连接外质量块的内侧与内质量块的外侧，第三平行梁和第四平行梁连接内质量块的内侧与位于固定块上侧梁的外侧，侧梁的两端与固定块连接，形成左右对称结构，所述第一触点位于内质量块竖直方向的外侧，所述第二触点位于外质量块沿竖直方向的外侧；当内质量块沿竖直方向运动，内质量块与第一触点接触时，第一平行梁和第二平行梁发生变形，碰撞传感器位于第二稳态；当内质量块位置保持不变，外质量块沿竖直方向运动，外质量块与第二触点接触时，第三平行梁和第四平行梁发生变形，碰撞传感器位于第三稳态。

所述第一触点和第二触点分别位于内质量块和外质量块同一侧的外侧。

所述第一触点和第二触点分别位于内质量块和外质量块相反侧的外侧。

所述外质量块的内侧和内质量块内侧及外侧都设有供平行粱固定用的侧梁。

所述外质量块和内质量块采用方形中空结构，两侧的宽度大于上下部分的宽度。

所述外质量块、内质量块、第一触点和第二触点采用金属导电材料。

本发明中装置的工作特性为，该碰撞传感器无需处理器和驱动装置即可迅速判断碰撞强度等级，发出控制信号。当外界碰撞强度低于第一危险阈值时，平行梁结构不发生屈曲变形，内外质量块保持原位置，传感器处于第一稳态；当外界碰撞强度超过第一危险阈值而小于第二危险阈值时，第三平行梁和第四平行梁结构发生屈曲变形，内质量块迅速与第一触点接触，第一平行梁和第二平行梁保持不变形，该机构处于第二稳态；当外界碰撞强度超过第二危险阈值时，四组平行梁同时发生屈曲变形，并使外质量块和内质量块同时迅速接触第一触点和第二触点，并保持于该状态，此时机构处于第三稳态；当连续发生二次碰撞时，即第一次碰撞大于第一危险阈值、第二次碰撞大于第二危险阈值，此时第一平行梁和第二平行梁首先变形，内质量块接触第一触点，然后外质量块接触第二触点，实现连续碰撞类型的感应功能。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.本发明采用内外嵌套双层倾斜支撑梁结构的非线性三稳态特性实现双碰撞强度阈值的感应功能，与传统线弹性结构传感器相比，具有阈值感应精度高、双阈值感应、能耗低和可靠性高的优点。

2.本发明为依靠外界惯性力驱动的机械装置，能够有效的抵抗电磁干扰，并且碰撞传感器工作行程大，对外界各种频率加速度信号具有机械识别功能，滤去高频干扰，提高传感器在各种恶劣环境(电磁干扰、雷雨及振动干扰等)下的动作准确性，适用于多种民用和军用场合。

3.本发明采用平面结构，除触点外的所有结构部分适合一体化加工，成本低廉，便于批量生产。

附图说明

图1是实施例1一种双阈值三稳态碰撞传感器结构图。

图2是实施例1一种双阈值三稳态碰撞传感器第二稳态位置。

图3是实施例1一种双阈值三稳态碰撞传感器第三稳态位置。

图4是实施例2一种双阈值三稳态碰撞传感器的第一稳态位置。

图5是实施例2一种双阈值三稳态碰撞传感器的第二稳态位置。

图6是实施例2一种双阈值三稳态碰撞传感器的第三稳态位置。

图7是实施例3一种双阈值三稳态碰撞传感器结构图。

图中，1、外质量块，2、内质量块，3、固定块，4、第一平行梁，5，第二平行梁，6、第三平行梁，7、第四平行梁，8、第一侧梁、8a、第二侧梁，8b、第三侧梁，8c、第四侧梁、8d、第五侧梁，8e、第六侧梁、8f、第七侧梁，8j、第八侧梁，9、第一触点，9a、第二触点，9b、第三触点，10、第五平行梁，11、第六平行梁。

具体实施方式

实施例1

图1示出一种双阈值三稳态碰撞传感器的结构图。图中，一种双阈值三稳态碰撞传感器包括：外质量块1、内质量块2、固定块3、第一平行梁4、第二平行梁5、第三平行梁6和第四平行梁7、第一触点9和第二触点9a。第一侧梁8和第二侧梁8a的两端连接于固定块3上。第三平行梁6和第四平行梁7将内质量块2连接于固定块3上，形成支撑结构；第一平行梁4和第二平行梁5的两端分别连接内质量块2的外侧和外质量块1的内侧。第一触点9固定于内质量块2和外质量块1之间，第二触点9a固定于外质量块的外侧。

当没有碰撞时，四组平行梁支撑外质量块1和内质量块2保持于原位置，碰撞传感器处于第一稳态。

碰撞传感器的抗干扰能力主要体现于，当传感器受到的碰撞强度小于第一危险阈值或其他振动干扰时，外质量块1和内质量块2仅在第一稳态位置附近微小振动，传感器不会发生状态转换，第一触点9、第二触点9a与内质量块2和外质量块1之间保持断开状态，因此，传感器具有一定的抗干扰能力。由于机构为纯机械结构，同时不受外界电磁场的干扰。

图2所示，当外界碰撞强度大于第一危险阈值而小于第二危险阈值时，在外界碰撞力的作用下，第三平行梁6和第四平行梁7发生屈曲变形，依靠机构的稳态跳转现象，内质量块2迅速与第一触点9接触，并保持于该状态。同时，外质量块1随着内质量块2平动，由于外力的幅值未超过第一平行梁4和第二平行梁5的屈曲极限而未发生变形现象，未达到第二触点9a的位置，此时结构处于第二稳态位置；

图3所示，当外界碰撞强度大于第二危险阈值时，内质量块2和外质量块1产生的惯性力足以使四组平行梁同时发生屈曲变形，并发生跳转现象，使内质量块2和外质量块1同时与第一触点9和第二触点9a接触，并稳定保持与该状态，接通所连接的电路保护装置。

实施例2

图4、5、6给出了另一种双阈值三稳态碰撞传感器的结构图。图中，在实施例1的基础上，采用第五平行梁10和第六平行梁11替代实施例1中的第一平行梁4和第二平行梁5，触点9b替代触点9a，并置于外质量块的上部。第五平行梁和第六平行梁的倾斜角度之和等于180度。第五平行梁10和第六平行梁11的角度与第三平行梁6和第四平行梁7的倾斜角度大小相等，方向相反。图5和图6给出了该实施方式的另外两个稳定状态。该类传感器能够感应不同方向上不同阈值的碰撞事故，即外碰撞沿不同方向的感应功能。

当外碰撞超过第一危险阈值时，内质量块2迅速与第一触点9接触。当相反方向的外碰撞超过第二危险阈值时，第三平行梁6和第四平行梁7不发生变形，内质量块1保持不动。第五平行梁10和第六平行梁11发生屈曲变形，外质量块迅速与第三触点9b接触，并闭合，实现稳定接触。

对于连续的相反方向的碰撞感应，本发明首先内质量块2与第一触点9迅速接触，当相反方向的碰撞发生时，内质量块2与第一触点9迅速断开恢复到原位置，外质量块1迅速与第三触点9b接触，导通电路。

实施例3

图7给出了第三种双阈值三稳态碰撞传感器的结构图。图中，在实施例1和实施例2的基础上，采用第三侧梁8b、第四侧梁8c、第五侧梁8d、第六侧梁8e、第七侧梁8f和第八侧梁8j作为柔性连接替代原有的刚性连接，第三侧梁8b和第四侧梁8c的两端连接内质量块2的内侧，中间部分连接第三平行梁6和第四平行梁7的一端，第六侧梁8e和第五侧梁8d的两端连接内质量块2的外侧，中间部分连接第五平行梁10和第六平行梁11的一端。第七侧梁8f和第八侧梁8j的两端连接外质量块1的内侧，中间部分连接第五平行梁10和第六平行梁11的另一端。该结构实现实施例2的功能的同时，可以大幅度降低感应阈值，适用于病人跌倒防护监测和跌落保护***等。

Claims (6)

1.一种双阈值三稳态碰撞传感器，它主要包括质量块、平行梁、固定块(3)第一触点(9)和第二触点(9a)，其特征是：所述质量块包含一个外质量块(1)和内质量块(2)，采用平行梁把外质量块(1)、内质量块(2)和固定块(3)连接，构成内外嵌套的双层平行梁支撑结构，第一平行梁(4)和第二平行梁(5)连接外质量块(1)的内侧与内质量块(2)的外侧，第三平行梁(6)和第四平行梁(7)连接内质量块(2)的内侧与位于固定块(3)上侧梁的外侧，侧梁的两端与固定块(3)连接，形成左右对称结构，所述第一触点(9)位于内质量块(2)竖直方向的外侧，所述第二触点(9a)位于外质量块(1)沿竖直方向的外侧；当内质量块(2)沿竖直方向运动，内质量块(2)与第一触点(9)接触时，第一平行梁(4)和第二平行梁(5)发生变形，碰撞传感器位于第二稳态；当内质量块(2)位置保持不变，外质量块(1)沿竖直方向运动，外质量块(1)与第二触点(9a)接触时，第三平行梁(6)和第四平行梁(7)发生变形，碰撞传感器位于第三稳态。

2.根据权利要求1所述的一种双阈值三稳态碰撞传感器，其特征是：所述第一触点(9)和第二触点(9a)分别位于内质量块(2)和外质量块(1)同一侧的外侧。

3.根据权利要求1所述的一种双阈值三稳态碰撞传感器，其特征是：所述第一触点(9)和第二触点(9a)分别位于内质量块(2)和外质量块(1)相反侧的外侧。

4.根据权利要求1所述的一种双阈值三稳态碰撞传感器，其特征是：所述外质量块(1)的内侧和内质量块(2)内侧及外侧都设有供平行粱固定用的侧梁。

5.根据权利要求1所述的一种双阈值三稳态碰撞传感器，其特征是：所述外质量块(1)和内质量块(2)采用方形中空结构，两侧的宽度大于上下部分的宽度。

6.根据权利要求3所述的一种双阈值三稳态碰撞传感器，其特征是：所述外质量块(1)、内质量块(2)、第一触点(9)和第二触点(9a)采用金属导电材料。

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