CN103175989A - 一种三维方向测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维方向测试装置，三维方向测试传感器采集被测物体的三维运动信息，将被测物体的三维运动信息转换成电信号，数据处理终端接收三维方向测试传感器输出的电信号，经数据处理后，获得被测物体三维运动方向或者加速度大小方向，三维方向测试传感器由三个三维方向传感器暨加速度传感器构成，三个三维方向传感器暨加速度传感器所在的平面相互垂直，三个三维方向传感器暨加速度传感器在使用时只使用其中两个，两个三维方向传感器暨加速度传感器返回的电信号组成数组，数组与测试方向或加速度大小方向成一一对应关系，数据经过处理，可得被测物体三维方向或加速度大小方向；该三维方向测试装置结构简单、成本低廉、误差小、精度高。

Description

一种三维方向测试装置

技术领域

本发明属于传感器技术领域，尤其涉及一种三维方向测试装置。

背景技术

传感器技术是当今世界迅猛发展起来的高新技术之一，它与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱之一。高精度的角度测量在工业、科研和国防等各个领域都有着广泛的应用。按转换原理不同有很多实现形式，如光栅式、加速度计式、电容式等。根据不同形式又可分为变面积、变间隙、变介电常数等类型。文中提出了一种新型的的三维方向传感器，可以三维各个方向检测被测物体，同时可以减小了因为液体波动或者外接磁场而引起的一系列不必要的干扰。

发明内容

本发明提供了一种三维方向测试装置，旨在解决现有技术提供的三维方向传感器，结构复杂、成本高昂，误差大、精度低、适应范围小的问题。

本发明的目的在于提供一种三维方向测试装置，该三维方向测试装置包括：

三维方向测试传感器，用于采集被测物体的三维运动信息，将被测物体的三维运动信息转换成电信号，并对电信号进行输出；

数据处理终端，与所述三维方向测试传感器相连接，用于接收所述三维方向测试传感器输出的电信号，经数据处理后，获得被测物体三维运动方向或者加速度大小方向。

进一步，所述三维方向测试传感器由第一三维方向传感器暨加速度传感器、第二三维方向传感器暨加速度传感器、第三三维方向传感器暨加速度传感器构成，第一三维方向传感器暨加速度传感器、第二三维方向传感器暨加速度传感器、第三三维方向传感器暨加速度传感器所在的平面相互垂直。

进一步，第一三维方向传感器暨加速度传感器、第二三维方向传感器暨加速度传感器、第三三维方向传感器暨加速度传感器在使用时只使用其中两个，两个三维方向传感器暨加速度传感器返回的电信号组成数组，数组与测试方向或加速度大小方向成一一对应关系，数据经过处理，即可得出对应被测物体三维方向或者加速度大小方向。

进一步，所述第一三维方向传感器暨加速度传感器、第二三维方向传感器暨加速度传感器及第三三维方向传感器暨加速度传感器均呈圆环状。

进一步，所述第一三维方向传感器暨加速度传感器、第二三维方向传感器暨加速度传感器及第三三维方向传感器暨加速度传感器均包括：环状薄金属片(金属丝均可)、裸电阻丝、玻璃外壳、导电液、电源端口、信号端口；

所述导电液放置在所述裸电阻丝与环状薄金属片之间的凹槽中，环状薄金属片可以用低阻率金属丝替代，所述裸电阻丝与所述环状薄金属片的位置可以互换，，所述裸电阻丝及环状薄金属片固定在所述玻璃外壳上；

所述裸电阻丝上设置有所述电源端口，所述环状薄金属片上设置有所述信号端口。

进一步，所述裸电阻丝上的电源端口所加的电压为恒定电压。

进一步，所述第一三维方向传感器暨加速度传感器、第二三维方向传感器暨加速度传感器及第三三维方向传感器暨加速度传感器中放置的为低电阻率的导电液。

进一步，所述导电液可采用水银。

进一步，导电液在外力作用下流动，与裸电阻丝不同位置连接形成回路，信号端口输出对应电信号。

本发明提供的三维方向测试装置，三维方向测试传感器采集被测物体的三维运动信息，将被测物体的三维运动信息转换成电信号，数据处理终端接收三维方向测试传感器输出的电信号，经数据处理后，获得被测物体三维运动方向或者加速度大小方向，三维方向测试传感器由三个三维方向传感器暨加速度传感器构成，三个三维方向传感器暨加速度传感器所在的平面相互垂直，三个三维方向传感器暨加速度传感器在使用时只使用其中两个，两个三维方向传感器暨加速度传感器返回的电信号组成数组，数组与测试方向或加速度大小方向成一一对应关系，数据经过处理，即可得出对应被测物体三维方向或者加速度大小方向；该三维方向测试装置结构简单、成本低廉、误差小、精度高，具有较强的推广与应用价值。

附图说明

图1是本发明实施例提供的三维方向测试装置的结构框图；

图2是本发明实施例提供的第一三维方向传感器暨加速度传感器、第二三维方向传感器暨加速度传感器及第三三维方向传感器暨加速度传感器的俯视图构示意图；

图3是本发明实施例提供的第一三维方向传感器暨加速度传感器、第二三维方向传感器暨加速度传感器及第三三维方向传感器暨加速度传感器的侧视图构示意图；

图4是本发明实施例提供的三维方向测试装置的一种外型布置示意图；

图5是本发明实施例提供的三维方向测试装置的另一种外型布置示意图；

图6是本发明实施例提供的三维方向测试传感器的原理示意图；

图7是本发明实施例提供的三维方向测试传感器的原理示意图；

图8是本发明实施例提供的三维方向测试传感器的原理示意图。

图中：11、三维方向测试传感器；111、第一三维方向传感器暨加速度传感器；1111、薄金属片；1112、裸电阻丝；1113、玻璃外壳；1114、导电液；1115、电源端口；1116、信号端口；112、第二三维方向传感器暨加速度传感器；113、第三三维方向传感器暨加速度传感器；12、数据处理终端。

11、三维方向测试传感器11；111、第一三维方向传感器暨加速度传感器111；1111、薄金属片1111；1112、裸电阻丝1112；1113、玻璃外壳1113；1114、导电液1114；1115、电源端口1115；1116、信号端口1116；112、第二三维方向传感器暨加速度传感器112；113、第三三维方向传感器暨加速度传感器113；12、数据处理终端12。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定发明。

图1示出了本发明实施例提供的三维方向测试装置的结构。为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。

该三维方向测试装置包括：

三维方向测试传感器11，用于采集被测物体的三维运动信息，将被测物体的三维运动信息转换成电信号，并对电信号进行输出；

数据处理终端12，与三维方向测试传感器11相连接，用于接收三维方向测试传感器11输出的电信号，经数据处理后，获得被测物体三维运动方向或者加速度大小方向。

在本发明实施例中，三维方向测试传感器11由第一三维方向传感器暨加速度传感器111、第二三维方向传感器暨加速度传感器112、第三三维方向传感器暨加速度传感器113构成，第一三维方向传感器暨加速度传感器111、第二三维方向传感器暨加速度传感器112、第三三维方向传感器暨加速度传感器113所在的平面相互垂直。

在本发明实施例中，第一三维方向传感器暨加速度传感器111、第二三维方向传感器暨加速度传感器112、第三三维方向传感器暨加速度传感器113在使用时只使用其中两个，两个三维方向传感器暨加速度传感器返回的电信号组成数组，数组与测试方向或加速度大小方向成一一对应关系，数据经过处理，即可得出对应被测物体三维方向或者加速度大小方向。

在本发明实施例中，第一三维方向传感器暨加速度传感器111、第二三维方向传感器暨加速度传感器112及第三三维方向传感器暨加速度传感器113均呈圆环状。

在本发明实施例中，第一三维方向传感器暨加速度传感器111、第二三维方向传感器暨加速度传感器112及第三三维方向传感器暨加速度传感器113均包括：环状薄金属片1111、裸电阻丝1112、玻璃外壳1113、导电液1114、电源端口1115、信号端口1116；

导电液1114放置在裸电阻丝1112与环状薄金属片1111之间的凹槽中，裸电阻丝1112设置在环状薄金属片1111的外圈上，裸电阻丝1112及环状薄金属片1111固定在玻璃外壳1113上；

裸电阻丝1112上设置有电源端口1115，环状薄金属片1111上设置有信号端口1116。

在本发明实施例中，裸电阻丝1112上的电源端口1115所加的电压为恒定电压。

在本发明实施例中，第一三维方向传感器暨加速度传感器111、第二三维方向传感器暨加速度传感器112及第三三维方向传感器暨加速度传感器113中放置的为低电阻率的导电液1114。

在本发明实施例中，导电液1114可采用水银。

在本发明实施例中，导电液1114在外力作用下流动，与裸电阻丝1112不同位置连接形成回路，信号端口1116输出对应电信号。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

该三维方向测试装置主要由3个大小相同或者不同的三维方向传感器暨加速度传感器构成，三个平面相互垂直放置，每个三维方向传感器暨加速度传感器基本原理均相同，即通过导电液1114在外力作用下流动与裸电阻丝1112不同位置连接形成回路，进而返回对应电信号，数据经过处理，即可得出对应被测物体三维方向或者加速度大小方向，本装置结构简单，成本低廉，误差小精度高，适应各种场景应用。

二设计思路及原理

1.三维方向传感器暨加速度传感器

三维方向传感器暨加速度传感器基本原理是通过导电液1114在外力作用下流动与裸电阻丝1112不同位置连接形成回路，进而返回对应电信号，三个三维方向传感器暨加速度传感器在使用时实际只使用其中两个，原理一样，使用的两个配件返回的电信号组成的数组与测试方向或加速度大小方向成一一对应关系，数据经过处理，即可得出对应被测物体三维方向或者加速度大小方向。

如图2及图3所示，使用时电源端口1115输入一个恒定电压U，此时要是此配件方向发生偏移或者加速度作用下水银小球会沿着边缘滚动，并将薄金属片1111、裸电阻丝1112短接将电信号由信号端口1116传出。假设端口为0点，相对0点偏转角度θ满足。

$\mathrm{\θ}=2\mathrm{\π}\·\frac{U_b}{U}---\left(1\right)$

三维方向传感器暨加速度传感器外型设计，其内部边缘接触部分向圆心走略成角度，如图图3所示，这样此配件平置时，水银小球自动滑落置凹槽内，防止误判。

构成三维方向传感器暨加速度传感器时，便于数据采集与处理，三个平面相互垂直放置。本文提供了2种常用放置方案，如图4，图5。图4中将3个大小相同或者不同的三维方向传感器暨加速度传感器分别置于接近大小的正方体相互垂直的3个面上。图5中球形放置，图5中要求3个配件呈环形，三者由大到小依次包容，这样可以减小空间。

三维方向传感器暨加速度传感器原理图如图6(以外型1为例)，正方体ABCD-OEFG为外型2中的传感器，被测试的平面为X0Y平面三维倾斜角度，n为平面的法相向量。传感器初始时如图6中位置放置。水银球处于竖直方向位置，假设为对应方向的起点原点0。假设某一时刻，测试面处于图7所示方向，X0Z平面内水银球相对于0点偏移角度a，Y0Z平面内水银球相对于0点偏移角度b，即被测试目标平面三位偏移方向为：

X0Z平面偏移角度： $a=2\mathrm{\π}\·\frac{\mathrm{Ua}}{U}---\left(2\right)$

Y0Z平面偏移角度： $b=2\mathrm{\π}\·\frac{\mathrm{Ub}}{U}---\left(3\right)$

数据结论(注意：三维坐标系是在被测物体上面建立的)：

(1) $a\∈(0,\frac{\mathrm{\π}}{2}),$ $b\∈(\frac{3\mathrm{\π}}{2},2\mathrm{\π})$

法向量n1朝第一卦限，其投影在Z0Y平面坐标系中在第二象限与0Z夹角为2π-b，在Z0X平面坐标系中在第一象限与0Z夹角为a。

(2) $a\∈(0,\frac{\mathrm{\π}}{2}),$ $b\∈(0,\frac{\mathrm{\π}}{2})$

法向量n1朝第二卦限，其投影在Z0Y平面坐标系中在第一象限与0Z夹角为b，在Z0X平面坐标系中在第一象限与0Z夹角为a。

(3) $a\∈(\frac{3\mathrm{\π}}{2},2\mathrm{\π}),$ $b\∈(0,\frac{\mathrm{\π}}{2})$

法向量n1朝第三卦限，其投影在Z0Y平面坐标系中在第一象限与0Z夹角为b，在Z0X平面坐标系中在第二象限与0Z夹角为2π-a。

(4) $a\∈(\frac{3\mathrm{\π}}{2},2\mathrm{\π}),$ $b\∈(\frac{3\mathrm{\π}}{2},2\mathrm{\π})$

法向量n1朝第四卦限，其投影在Z0Y平面坐标系中在第二象限与0Z夹角为2π-b，在Z0X平面坐标系中在第二象限与0Z夹角为a。

(5) $a\∈(\frac{\mathrm{\π}}{2},\mathrm{\π}),$ $b\∈(\frac{\mathrm{\π}}{2},\mathrm{\π})$

法向量n1朝第五卦限，其投影在Z0Y平面坐标系中在第三象限与0Z夹角为π-b，在Z0X平面坐标系中在第四象限与0Z夹角为2π-a。

(6) $a\∈(\frac{\mathrm{\π}}{2},\mathrm{\π}),$ $b\∈(\mathrm{\π},\frac{3\mathrm{\π}}{2})$

法向量n1朝第六卦限，其投影在Z0Y平面坐标系中在第四象限与0Z夹角为π-b，在Z0X平面坐标系中在第四象限与0Z夹角为2π-a。

(7) $a\∈(\mathrm{\π},\frac{3\mathrm{\π}}{2}),$ $b\∈(\mathrm{\π},\frac{3\mathrm{\π}}{2})$

法向量n1朝第六卦限，其投影在Z0Y平面坐标系中在第四象限与0Z夹角为b-π，在Z0X平面坐标系中在第三象限与0Z夹角为a-π。

(8) $a\∈(\mathrm{\π},\frac{3\mathrm{\π}}{2}),$ $b\∈(\frac{\mathrm{\π}}{2},\mathrm{\π})$

法向量n1朝第六卦限，其投影在Z0Y平面坐标系中在第三象限与0Z夹角为π-b，在Z0X平面坐标系中在第三象限与0Z夹角为a-π。

(9)a＝0，

法向量在Z0Y平面坐标系中第一象限。与0Z轴夹角为b。

(10)a＝0，法向量在Z0Y平面坐标系中第二象限。与0Z轴夹角为2π-b。

(11)a＝π，

法向量在Z0Y平面坐标系中第三象限。与0Z轴夹角为b-π。

(12)a＝π，

法向量在Z0Y平面坐标系中第四象限。与0Z轴夹角为π-b。

(13)

b＝0，法向量在Z0X平面坐标系中第一象限。与0Z轴夹角为a。

(14)

b＝0，法向量在Z0X平面坐标系中第二象限。与0Z轴夹角为2π-a。

(15)

b＝π，法向量在Z0X平面坐标系中第三象限。与0Z轴夹角为a-π。

(16)

b＝π，法向量在Z0X平面坐标系中第四象限。与0Z轴夹角为π-a。

2.加速度传感器

本装置作为加速度传感器时，基本构造与三维方向传感器构造一样，根据在加速过程中水银球不同方向的偏角得到相应的加速度大小以及方向，作为加速度传感器时，只适合测试水平面运动的的加速大小在一定范围的物体，实际过程中只针对2组数据进行处理即可。如图7所示图形中，根据a，b两个相互垂直的三维方向传感器暨加速度传感器，两个配件分别垂直于地面。假设某一时刻，水银球偏向如图8所示：

由(2)(3)知X0Z平面偏移角度为

或者Y0Z平面偏移角度为 $b=2\mathrm{\π}\·\frac{\mathrm{Ub}}{U}$ 或者 $b=2\mathrm{\π}(1-\frac{\mathrm{Ub}}{U})$

由于物体做的水平面加速运动容易求出加速度在X0Z平面与Y0Z平面分量大小分别为：a_X0Z＝gtana，a_Y0Z＝gtanb，因此被测物体合加速度大小为：

$a=g\sqrt{{\tan }^{2}a+{\tan }^{2}b}---\left(4\right)$

方向：相对目前建立坐标系方向在X0Y平面与0X正方向夹角为：

(1) $a\∈(\frac{3\mathrm{\π}}{2},2\mathrm{\π}),$ $b\∈(\frac{3\mathrm{\π}}{2},2\mathrm{\π})$

在X0Y平面第一象限与0X正方向夹角为

(2) $a\∈(0,\frac{\mathrm{\π}}{2}),$ $b\∈(\frac{3\mathrm{\π}}{2},2\mathrm{\π})$

在X0Y平面第二象限与0X正方向夹角为

(3) $a\∈(0,\frac{\mathrm{\π}}{2}),$ $b\∈(0,\frac{\mathrm{\π}}{2})$

在X0Y平面第三象限与0X正方向夹角为

(4) $a\∈(\frac{3\mathrm{\π}}{2},2\mathrm{\π}),$ $b\∈(0,\frac{\mathrm{\π}}{2})$

在X0Y平面第三象限与0X正方向夹角为

(5)a＝0

在X0Y平面Y轴上面

(6)b＝0

在X0Y平面X轴上面

(7)a＝0，b＝0

匀速直线运动或者静止

三维方向传感器暨加速度传感器作为三维方向传感器时，可以精确测出静止、匀速运动或者加速度很小的物体偏移的三维角度。作为加速度传感器时，可以精确测出平动的且加速度变化较小的物体的加速度。

本传感器使用简单方便，成本低廉，测试数据精确，适合推广使用。

本发明实施例提供的三维方向测试装置，三维方向测试传感器11采集被测物体的三维运动信息，将被测物体的三维运动信息转换成电信号，数据处理终端12接收三维方向测试传感器11输出的电信号，经数据处理后，获得被测物体三维运动方向或者加速度大小方向，三维方向测试传感器11由三个三维方向传感器暨加速度传感器构成，三个三维方向传感器暨加速度传感器所在的平面相互垂直，三个三维方向传感器暨加速度传感器在使用时只使用其中两个，两个三维方向传感器暨加速度传感器返回的电信号组成数组，数组与测试方向或加速度大小方向成一一对应关系，数据经过处理，即可得出对应被测物体三维方向或者加速度大小方向；该三维方向测试装置结构简单、成本低廉、误差小、精度高，具有较强的推广与应用价值。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种三维方向测试装置，其特征在于，该三维方向测试装置包括：

三维方向测试传感器，用于采集被测物体的三维运动信息，将被测物体的三维运动信息转换成电信号，并对电信号进行输出；

数据处理终端，与所述三维方向测试传感器相连接，用于接收所述三维方向测试传感器输出的电信号，经数据处理后，获得被测物体三维运动方向或者加速度大小方向。

2.如权利要求1所述的三维方向测试装置，其特征在于，所述三维方向测试传感器由第一三维方向传感器暨加速度传感器、第二三维方向传感器暨加速度传感器、第三三维方向传感器暨加速度传感器构成，第一三维方向传感器暨加速度传感器、第二三维方向传感器暨加速度传感器、第三三维方向传感器暨加速度传感器所在的平面相互垂直。

3.如权利要求2所述的三维方向测试装置，其特征在于，第一三维方向传感器暨加速度传感器、第二三维方向传感器暨加速度传感器、第三三维方向传感器暨加速度传感器在使用时只使用其中两个，两个三维方向传感器暨加速度传感器返回的电信号组成数组，数组与测试方向或加速度大小方向成一一对应关系，数据经过处理，即可得出对应被测物体三维方向或者加速度大小方向。

4.如权利要求2所述的三维方向测试装置，其特征在于，所述第一三维方向传感器暨加速度传感器、第二三维方向传感器暨加速度传感器及第三三维方向传感器暨加速度传感器均呈圆环状。

5.如权利要求2所述的三维方向测试装置，其特征在于，所述第一三维方向传感器暨加速度传感器、第二三维方向传感器暨加速度传感器及第三三维方向传感器暨加速度传感器均包括：环状薄金属片、裸电阻丝、玻璃外壳、导电液、电源端口、信号端口；

所述导电液放置在所述裸电阻丝与环状薄金属片之间的凹槽中，环状薄金属片可以用低阻率金属丝替代，所述裸电阻丝与所述环状薄金属片的位置可以互换，所述裸电阻丝及环状薄金属片固定在所述玻璃外壳上；

所述裸电阻丝上设置有所述电源端口，所述环状薄金属片上设置有所述信号端口。

6.如权利要求5所述的三维方向测试装置，其特征在于，所述裸电阻丝上的电源端口所加的电压为恒定电压。

7.如权利要求5所述的三维方向测试装置，其特征在于，所述第一三维方向传感器暨加速度传感器、第二三维方向传感器暨加速度传感器及第三三维方向传感器暨加速度传感器中放置的为低电阻率的导电液。

8.如权利要求7所述的三维方向测试装置，其特征在于，所述导电液可采用水银。

9.如权利要求5所述的三维方向测试装置，其特征在于，导电液在外力作用下流动，与裸电阻丝不同位置连接形成回路，信号端口输出对应电信号。

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