CN105526927A - 基于科里奥利力效应的平动速度或加速度传感装置及结构 - Google Patents

基于科里奥利力效应的平动速度或加速度传感装置及结构 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于科里奥利力效应的平动速度或加速度传感装置及结构，其中：驱动结构与电磁线圈相互作用，从而带动敏感磁结构体转动；当传感装置有满足科里奥利力产生条件的平动速度时，敏感磁结构体将产生偏摆；传感机构将该偏摆位移转换为输出电信号。本发明创新性的将功能敏感材料以及科里奥利效应用于平动速度及加速度检测，实现了一种新型的平动检测机理和方法,并能够用于实现无检测行程限制的往复平动检测手段。

Description

基于科里奥利力效应的平动速度或加速度传感装置及结构
技术领域
本发明涉及检测传感器技术领域，具体地，涉及一种基于科里奥利力效应的平动速度或加速度传感装置及其组合结构。
背景技术
根据牛顿力学的理论，以旋转体系为参照系，质点的直线运动偏离原有方向的倾向被归结为一个外加力的作用，该力即为科里奥利力，并定义为：式中为科里奥利力；m为质点质量；为质点运动速度；为旋转体系角速度。
现有的基于科里奥利力的检测传感器，例如公开号为103913158A，公开日为2014年07月09日，发明名称为《磁电式科里奥利力检测传感器》的中国专利申请，提供了一种磁电式科里奥利力检测传感器，该科里奥利力检测传感器，将质量块设置于壳体内部，基于科里奥利力效应，实现平转动体低速或高速的宽频转速的检测。
但是这些专利申请提出的检测传感器，均是针对转动检测，没有检测平动的，本发明创新的将功能敏感材料以及科里奥利效应用于平动检测。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种基于科里奥利力效应的平动速度或加速度传感装置及其组合结构。
根据本发明提供的一种基于科里奥利力效应的平动速度或加速度传感装置，包括壳体以及设置于壳体内部的驱动结构、敏感磁结构体、连接结构、磁屏蔽结构以及传感机构；
驱动结构通过连接结构对敏感磁结构体进行驱动；
磁屏蔽结构在驱动结构与敏感磁结构体之间进行磁屏蔽；
所述壳体作为平动体系；
所述驱动结构产生相对壳体的旋转运动，所述驱动结构的角速度为ω；
通过连接结构，敏感磁结构体同步于驱动结构转动；
所述传感机构用于采集敏感磁结构体在科氏力作用下发生偏摆所引发的磁电转化信号。
优选地，所述敏感磁结构体采用如下任一种结构：
-设置于刚性体内部且与刚性体连为一体的磁结构体；
-单体结构的磁结构体，采用永磁体或电磁体。
优选地，以所述壳体的速度v或者加速度a，以及基于时间参量的运动位移作为要检测的量。
优选地，所述敏感磁结构体采用永磁体，永磁体的磁极方向根据检测需求进行配置。
优选地，所述驱动结构产生旋转或往复摆转动；
所述驱动结构采用如下任一种结构：
-所述驱动结构采用永磁体，通过电磁线圈组驱动永磁体或电磁体；
-所述驱动结构采用电磁体，通过永磁体组驱动电磁体或永磁体；
-所述驱动结构采用电机以输出转动；
-所述驱动结构采用平转动机构及相匹配的传动齿轮、传动齿条或者传动皮带轮，形成往复摆转动；
所述驱动结构所需的电源采用电池，实现长行程的无电缆平动测量。
优选地，所述连接结构为驱动结构与敏感磁结构体的运动传递部件，且连接结构要有一定的柔度，所述一定的柔度是指在科氏力作用下能产生偏摆弹性变形。
优选地，所述磁屏蔽结构屏蔽驱动部分的磁场，以提高检测精度。
优选地，磁屏蔽结构将壳体内部空间分隔为第一容纳腔和第二容纳腔，所述驱动结构位于第一容纳腔内，所述敏感磁结构***于第二容纳腔内；
敏感磁结构体所处的第二容纳腔的侧壁内设有第三容纳腔，所述传感机构设置于所述第三容纳腔内；
所述传感机构采用如下任一种结构：
-传感机构包括相互接触的磁致应变体和力电材料，所述力电材料位于磁致应变体的上端和/或下端；
-传感机构包括相互接触的方向异型永磁结构体和力电材料，所述方向异型永磁结构体采用一个方向异型永磁单体或多个相互接触的方向异型永磁单体；所述力电材料位于方向异型永磁结构体的上端和/或下端；
-传感机构包括磁致应变体和力电材料，所述力电材料为薄膜或片体结构，并设置于磁致应变体的两侧面上，形成夹心结构；
-传感机构包括磁致应变体和力电材料；
所述磁致应变体包括：磁致伸缩材料、磁粒子摆动体、磁力移动体或巨磁阻材料；
所述力电材料包括：压电材料、压阻材料、压磁材料、碳纳米管或石墨烯材料。
所述力电材料可以为由碳纳米管、石墨烯材料中的任一者或两者的组合弹性结构材料组成的薄膜或片体或块体结构，并设置于磁致应变体的侧面或端部，形成磁致应变体变形时致使碳纳米管或石墨烯材料对应产生应变；
-传感机构采用巨磁阻材料体；
根据本发明提供的一种新型磁致应变体和力电材料传感器装置，包括力电材料部件和磁致应变体；
所述力电材料部件采用的力电材料为由碳纳米管、石墨烯材料中的任一者或两者的组合弹性结构材料组成的薄膜或片体或块体结构，并设置于磁致应变体的侧面或端部，形成相对周边磁场或电磁场变化下的磁致应变体变形时致使碳纳米管或石墨烯材料产生应变而实现的伸缩应变、磁场强度、电流强度或者电压强度的检测传感装置或***。
由于碳纳米管、石墨烯材料中的任一者或两者的组合弹性结构材料组成的薄膜或片体或块体结构具有极高的电阻应变比，即微小应变可产生极大的电阻变化，进而使由碳纳米管、石墨烯材料中的任一者或两者的组合弹性结构材料组成的薄膜或片体或块体结构体组成的电路具有极敏感的电参数(电压或电流的变化)，从而对应实现极微小应变的超精密应变传感器件。因此，所述力电材料为由碳纳米管、石墨烯材料中的任一者或两者的组合弹性结构材料组成的薄膜或片体或块体结构，可设置于磁致应变体的外侧面、或内部、或端部，形成相对磁致应变体周边磁场或电磁场变化下的导致磁致应变体变形时对应设置的碳纳米管或石墨烯类力电材料产生应变，致使检测出电信号变化。基于此，而实现的伸缩应变或磁场强度或电流/电压强度检测传感装置或***。
根据本发明提供的一种基于科里奥利力效应的平动速度或加速度传感装置的组合结构，包括多个上述的基于科里奥利力效应的平动速度或加速度传感装置，多个所述基于科里奥利力效应的平动速度或加速度传感装置呈阵列结构组合连接。
本发明还提供了一种基于科里奥利力效应的传感装置的组合结构，包括多个上述的基于科里奥利力效应的平动速度或加速度传感装置呈阵列结构组合连接以及基于科里奥利力效应的平动速度或加速度传感装置同现有公开的专利转动传感装置(例如公开号103913158A)的组合使用。
本发明的工作原理为：驱动结构带动敏感磁结构体旋转或者往复摆转动，即有相对于壳体的相对角速度ω；当壳体的平动速度(加速度)正交于该转动时，敏感磁结构体将受到科氏力的作用，进而产生正交于平动方向和转动方向的偏摆运动，由磁致应变和力电材料体组合而成的传感机构将感应该偏摆运动产生电信号。以此来实现基于科里奥利力效应实现平动体(壳体)的速度(加速度)的检测。由于当质点(敏感磁结构体)的质量m一定时，科里奥利力的值取决于平动体系(壳体)的速度和质点的角速度所以，当较小(平动速度慢)或较大(平动速度快)时，通过对应增加或减小质点转动速度即能够取得和之间优化对应的频谱关系，获得稳定的科里奥利力，使敏感磁结构体体相对传感机构空间位置发生变化，引起磁电信号的转换，进而对应得到慢速或快速平动的检测。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明基于科里奥利力效应，提供了不同的驱动模式，适用于不同信号特征检测需求；
2、本发明使用的敏感功能材料，相较于传统的传感机构(如电容)具有更高的抗干扰能力，可以在恶劣的环境中使用；
3、本发明实现了一种新型的平动检测机理和方法，并可以用于实现无检测行程限制的往复平动检测手段。
4、本发明实现了一种新型的平动检测机理和方法，可以进行刚性物体平动检测亦可进行流体平动检测。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的原理示意图；
图2为实施实例的结构示意图；
图中：
1为驱动结构，2为连接结构，3为壳体，4为传感机构，5为敏感磁结构体，6为磁结构体，7为电磁线圈，8为磁屏蔽结构，9为力电材料，10为磁致应变体；
v/a为待检测的平动速度/加速度,Fc为科里奥利力，vc为敏感磁结构体在科里奥利力作用下的偏摆速度，U为敏感功能材料输出的检测电信号，ω为驱动结构在电磁线圈作用下的转动或摆转动速度。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本实施实例提供了一种基于科里奥利力效应的平动速度或加速度传感装置，包括壳体以及设置于壳体内部的驱动结构、电磁线圈、敏感磁结构体、连接结构、磁屏蔽结构和传感机构，所述壳体作为平动体系，其速度为v，即要检测的量，在变化例中，检测的量可以是加速度a；所述驱动结构同电磁线圈组相互作用从而产生相对壳体的旋转或摆转动运动，其角速度为ω；通过连接结构，敏感磁结构体同步于驱动结构转动；所述传感机构用于采集敏感磁结构体在科氏力作用下发生偏摆所引发的磁电转化信号。其中：
所述磁结构体均采用永磁体体；
进一步地，所述驱动结构在工作状态下在电磁线圈组作用下往返摆动。
进一步地，敏感磁结构体采用永磁体时，其磁极方向可以根据检测需求进行配置：
-磁极方向同磁体偏摆方向相同；
-磁极方向同磁体偏摆方向垂直、同磁体旋转方向相同；
-磁极方向同磁体偏摆方向垂直、同待检测平动方向相同；
进一步地，所述连接结构为驱动结构与敏感磁结构体的运动传递部件，且连接结构要有一定的柔度，从而在科氏力作用下产生偏摆。
进一步地，所述磁屏蔽结构可以屏蔽驱动部分的磁场，以提高检测精度。
进一步地，磁屏蔽结构将壳体内部空间分隔为第一容纳腔和第二容纳腔，所述驱动结构位于第一容纳腔内，所述敏感磁结构***于第二容纳腔内；敏感磁结构体所处的第二容纳腔的侧壁内设有第三容纳腔，敏感磁结构体处的壳体侧壁内设有容纳腔，所述传感机构设置于所述第三容纳腔内；
所述传感机构采用如下结构：
-传感机构包括相互接触的磁致应变体(如磁致伸缩材料、磁粒子摆动体、磁力移动体或巨磁阻材料)和力电材料(如压电材料、压阻材料、压磁材料)，所述力电材料位于磁致应变体的上端和/或下端。
压磁材料是指：磁通过感应线圈产生电信号的材料。
进一步地，敏感磁结构体处壳体的两侧侧壁内均设有传感机构；当其中一组传感机构中的力电材料设置于磁致应变体的下端时，另外一组传感机构中的力电材料可以设置于磁致应变体的下端，也可以设置于磁致应变体的上端，当另外一组传感机构中的力电材料设置于磁致应变体的上端时，使传感机构所受感应信号更加均匀，能够更有效的感应磁场变化。
进一步地，敏感磁结构体的旋转或者往复偏摆本身就会使得传感机构产生电信号，但其频率特征不同于检测平动所产生的电信号，通过频率辨识可以提取出有效的检测信号。另一种方法是采用磁极方向同旋转方向一致的永磁体作为敏感磁结构体，这样磁体的旋转并不会产生交变的电信号。
进一步地，本发明实现了一种新型磁致应变体和力电材料传感器装置，包括力电材料部件和磁致应变体；所述力电材料部件采用的力电材料为由碳纳米管、石墨烯材料中的任一者或两者的组合弹性结构材料组成的薄膜或片体或块体结构，并设置于磁致应变体的侧面或端部，形成相对周边磁场或电磁场变化下的磁致应变体变形时致使碳纳米管或石墨烯材料产生应变而实现的伸缩应变、磁场强度、电流强度或者电压强度的检测传感装置或***。
由于碳纳米管、石墨烯材料中的任一者或两者的组合弹性结构材料组成的薄膜或片体或块体结构具有极高的电阻应变比，即微小应变可产生极大的电阻变化，进而使由碳纳米管、石墨烯材料中的任一者或两者的组合弹性结构材料组成的薄膜或片体或块体结构体组成的电路具有极敏感的电参数(电压或电流的变化)，从而对应实现极微小应变的超精密应变传感器件。因此，所述力电材料为由碳纳米管、石墨烯材料中的任一者或两者的组合弹性结构材料组成的薄膜或片体或块体结构，可设置于磁致应变体的外侧面、或内部、或端部，形成相对磁致应变体周边磁场或电磁场变化下的导致磁致应变体变形时对应设置的碳纳米管或石墨烯类力电材料产生应变，致使检测出电信号变化。基于此，而实现的伸缩应变或磁场强度或电流/电压强度检测传感装置或***。
进一步地，所述传感机构采集的磁电转化信号，通过如下任一种方式传输：
-电缆接触式；
-永磁非接触式；
-无线射频信号传输式。
本实施提供的基于科里奥利力效应的平动速度或加速度传感装置可以进行阵列组合，以实现多个自由度的检测。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种基于科里奥利力效应的平动速度或加速度传感装置，其特征在于，包括壳体以及设置于壳体内部的驱动结构、敏感磁结构体、连接结构、磁屏蔽结构以及传感机构；
驱动结构通过连接结构对敏感磁结构体进行驱动；
磁屏蔽结构在驱动结构与敏感磁结构体之间进行磁屏蔽；
所述壳体作为平动体系；
所述驱动结构产生相对壳体的旋转运动，所述驱动结构的角速度为ω；
通过连接结构，敏感磁结构体同步于驱动结构转动；
所述传感机构用于采集敏感磁结构体在科氏力作用下发生偏摆所引发的磁电转化信号。
2.根据权利要求1所述的基于科里奥利力效应的平动速度或加速度传感装置，其特征在于，所述敏感磁结构体采用如下任一种结构：
-设置于刚性体内部且与刚性体连为一体的磁结构体；
-单体结构的磁结构体，采用永磁体或电磁体。
3.根据权利要求1所述的基于科里奥利力效应的平动速度或加速度传感装置，其特征在于，以所述壳体的速度v或者加速度a，以及基于时间参量的运动位移作为要检测的量。
4.根据权利要求2所述的基于科里奥利力效应的平动速度或加速度传感装置，其特征在于，所述敏感磁结构体采用永磁体，永磁体的磁极方向根据检测需求进行配置。
5.根据权利要求1所述的基于科里奥利力效应的平动速度或加速度传感装置，其特征在于，所述驱动结构产生旋转或往复摆转动；
所述驱动结构采用如下任一种结构：
-所述驱动结构采用永磁体，通过电磁线圈组驱动永磁体或电磁体；
-所述驱动结构采用电磁体，通过永磁体组驱动电磁体或永磁体；
-所述驱动结构采用电机以输出转动；
-所述驱动结构采用平转动机构及相匹配的传动齿轮、传动齿条或者传动皮带轮，形成往复摆转动；
所述驱动结构所需的电源采用电池，实现长行程的无电缆平动测量。
6.根据权利要求1所述的基于科里奥利力效应的平动速度或加速度传感装置，其特征在于，所述连接结构为驱动结构与敏感磁结构体的运动传递部件，且连接结构要有一定的柔度，所述一定的柔度是指在科氏力作用下能产生偏摆弹性变形。
7.根据权利要求1所述的基于科里奥利力效应的平动速度或加速度传感装置，其特征在于，所述磁屏蔽结构屏蔽驱动部分的磁场，以提高检测精度。
8.根据权利要求1所述的基于科里奥利力效应的平动速度或加速度传感装置，其特征在于，磁屏蔽结构将壳体内部空间分隔为第一容纳腔和第二容纳腔，所述驱动结构位于第一容纳腔内，所述敏感磁结构***于第二容纳腔内；
敏感磁结构体所处的第二容纳腔的侧壁内设有第三容纳腔，所述传感机构设置于所述第三容纳腔内；
所述传感机构采用如下任一种结构：
-传感机构包括相互接触的磁致应变体和力电材料，所述力电材料位于磁致应变体的上端和/或下端；
-传感机构包括相互接触的方向异型永磁结构体和力电材料，所述方向异型永磁结构体采用一个方向异型永磁单体或多个相互接触的方向异型永磁单体；所述力电材料位于方向异型永磁结构体的上端和/或下端；
-传感机构包括磁致应变体和力电材料，所述力电材料为薄膜或片体结构，并设置于磁致应变体的两侧面上，形成夹心结构；
-传感机构包括磁致应变体和力电材料；
所述磁致应变体包括：磁致伸缩材料、磁粒子摆动体、磁力移动体或巨磁阻材料；
所述力电材料包括：压电材料、压阻材料、压磁材料、碳纳米管或石墨烯材料；
所述力电材料为由碳纳米管、石墨烯材料中的任一者或两者的组合弹性结构材料组成的薄膜或片体或块体结构，并设置于磁致应变体的侧面或端部，形成磁致应变体变形时致使碳纳米管或石墨烯材料对应产生应变；
-传感机构采用巨磁阻材料体。
9.一种新型磁致应变体和力电材料传感器装置，其特征在于，包括力电材料部件和磁致应变体；
所述力电材料部件采用的力电材料为由碳纳米管、石墨烯材料中的任一者或两者的组合弹性结构材料组成的薄膜或片体或块体结构，并设置于磁致应变体的侧面或端部，形成相对周边磁场或电磁场变化下的磁致应变体变形时致使碳纳米管或石墨烯材料产生应变而实现的伸缩应变、磁场强度、电流强度或者电压强度的检测传感装置或***。
10.一种基于科里奥利力效应的平动速度或加速度传感装置的组合结构，其特征在于，包括多个权利要求1至8中任一项所述的基于科里奥利力效应的平动速度或加速度传感装置，多个所述基于科里奥利力效应的平动速度或加速度传感装置呈阵列结构组合连接。
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