CN105891544B - 仿耳石器结构的直线加速度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种仿耳石器结构的直线加速度传感器，其构成，刚性壳体、柔性弹性体，固定在刚性壳体底部的多根并联在一起的含金属芯压电纤维，粘接在柔性弹性体顶端的刚性元件，连接刚性元件和外部刚性壳体的弹性元件，将含金属芯压电纤维的对称电极用两根导线引出，两根导线分别连接在电荷放大器输入端的正负极上，将整个装置固定在激振器上，激振器上下振动时，弹性元件伸缩随之带动刚性元件，这时柔性弹性体会发生弹性形变，含金属芯压电纤维也会产生弹性形变，包裹在柔性弹性体里的含金属芯压电纤维会得到一个冲击信号，由于压电效应，压电材料上的表面电极有电荷产生，由于电极位置的不同，电极上产生的电荷或电压是不同的。这样我们通过采集电极上的电荷信号，经数据处理分析，即可得其加速度信息。
Description
技术领域
本发明公开一种仿耳石器结构的直线加速度传感器，是一种能测量直线加速度、结构较简单、精度较高的新型传感器。
背景技术
作为前庭神经***组成部分之一的耳石器官与半规管一样，具有感受器，传导神经通路和控制中枢，它与半规管一样具有前庭眼动、前庭脊髓、前庭小脑、前庭植物神经***、前庭皮层通路及与之相应的反应。与半规管***不同的是，其适宜刺激不是角加速度，而是重力与直线加速度。耳石***功能可以分为三类：（1）感受空间方位及直线运动；（2）产生对头部直线加速度代偿性的眼球运动；（3）参与运动与平衡的协调。它在人体姿态平衡、空间定向中起重要作用，它的功能障碍是临床眩晕的重要原因之一。耳石功能评定不但对特殊职业者(如宇航人员、潜水员、体操运动员)有重要意义，而且对眩晕、前庭功能障碍的评定具有重要价值。
目前市场出售的直线加速度传感器，大都是基于惯性原理。由于该原理的局限性，决定了其测试环境要求高，而且成本高，很难满足检测直线加速度的要求。
发明内容
本发明是受到人体耳石器结构启发而设计的，要解决的技术问题是提供一种含金属芯压电纤维仿耳石器结构的直线加速度传感器，以克服现有技术的上述缺陷，该含金属芯压电纤维仿耳石器结构的直线加速度传感器能够把加速度变化转换成我们可以识别的电压信号，通过电压信号的大小可以判断直线加速度的大小和方向，通过电压值的变化检测出加速度的变化。
上述目的通过如下技术方案实现：一种仿耳石器结构的直线加速度传感器，其特征是，包括刚性壳体、多根并联在一起固定于刚性壳体底部的含金属芯压电纤维，所述刚性壳体内设有柔性弹性体，所述柔性弹性体包裹着含金属芯压电纤维表面，柔性弹性体的底部粘接在刚性壳体的底部，顶部粘接着有刚性元件，刚性元件和刚性壳体之间由弹性元件相连，含金属芯压电纤维的表面电极由导线引出。
所述刚性壳体为矩形槽或长圆形槽或圆形槽或方形槽或卵形槽，其材料为金属或复合材料。
所述含金属芯压电纤维结构为中间一根金属芯，外面包裹着压电材料，在压电材料部分纵向部分表面涂镀有表面电极，所述压电材料为PVDF或PVDF复合材料，表面电极为金属薄层或导电胶，含金属芯压电纤维的表面电极由导线引出，导线为直径为0.1mm的铜丝或铝丝。
所述弹性元件为弹簧或橡皮筋。
所述柔性弹性体为软体胶或硅胶或硅橡胶。
本发明结构合理简单、生产制造容易、使用方便，通过本发明，仿耳石器结构的直线加速度传感器，其构成：刚性壳体、柔性弹性体、固定在刚性壳体底部的多根并联在一起的含金属芯压电纤维、粘接在柔性弹性体顶端的刚性元件、连接刚性元件和外部刚性壳体的弹性元件。使用时，引出含金属芯压电纤维表面电极的两根导线分别连接在电荷放大器输入端的的正负极上，将整个装置固定在激振器上，激振器上下振动时，弹性元件伸缩随之带动刚性元件振动，这时柔性弹性体会发生弹性形变，含金属芯压电纤维也会产生弹性形变，包裹在柔性弹性体里的含金属芯压电纤维会得到一个冲击信号，由于压电效应，压电材料上的表面电极有电荷产生，由于电极位置的不同，电极上产生的电荷或电压是不同的。这样我们通过采集电极上的电荷信号，经数据处理分析，即可得其加速度信息。
本发明中，刚性壳体为矩形槽或长圆形槽或圆形槽或方形槽或卵形槽，其材料为金属或复合材料，弹性元件为弹簧或橡皮筋，柔性弹性体为软体胶或硅胶或硅橡胶。且含金属芯压电纤维结构为中间一根金属芯，外面包裹着压电材料，在压电材料部分纵向部分表面涂镀有表面电极，所述压电材料为PVDF或PVDF复合材料，表面电极为金属薄层或导电胶，含金属芯压电纤维的表面电极由导线引出，导线为直径为0.1mm的铜丝或铝丝。
因此，本发明的技术方案可以具体表述为：
仿耳石器结构的直线加速度传感器，由包裹在硅橡胶里的多根并联含金属芯压电纤维、刚性元件、弹簧、刚性壳体及引出含金属芯压电纤维的表面电极的导线组成。使用时，引出含金属芯压电纤维表面电极的两根导线分别连接在电荷放大器输入端的的正负极上，将其整体固定在激振器上，激振器上下振动时，弹簧伸缩随之带动刚性元件，这时硅橡胶会发生弹性形变，含金属芯压电纤维也会产生弹性形变，包裹在硅橡胶里的含金属芯压电纤维就会得到一个冲击信号，由于压电效应，压电材料上的表面电极有电荷产生，由于电极位置的不同，电极上产生的电荷或电压是不同的。这样我们通过采集电极上的电荷信号，经数据处理分析，即可得其加速度信息。
全球传感器应用的市场每年为1000亿美元，本发明仿耳石器结构的直线加速度传感器的使用，将带来较大的经济效益和社会效益。
通过上述技术方案，本发明的多电极含金属芯压电聚合物纤维组合式传感器可以看作为一种能够测量直线加速度并且结构比较简单，测量精度较高的传感器。
本专利所设计的仿耳石器结构的直线加速度传感器，因其含金属芯压电纤维非常灵敏，对测试环境要求不高，而且成本较低。
本专利提供的仿耳石器结构的直线加速度传感器是根据压电效应原理来设计的，它可以改善之前一些传统直线加速度传感器的一些弊端，给直线加速度传感器的发明设计提供了一个新的思路和方法。同时本发明也是仿照耳石器官的发明设计，比较适合医疗设备和临床医学研究等。
附图说明
图1是本发明仿耳石器结构的直线加速度传感器的结构示意图。
图2是本发明中含金属芯压电纤维的结构示意图。
图中：1刚性元件、2弹性元件、3柔性弹性体、4刚性壳体、5含金属芯压电纤维、6表面电极、7压电材料、8金属芯、9导线。
具体实施方式
下面结合附图以及附图说明对本发明做进一步的说明。
多根并联在一起的含金属芯压电纤维5固定在一个刚性壳体4的底部，柔性弹性体3包裹着压电纤维表面，柔性弹性体3为硅橡胶；在柔性弹性体3的底部粘接在刚性壳体4的底部，顶部粘接着一个刚性元件1，刚性元件1和刚性壳体4之间由弹性元件2相连，弹性元件2为弹簧，含金属芯压电纤维的表面电极6由导线9引出，其整体为仿耳石器结构。使用时，引出含金属芯压电纤维表面电极的两根导线分别连接在电荷放大器输入端的的正负极上，将其整体固定在激振器上，当激振器工作时，激振器上下振动，弹性元件2伸缩随之带动刚性元件，这时柔性弹性体3会发生弹性形变，含金属芯压电纤维5也会产生弹性形变，包裹在柔性弹性体3里的含金属芯压电纤维5将会得到一个冲击信号，由于压电效应，压电材料7表面电极有电荷产生，由于电极位置的不同，电极上产生的电荷或电压是不同的。这样我们通过纤维的极性和数值就可以判断直线加速度的方向和大小。
选择地，该多电极含芯压电聚合物纤维仿耳石器直线加速度传感器是由多根并联在一起的含金属芯压电纤维5固定在一个刚性壳体4的底部，柔性弹性体3包裹着含金属芯压电纤维5表面，柔性弹性体3的底部粘接在刚性壳体4的底部，顶部粘接着一个刚性元件1，刚性元件1和刚性壳体4之间由弹性元件2相连而构成的。
选择地，所述刚性壳体4为矩形槽、长圆形槽、圆形槽、方形槽、卵形槽，其材料为金属或复合材料。
选择地，所述含金属芯压电纤维5结构为中间一根金属芯8，外面包裹着压电材料7，在压电材料7部分纵向部分表面涂镀有表面电极6，压电材料7为PVDF或PVDF复合材料，表面电极6为金属薄层或导电胶，含金属芯压电纤维的表面电极6由导线9引出，导线9为直径为0.1mm的铜丝或铝丝。
选择地，所述弹性元件2为弹簧或橡皮筋。
选择地，所述柔性弹性体3为软体胶或硅胶或硅橡胶。
如图1所示，将仿耳石器结构固定激振器上，并且将含金属芯压电纤维5中的两根导线分别连接到电荷放大器输入端的正负极两端，将电荷放大器的输出端和数据采集卡连接上，再将数据采集卡连接到电脑上，当激振器工作时，激振器上下振动，弹性元件2伸缩随之带动刚性元件1，这时硅橡胶3会发生弹性形变，含金属芯压电纤维5也会产生弹性形变，包裹在柔性弹性体3里的含金属芯压电纤维5会得到一个冲击信号，由于压电效应，压电材料7上的表面电极6有电荷产生，由于电极位置的不同，电极上产生的电荷或电压是不同的。这样我们通过采集电极上的电荷信号，经数据处理分析，即可得其加速度信息。
Claims (5)
1.一种仿耳石器结构的直线加速度传感器，其特征是，包括刚性壳体（4）、多根并联在一起固定于刚性壳体（4）底部的含金属芯压电纤维（5），所述刚性壳体（4）内设有柔性弹性体（3），所述柔性弹性体（3）包裹着含金属芯压电纤维（5）表面，柔性弹性体（3）的底部粘接在刚性壳体（4）的底部，顶部粘接着有刚性元件（1），刚性元件（1）和刚性壳体（4）之间由弹性元件（2）相连。
2.根据权利要求1所述的一种仿耳石器结构的直线加速度传感器，其特征是，所述刚性壳体（4）为矩形槽或长圆形槽或圆形槽或卵形槽，其材料为金属或复合材料。
3.根据权利要求1所述的一种仿耳石器结构的直线加速度传感器，其特征是，所述含金属芯压电纤维（5）结构为中间一根金属芯（8），外面包裹着压电材料（7），在压电材料（7）部分纵向部分表面涂镀有表面电极（6），所述压电材料（7）为PVDF或PVDF复合材料，表面电极（6）为金属薄层或导电胶，含金属芯压电纤维的表面电极（6）由导线（9）引出，导线（9）为直径为0.1mm的铜丝或铝丝。
4.根据权利要求1所述的一种仿耳石器结构的直线加速度传感器，其特征是，所述弹性元件（2）为弹簧或橡皮筋。
5.根据权利要求1所述的一种仿耳石器结构的直线加速度传感器，其特征是，所述柔性弹性体（3）为软体胶。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |