CN202815011U - 电阻式六自由度加速度传感器 - Google Patents

Abstract

一种电阻式六自由度加速度传感器，利用传感器产生加速度使导体指针及弹性滑动变阻器因惯性发生相对传感器内壁的运动，从而改变接入电路中的阻值，得出传感器附着刚体的加速度情况。本实用新型在一空心不绝缘半球体球形容器球心处的弹性连结点的位置，用固定位置的弹性导电材料连接一导体指针的一端，且导体指针的另一端接触于上半球体空腔的电阻内表面***。两个该半球容器底面相对放置，中间加入圆柱形弹性滑动变阻器以连通两半球。工作时，传感器附着的刚体产生加速度时，由导体指针相对于上半球体空腔的电阻内表面的惯性运动，以及弹性滑动变阻器的运动，改变接入电路中电阻的阻值，仅处理一个数据即可得出刚体的加速度情况。本实用新型数据处理简单，成本低廉，可靠性高，便于大规模应用。

Description

电阻式六自由度加速度传感器

技术领域

本实用新型属于电子元件传感器领域，涉及一种利用惯性加速度原理制造的全新的加速度传感器，可应用于人工智能、电力、电子、化工、机械、交通、自动化、军事工业等行业中对仪器、设备运动的监测、描述、保护，可对运动的描述提供一种更为简便且经济实用的监测方法。 

背景技术

加速度传感器是用来将加速度这一物理信号转变成便于测量的电信号的测试仪器。常见的有差容式力平衡加速度传感器、压电式加速度传感器等。差容式力平衡加速度传感器是把被测的加速度转换为电容器的电容量变化。实现这种功能的方法有变间隙，变面积，变介电常量三种，其对绝缘电阻的要求较高，并且寄生电容(引线电容及仪器中各元器件与极板间电容等)不可忽视。压电式加速度传感器主要利用不存在对称中心的异极晶体加在其上的外力除了使晶体发生变形以外，还将改变晶体的极化状态，在晶体内部建立电场，这种由于机械力作用使介质发生发生极化。常见有硅微加速度传感器，但其频率影响范围窄、需要复杂信号处理电路。 

还有很多其它方法来制作加速度传感器，比如压阻技术，电容效应，热气泡效应，光效应，但是其最基本的原理都是由于加速度产生某个介质产生变形，通过测量其变形量并用相关电路转化成电压输出。 

但以上各种传感器共有的缺点是测量方向单一，实际应用中需组合起来使用，无形中增加了成本，且数据处理量较大。比如利用微机电***技术将多个单轴的电容式、压阻式、压电式和其他原理的加速度传感器集成到单块硅片上实现多维加速度传感。这种方法提高了加速度传感器的微小化程度，但是降低了加速度传感器的机械精度，难以承受较大的过载。利用粘贴在膜片上的应变片的组合实现6维加速度传感。这种分析方法复杂，加速度解耦困难，目前还没有很完整的分析。采用静电超导原理实现6维加速度传感。只能用于微重力环境下，比较复杂，成本也较高。采用多只单轴加速度传感器进行组合实现六维加速度传感。其基本原理是通过固定在同一刚体上的多只单轴加速度传感器的输出分离出刚体沿空间惯性坐标系三个正交轴向的线加速度a_i和角加速度ω_i，通过计算得到6维的加速度。 

本文提出并研究了一种基于半球与圆柱组合结构的6维加速度传感器的原理，将4只不同型号的单值传感器首尾相连固定于刚体上，通过三者合成数值的运算计算出当前刚体 在六个自由度的加速度情况。 

发明内容

本实用新型鉴于上述问题而提出，目的在于提供一种更为简便的加速度传感器，可检测六个自由度的加速度信号，其不会降低检测振动的灵敏度，主要靠简单的程序处理一个数值信号便可得到六个自由度的加速度情况。 

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种电阻式六自由度单值传感器在一空心导体半球体球形容器的球心处，通过一弹性连结点伸出一根有一定质量的与半径等长的导体指针，即用弹性导电材料固定一导体指针，与半球容器壁接触始终相连且可绕弹性连结点在球形空间内自由转动，该导体指针可因容器的加速运动而相对球形容器运动，从而使电流流经容器表面不同位置。两个相同半球结构相同且对称放置，两半球中间加入圆柱形的弹性滑动变阻器结构，使两半球球心连通，同时可因垂直于半球地面方向的加速度而改变其阻值，从而测量在该方向的线加速度分量。电流可从一半球顶端流经该半球导体指针、弹性滑动变阻器、另一半球导体指针，并从另一半球顶端流出。球形容器外部结构根据需要调节其形状，使导体指针在不同位置时得到不同的电阻值。单个本实用新型为一组，可测量三维线加速度；两个本实用新型构成一组，首尾相连置于刚体上，各传感器导体指针在同一位置时各个电阻阻值呈一定互补关系，根据互相间的间隔及二者导体指针位置的不同可得出三维线加速度及三维角加速度，不能测量两个本实用新型恰好位于刚体运动圆周上的角加速度；四个本实用新型构成一组，不都位于任何圆周上排列于刚体上且首尾相连形成一条通路，根据互相间的间隔及四者导体指针位置的不同得出的电压大小不同可计算出六个加速度量。实际应用中，使该传感器附着在待测刚体上，并与其保持相对静止，传感器加速度即为刚体加速度。 

1、在上述方案中，在一组传感器静止时，其导体指针位置及弹性变阻器组合得到的电阻阻值下的电压值，经计算可转换为当前受到的重力加速度，并以此为起点通过坐标变换跟踪之后的运动。 

2、在上述方案中，传感器通过不绝缘球形容器外部引入的导线使传感器带电，该电量已知。 

由于上述技术方案的应用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点： 

1、由于本实用新型的采用，利用电阻的变化得到明显的单一数字信号，使得相应的信号处理简单易用，并且极大降低了生产成本，提高了***的可靠性。 

2、本实用新型结构原理简单，制造与应用十分方便，便于广泛大规模应用。 

附图说明

下面基于附图来详细描述本实用新型的实施方式，附图中： 

附图1是单个传感器的主视图。 

附图2是多个传感器空间形状(不包括半球体空腔电阻外部形状)及实际使用时的空间分布及导线连接图。 

以上附图中：1为上半球体空腔的电阻，6为下半球体空腔的电阻，5为柱状电阻，形状及电阻大小根据情况而定；2导体指针；3弹性连结点；4弹性滑动变阻器；7导线，与外壳相连不与导体指针相连；8空心腔体； 

其中，粗黑线是大致模拟电流流向。 

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步详述： 

参照附图1，本实施方式在一空心不绝缘半球体球形容器球心处的弹性连结点3的位置，用固定位置的弹性导电材料连接一导体指针2的一端，且导体指针2的另一端接接触于上半球体空腔的电阻1的内表面并可在此表面运动。两个该半球容器底面相对放置，中间加入弹性滑动变阻器4以连通两半球体空腔电阻，弹性滑动变阻器4可因其所在轴向的加速度而改变其伸长，从而改变柱状电阻5接入电路中的阻值。电流从导线7进入，流经下半球体空腔的电阻6、下半球指针、柱状电阻5、导体指针2、上半球体空腔的电阻1，再从上一半球导线流出。使用时，上半球体空腔的电阻1、柱状电阻5、下半球体空腔的电阻6的形状及阻值可根据需要自行设计。传感器附着的刚体产生加速度时，由导体指针2相对于上半球体空腔的电阻1的内表面及下半球体空腔电阻6的内表面产生惯性运动，以及弹性滑动变阻器4的运动，改变接入电路中电阻的阻值，通过一个数据可得出刚体的加速度情况。 

参照附图2，本实施方式利用多个不同型号的本发明附着于刚体上的位置不同，当刚体拥有角加速度时不同位置有不同的线加速度值，所以不同传感器的指针位置及弹性变阻器阻值可能有所不同，根据此不同可计算出角加速度值。 

Claims (5)

1.一种电阻式六自由度加速度传感器，其特征是在一空心不绝缘半球体球形容器球心处的弹性连结点（3），用弹性导电材料固定一导体指针（2），两个该半球容器底面相对放置，中间加入圆柱形弹性滑动变阻器结构（4）以连通两半球，使电流能从下半球的导线（7）进入，流经部分下半球体空腔的电阻（6）、下半球指针、柱状电阻（5）接入电路的部分、上半球的导体指针（2）、部分上半球体空腔的电阻（1），再从上一半球导线流出。 

2.如权利要求1所述的电阻式六自由度加速度传感器，其特征是导线与上半球体空腔的电阻（1）外部固定处相连，导体指针（2）与上半球体空腔的电阻（1）内部始终相连。 

3.如权利要求1所述的电阻式六自由度加速度传感器，其特征是弹性连结点（3）始终位于球心处，且连接导体指针（2）的一端，使导体指针（2）另一端能在上半球体空腔的电阻（1）内表面运动。 

4.如权利要求1所述的电阻式六自由度加速度传感器，其特征是弹性滑动变阻器（4）可因其所在轴向的加速度而改变其伸长，从而改变柱状电阻（5）接入电路中的阻值。 

5.如权利要求1所述的电阻式六自由度加速度传感器，其特征是上下半球体结构相同且对称。 

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