[发明专利]电阻式六自由度加速度传感器

说明书

所属技术领域

本发明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，这科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，但其最基本的原理都是由于加速度使某个介质产生变形，通过测量其形变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。比如利用微机电系统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。采用多只单一自由度加速度传感器进行组合实现六维加速度传感器，其基本原理是通过固定在同一刚体上的多只单一自由度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a₁和角加速度ω₁，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

本发明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，本发明采用的技术方案是：一种电阻式六自由度单值传感器在一空心半球体导体容器的球心处，用弹性材料固定一根有一定质量的与半径等长的导体指针一端，指针另一端与半球容器内壁接触且可绕球心接点在球形空间内自由转动，该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。两个相同形状的半球相向放置，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，同时该结构可因其轴向的加速度而改变其伸长量，从而改变其接入电路中的阻值，得出该方向的线加速度分量。电流从一半球体外部导线经半球体流入，进而流经该半球指针、弹性滑动变阻器、另一半球指针，并从位于另一半球体外表面的导线流出。球形容器外部结构根据需要调节其形状，使指针在不同位置时得到不同的电阻值。单个本发明为一组，可测量三维线加速度；两个本发明构成一组，首尾相连置于刚体上，各传感器指针在同一位置时阻值呈一定互补关系，根据互相间的间隔及二者的共同阻值阻值可测量绝大部分六自由度加速度情况，不能测量两个本发明恰好位于刚体运动圆周上的角加速度；三个及以上本发明构成一组，使其附着于刚体上时排列结构为不都位于任何真实圆周上，且首尾相连形成一条通路，根据互相间的间隔及各者指针位置的不同得出的电压大小不同可计算出该刚体的六个加速度量。

1、在上述方案中，在一组传感器静止时，其指针位置及弹性变阻器组合得到的电阻阻值，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，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1、由于本发明的采用，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，提高了系统的可靠性。

2、由于本发明的采用，可极方便的通过电子计算机模拟出测量刚体的运动情况。