[发明专利]电磁平衡式加速度传感器

说明书

技术领域

本发明涉及加速度传感器，尤其是基于差分位移检测的闭环反馈控制悬丝支撑电磁平衡加速度传感器。

背景技术

传统加速度传感器分为压电式、压阻式、电容式、摆式等。压电式加速度传感器属于自发电式传感器，输出电荷同输入加速度呈正比，相对尺寸小，寿命长，但信号需要较大的放大，传感器本体易受温度影响，零位偏置不太理想；压阻式需要外加电源提供激励，测量频率可以低至0HZ，可以承受高冲击且没有零位偏置，但是最小分辨率相对欠理想；电容式加速度传感器随着体积逐渐减小电容面积受到限制，电子噪声严重等因素限制了精度的提高；摆式加速度传感器以其闭环控制的特殊优势一直保持着强劲的发展势头，先后出现多种摆式加速度传感器，有轴承支持式、液浮式、石英挠性式等，轴承支持式加速度传感器由于其轴承支持处存在阻力且有活动部件，因此其精度受限，且寿命取决于轴承寿命；液浮式加速度传感器相对受得较小的阻力，但是易受温度的影响；石英挠性加速度传感器由于其关键摆片由石英加工而成，因此其抗冲击性相对较低。

发明内容

本发明针对传统轴承式电磁平衡式加速度传感器支撑体易受阻力影响，挠性摆式加速度传感器抗冲击性能差等缺点，提出一种悬丝支撑电磁平衡加速度传感器的设计方案。

为了达到上述目的，本发明提出的电磁平衡式加速度传感器主要包含：力矩器系统、信号传感系统、伺服放大系统和外部支撑结构体。

力矩器系统包含力矩器动子和力矩器定子两个部分。

力矩器动子由线圈槽、动子线圈、接线板、导线和位移金属片组成，动子线圈通过钳装工艺按照固定方向绕线圈槽绕制成力矩器动子线圈。接线板固定于线圈槽一侧中心处，接线板通过两根导线将力矩器动子相对接线板另一侧动子线圈的中心悬置于动子线圈平面所在磁场的中间位置，在实现动子线圈同伺服放大系统电气连接的同时，也实现了力矩器动子同外部支撑结构体的物理连接的双重作用，使得动子线圈在敏感方向上除惯性力以外不受其他力的影响，进而达到最好的力学隔离。位移金属片固定在垂直于接线板所在的一边的线圈槽上较远离的一端处。位移金属片同线圈槽连为一体，位移金属片的相对位移正比于力矩器动子的相对旋转量。力矩器定子由一对永磁铁组成，其形成磁场方向同时垂直于动子线圈电流方向和力矩器动子的摆动方向。导线采用电阻率低，最大断裂应力大的材料。

信号传感器系统包含一个正弦激励信号发生电路、传感线圈和所述位移金属片。传感线圈通过外部支撑结构体分别固定于位移金属片的上下两个方向上且同位移金属片保持一定距离，传感线圈与正弦激励信号发生电路连接，当两个线圈同时通入正弦激励信号后，在位移金属片相对与两个线圈位移上下移动时，位移金属片在激励信号形成的交变磁场作用下产生电涡流。电涡流进一步影响传感线圈的电感量，在上下两个传感线圈及外围电路的作用下，最终形成差分位移检测电路。

伺服放大系统由比较放大器及其外围电路组成，实现对差分检测电路信号的放大并反馈给力矩器系统的作用。

外部支撑结构体为低线胀系数弱磁性的物理材料制备而成，主要实现对永磁体、力矩器动子和传感线圈的支撑固定功能。

当有加速度输入时，力矩器动子在惯性力的作用下以导线为支点发生小角度旋转，力矩器动子上的位移金属片将偏离平衡位置。此位移通过信号传感系统检测转变为电流信号并输出至伺服放大系统，经过伺服放大系统放大后输出至力矩器动子线圈中。通电线圈在力矩器定子产生的磁场中受到同时垂直于电流方向和磁场方向的安培力，在安培力的作用下力矩器动子产生反馈力矩。该力矩使得力矩器动子回归平衡位置，通过对伺服系统输出电流的检测即可实现对加速度的测量。

本发明采用电阻率低，最大断裂应力大的导线(如箔丝)支撑力矩器动子的双向检测闭环控制平衡式加速度兼顾了挠性摆式加速度传感器闭环控制高精度的优点。同时由于其合理的力学隔离设计方式使得该加速度传感器还具有零位稳定性高、无轴间干扰、抗冲击性能高等优点。且选材相对受温度影响较小，具有较小偏置温度系数，具有小体积芯片化的潜能，且不需准备时间。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述：

图1电磁平衡加速度传感器俯视图；

图2力矩器动子俯视图；

图3接线板侧视图；

图4力矩器动子与信号传感系统侧视图。

具体实施方式：

以下结合附图，对本发明的工作进行详细的描述。