CN101294980A - 一种压电式六维加速度传感器 - Google Patents

Abstract

一种压电式六维加速度传感器。该传感器包括带安装盘的基座，带插座的壳体，固定地安装在该壳体内的基座安装盘之上的测力计、绝缘电极板和惯性质量块，以及连接绝缘电极板与插座的信号引线。本发明的测力计由均匀布置在一个参考圆圆周上的十六片石英晶片构成。包括有对称布置的四片X0°切型石英晶片和十二片Y0°切型石英晶片。其中，间隔布置的Y0°切型石英晶片并连形成一路输出信号，余下的对称布置的Y0°切型石英晶片连接形成两路输出信号，四片X0°切型石英晶片各形成一路输出信号。本发明具有结构简单、易于小型化和微型化、制造成本低、无需解耦运算的优点，是动态特性好的直接输出型的六维加速度传感器。

Description

一种压电式六维加速度传感器

技术领域

本发明涉及加速度传感器，特别涉及六维加速度传感器。

背景技术

六维加速度传感器，也称为六轴加速度传感器，它用于测量空间的三维线加速度和三维角加速度，在机器人学、航空航天等多个领域都有广泛的应用。公告号为CN 1227535C的《一种双E型圆膜片十字梁结构的六轴加速度传感器》和公告号为CN 1908674A的《一种六轴加速度传感器的敏感元件的布局结构》就是两类六维加速度传感器的典型代表。前者属弹性体式，它主要由弹性体(双E型圆膜片十字梁结构)、测力计(厚膜力敏电阻)和转换电路构成。后者属组合式结构，它主要由六个特性相同的单轴加速度传感器和安装它们的有六条棱边的基座构成。在优越性方面，两者各有千秋。然而，前者的弹性体结构复杂，测力计的安装工艺要求高，各向耦合程度较高，在设计和使用中的计算量较大，无法精确定位测力计的安装位置。后者的体积较大、对各只单轴加速度传感器的一致性要求很高、它们的安装位置精度要求也较高，最后也还需要进行复杂的解耦运算。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种结构简单、易于小型化和微型化、制造成本低，无维间耦合、无需解耦运算、动态特性好的压电式六维加速度传感器。

解决所述技术问题的方案，是这样一种压电式六维加速度传感器。该传感器包括带安装盘的基座，罩装在该基座上的带插座的壳体，通过预紧螺栓固定地安装在该壳体内的基座安装盘之上的测力计、绝缘电极板和位于最上面的惯性质量块，以及连接绝缘电极板与插座的信号引线。本发明中的安装盘为圆盘，该安装盘与基座之间通过一段圆柱以三者同轴的状态联为一个整体，三者的公共轴线与预紧螺栓的轴线均与传感器的工作三维直角坐标系的Z轴共线。本发明的测力计由十六片石英晶片构成，这十六片石英晶片在所述传感器的工作三维直角坐标系的X、Y平面中，均匀布置于一个Z轴通过其圆心的参考圆的圆周上——其中，在该参考圆与X、Y轴的角平分线交点处，安置的是四片X0°切型石英晶片，其余的十二片石英晶片为Y0°切型石英晶片。四片X0°切型石英晶片的敏感轴垂直于该参考圆、且其敏感轴的方向一致；每一X0°切型石英晶片两侧紧邻的Y0°切型石英晶片的敏感轴与该参考圆相切、且其敏感轴的方向均按顺时针或者均按逆时针排列；在该参考圆与X、Y轴交点处的四片Y0°切型石英晶片的敏感轴对应重叠在所在的X轴或Y轴上、且这四片Y0°切型石英晶片的敏感轴的方向均与所对应的X轴或Y轴同向或者反向。本发明的绝缘电极板上，有与这十六片石英晶片一一对应的十六个电极——其中，与在X轴上的两片Y0°切型石英晶片所对应的电极连通、构成X向线加速度值的信号输出端；与在Y轴上的两片Y0°切型石英晶片所对应的电极连通、构成Y向的线加速度值的信号输出端；与每一X0°切型石英晶片两侧紧邻的Y0°切型石英晶片所对应的电极，以靠近X轴负向一侧的两片电极为首尾、依次串联构成Z向的角加速度值的信号输出端。与四片X0°切型石英晶片所对应的四个电极各自为一个待算信号输出端，这四个待算信号输出端的输出值通过加法运算，为Z向的线加速度值；位于Y轴负向一侧两个待算信号输出端的输出值之和，减去另两个待算信号输出端的输出值，为X向的角加速度值；位于X轴正向一侧两个待算信号输出端的输出值之和，减去另两个待算信号输出端的输出值，为Y向的角加速度值。

从方案中可以看出，由于本发明没有现有技术中的那种弹性体、也并非组合式结构，所以，与现有技术相比较，本发明具有结构简单、易于小型化和微型化、制造成本低优点。由于各石英晶片均采用在同一平面上对称布置，所以，与现有技术相比较，本发明不存在维间耦合，也就无需解耦运算，是刚度高、动态特性好的直接输出型的六维加速度传感器。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1——本发明中测力计的石英晶片布局图

图2——本发明中的绝缘电极板及其信号输出端连接图

图3——本发明的结构示意图

图4——图3的俯视图

图5——本发明输出信号处理框图

具体实施方式

一种压电式六维加速度传感器(参考图1、2、3、4、5)。该传感器包括带安装盘11的基座1，罩装在该基座1上的带插座17的壳体2，通过预紧螺栓固定地安装在该壳体2内的基座1安装盘11之上的测力计、绝缘电极板和位于最上面的惯性质量块4，以及连接绝缘电极板与插座17的信号引线5。在本发明中，其安装盘11为圆盘，该安装盘11与基座1之间通过一段圆柱12以三者同轴的状态联为一个整体，三者的公共轴线与预紧螺栓的轴线均与传感器的工作三维直角坐标系的Z轴共线。本发明的测力计j0由十六片石英晶片(j1～j16)构成，这十六片石英晶片(j1～j16)在所述传感器的工作三维直角坐标系的X、Y平面中，均匀布置于一个Z轴通过其圆心的参考圆的圆周上——其中，在该参考圆与X、Y轴的角平分线交点处，安置的是四片X0°切型石英晶片(j3、j7、j11、j15)，其余的十二片石英晶片为Y0°切型石英晶片(j1、j2、j4、j5、j6、j8、j9、j10、j12、j13、j14、j16)；四片X0°切型石英晶片(j3、j7、j11、j15)的敏感轴垂直于该参考圆、且其敏感轴的方向一致；每一X0°切型石英晶片(j3、j7、j11、j15)两侧紧邻的Y0°切型石英晶片(j2、j4、j6、j8、j10、j12、j14、j16)的敏感轴与该参考圆相切、且其敏感轴的方向均按顺时针或者均按逆时针排列；在该参考圆与X、Y轴交点处的四片Y0°切型石英晶片(j1、j5、j9、j13)的敏感轴对应重叠在所在的X轴或Y轴上、且这四片Y0°切型石英晶片(j1、j9与j5、j13)的敏感轴的方向均与所对应的X轴或Y轴同向或者反向。本发明的绝缘电极板6上，有与这十六片石英晶片(j1～j16)一一对应的十六个电极(d1～d16)——其中，与在X轴上的两片Y0°切型石英晶片(j1、j9)所对应的电极(d1、d9)连通、构成X向线加速度a_X值的信号输出端Q₁；与在Y轴上的两片Y0°切型石英晶片(j5、j13)所对应的电极(d5、d13)连通、构成Y向的线加速度a_Y值的信号输出端Q₃；与每一片X0°切型石英晶片(j3、j7、j11、j15)两侧紧邻的Y0°切型石英晶片(j2、j4、j6、j8、j10、j12、j14、j16)所对应的电极(d2、d4、d6、d8、d10、d12、d14、d16)，以靠近X轴负向一侧的两片电极(d2、d16)为首尾、依次串联构成Z向的角加速度a_θZ值的信号输出端Q₂。与四片X0°切型石英晶片(j3、j7、j11、j15)所对应的四个电极(d3、d7、d11、d15)各自为一个待算信号输出端(Q₄～Q₇)，这四个待算信号输出端(Q₄～Q₇)的输出值通过加法运算，为Z向的线加速度a_Z值；位于Y轴负向一侧两个待算信号输出端(Q₆、Q₇)的输出值之和，减去另两个待算信号输出端(Q₄、Q₅)的输出值，为X向的角加速度a_θX值；位于X轴正向一侧两个待算信号输出端(Q₆、Q₅)的输出值之和，减去另两个待算信号输出端(Q₄、Q₇)的输出值，为Y向的角加速度a_θY值。

本领域的技术人员清楚，除用信号引线5把绝缘电极板6上引出的各个信号输出端(Q₁～Q₇)与七个插座17对应连接之外，由于输出信号为电荷信号的原因，在各个插座17(插座1～插座7)之外，还应当与对应的电荷放大器(电荷放大器1～电荷放大器7)连接，将电荷信号转换为电压信号。显然，在与四个待算信号输出端(Q₄～Q₇)对应的电荷放大器(电荷放大器4～电荷放大器7)之后，还应当根据本发明提出的运算规则连接相应的加法器、乃至减法器(参考图5)。

为使披露更加清楚，现把本发明中的三维线加速度(a_X、a_Y、a_Z、)和三维角加速度(a_θX、a_θY、a_θZ)与各个信号输出端(Q₁～Q₇)测得电荷信号的对应关系，再用数学式描述如下：

$\left\{\begin{array}{c}{a}_X\∝Q_1\\ a_Y\∝Q_3\\ a_Z\∝(Q_4+Q_5+Q_6+Q_7)\\ a_{\mathrm{\θX}}\∝[(Q_7+Q_6)-(Q_4+Q_5)]\\ a_{\mathrm{\θY}}\∝[(Q_5+Q_6)-(Q_4+Q_7)]\\ a_{\mathrm{\θZ}}\∝Q_2\end{array}\right.$

在本具体实施方式中，所用预紧螺栓由一根双头螺栓71和螺母72组成(参考图3)。显然，在必要时，在该螺母72与惯性质量块4之间，还可以加上平垫圈和/或弹性垫圈(由于显见，图中未画)。与现有技术相同，在本具体实施方式中，在基座1的底部还设置有与传感器的工作三维直角坐标系的Z轴同轴的一个测量用安装螺孔(13)。

披露至此、并结合对本发明优越性的了解，本领域技术人员已经能够结合常规的制造与加工手段来实现本发明了。因此，以上具体实施方式也是以下各例的总述，在以下各例中与本总述相同的内容不赘述。

实施例1(参考图3、图4)：

本例是在总述部分的基础上，主要为电荷信号的可靠测得所作出的优化举例。在本例中，绝缘电极板6上的电极(d1～d16)位于该绝缘电极板6的一侧，该绝缘电极板6有其上的电极(d1～d16)相对、且呈镜像对称的两块。这两块绝缘电极板6上对应的信号输出端(Q₁～Q₃)和待算信号输出端(Q₄～Q₇)分别通过信号引线5与各自对应的插座17连接；本例的测力计j0被夹在这两块绝缘电极板6之间。其中，四片X0°切型石英晶片(j3、j7、j11、j15)的Y轴的延长线与传感器的工作三维直角坐标系的Z轴正交，且其Y轴的正向均沿所述参考圆离心或向心分布。

进一步讲，本例中绝缘电极板6由聚四氟乙烯圆环板、在该聚四氟乙烯圆环板上镀上的与构成测力计的十六片石英晶片(j1～j16)一一对应的电极(d1～d16)构成。该聚四氟乙烯圆环板的外径不大于安装盘11的外径，它的中间有让预紧螺栓(即本具体实施方式中的双头螺栓71)通过的通孔。

实施例2(参考图3、图4)：

本例是在总述部分或实施例1的基础上，为提高本发明工作可靠性的优化举例。在本例中，在各信号引线5之间填充有使它们各自固定并相互绝缘的绝缘填充材料8。不容置疑，该绝缘填充材料8是包括聚四氟乙烯填充材料在内的各种绝缘填充料。

Claims (5)

1、一种压电式六维加速度传感器，该传感器包括带安装盘(11)的基座(1)，罩装在该基座(1)上的带插座(17)的壳体(2)，通过预紧螺栓固定地安装在该壳体(2)内的基座(1)安装盘(11)之上的测力计、绝缘电极板和位于最上面的惯性质量块(4)，以及连接绝缘电极板与插座(17)的信号引线(5)，其特征在于，所述安装盘(11)为圆盘，该安装盘(11)与基座(1)之间通过一段圆柱(12)以三者同轴的状态联为一个整体，三者的公共轴线与预紧螺栓的轴线均与传感器的工作三维直角坐标系的Z轴共线；所述测力计(j0)由十六片石英晶片(j1～j16)构成，这十六片石英晶片(j1～j16)在所述传感器的工作三维直角坐标系的X、Y平面中，均匀布置于一个Z轴通过其圆心的参考圆的圆周上；其中，在该参考圆与X、Y轴的角平分线交点处，安置的是四片X0°切型石英晶片(j3、j7、j11、j15)，其余的十二片石英晶片为Y0°切型石英晶片(j1、j2、j4、j5、j6、j8、j9、j10、j12、j13、j14、j16)；四片X0°切型石英晶片(j3、j7、j11、j15)的敏感轴垂直于该参考圆、且其敏感轴的方向一致；每一X0°切型石英晶片(j3、j7、j11、j15)两侧紧邻的Y0°切型石英晶片(j2、j4、j6、j8、j10、j12、j14、j16)的敏感轴与该参考圆相切、且其敏感轴的方向均按顺时针或者均按逆时针排列；在该参考圆与X、Y轴交点处的四片Y0°切型石英晶片(j1、j5、j9、j13)的敏感轴对应重叠在所在的X轴或Y轴上、且这四片Y0°切型石英晶片(j1、j9与j5、j13)的敏感轴的方向均与所对应的X轴或Y轴同向或者反向；所述绝缘电极板(6)上有与这十六片石英晶片(j1～j16)一一对应的十六个电极(d1～d16)；其中，与在X轴上的两片Y0°切型石英晶片(j1、j9)所对应的电极(d1、d9)连通、构成X向线加速度(a_X)值的信号输出端(Q₁)，与在Y轴上的两片Y0°切型石英晶片(j5、j13)所对应的电极(d5、d13)连通、构成Y向的线加速度(a_Y)值的信号输出端(Q₃)，与每一片X0°切型石英晶片(j3、j7、j11、j15)两侧紧邻的Y0°切型石英晶片(j2、j4、j6、j8、j10、j12、j14、j16)所对应的电极(d2、d4、d6、d8、d10、d12、d14、d16)以靠近X轴负向一侧的两片电极(d2、d16)为首尾、依次串连构成Z向的角加速度(a_θZ)值的信号输出端(Q₂)；与四片X0°切型石英晶片(j3、j7、j11、j15)所对应的四个电极(d3、d7、d11、d15)各自为一个待算信号输出端(Q₄～Q₇)，这四个待算信号输出端(Q₄～Q₇)的输出值通过加法运算，为Z向的线加速度(a_Z)值；位于Y轴负向一侧两个待算信号输出端(Q₆、Q₇)的输出值之和，减去另两个待算信号输出端(Q₄、Q₅)的输出值，为X向的角加速度(a_θX)值；位于X轴正向一侧两个待算信号输出端(Q₆、Q₅)的输出值之和，减去另两个待算信号输出端(Q₄、Q₇)的输出值，为Y向的角加速度(a_θY)值。

2、根据权利要求1所述的压电式六维加速度传感器，其特征在于，所述绝缘电极板(6)上的电极(d1～d16)位于该绝缘电极板(6)的一侧，该绝缘电极板(6)有其上的电极(d1～d16)相对、且呈镜像对称的两块；这两块绝缘电极板(6)上对应的信号输出端(Q₁～Q₃)和待算信号输出端(Q₄～Q₇)分别通过信号引线(5)与各自对应的插座(17)连接；所述测力计(j0)被夹在这两块绝缘电极板(6)之间，其中，四片X0°切型石英晶片(j3、j7、j11、j15)的Y轴的延长线与传感器的工作三维直角坐标系的Z轴正交，且其Y轴的正向均沿所述参考圆离心或向心分布。

3、根据权利要求1或2所述的压电式六维加速度传感器，其特征在于，所述绝缘电极板(6)由聚四氟乙烯圆环板、在该聚四氟乙烯圆环板上镀上的与构成测力计的十六片石英晶片(j1～j16)一一对应的电极(d1～d16)构成；该聚四氟乙烯圆环板的外径不大于所述安装盘(11)的外径，它的中间有让所述预紧螺栓通过的通孔。

4、根据权利要求1或2所述的压电式六维加速度传感器，其特征在于，在各信号引线(5)之间填充有使它们各自固定并相互绝缘的绝缘填充材料(8)。

5、根据权利要求3所述的压电式六维加速度传感器，其特征在于，在各信号引线(5)之间填充有使它们各自固定并相互绝缘的绝缘填充材料(8)。

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