CN101477139A - 基于磁致伸缩与压电效应的无功耗加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种传感器技术领域的基于磁致伸缩与压电效应的无功耗加速度计，包括上永磁铁、下永磁铁、磁铁支板、右悬臂梁、左悬臂梁、上磁致伸缩体、下磁致伸缩体、上压电膜、下压电膜、加速度计固定框架。当有外界加速度时，由于惯性作用，永磁铁会在某一方向产生正向或反向的位移，致使经过磁致伸缩体的磁场强度发生改变。由于磁致伸缩效应，磁致伸缩体将产生相应的变形，并带动压电膜产生相应的变形。由于压电效应，压电膜表面将产生直流电压信号，信号的大小与外界加速度大小成正比，被作为外界加速度的检测信号。本发明的加速度计无功耗、结构简单、加工容易、不需要真空或特殊要求的封装，且检测信号为直流电压信号，检测便捷、可靠性高。

Description

基于磁致伸缩与压电效应的无功耗加速度计

技术领域

本发明涉及一种传感器技术领域的加速度计，具体是一种基于磁致伸缩与压电效应的无功耗加速度计。

背景技术

加速度计是轨迹跟踪、姿态控制和惯性制导等技术的核心器件。最近几十年对于加速度计的研究日益增多，大部分集中在电容式加速度计(工作原理利用了电容驱动或电容检测)。随着惯性技术的发展以及卫星、导弹等制导和民用加速度计需求的提高，对加速度计的要求也随之增多，例如功耗低、成本低、封装简单、能适应恶劣环境等。

经对现有技术的专利检索发现，专利《一种差动电容式微机械加速度计》，公开号CN101187674A；专利《框架结构差分电容式加速度传感器》，公开号授权公告号CN100425993C等加速度计都需要通过检测电容来检测外界加速度，其不足在于需要引进载波，增大功耗。许多传统的一些不需要检测电容，电阻的加速度计，又需要驱动，这将引入信号源，也增大功耗。而且大部分加速度计为了提高精度使得结构复杂，且需要真空封装等致使成本提高。

发明内容

本发明的目的是为了克服以上所述的不足，提出的一种基于磁致伸缩与压电效应的无功耗加速度计，该加速度计无功耗、结构简单、加工容易、不需要真空或特殊要求的封装，且检测信号为直流电压信号，检测便捷、可靠性高。

本发明是通过以下技术方案实现的，包括上永磁铁、下永磁铁、磁铁支板、右悬臂梁、左悬臂梁、上磁致伸缩体、下磁致伸缩体、上压电膜、下压电膜、加速度计固定框架。上永磁铁和下永磁铁是两块永磁铁，对称分布结合在磁铁支板的上下表面，磁铁支板通过右悬臂梁、左悬臂梁和加速度计固定框架连接实现固定，上压电膜位于上磁致伸缩体上表面，极化方向为Y轴正方向；下压电膜位于下磁致伸缩体下表面，极化方向Y轴负方向。

所述的上永磁铁、下永磁铁、磁铁支板组合成为一个检测质量，当外界收到某一方向加速度时，由于惯性作用，检测质量会在某一方向产生正向或反向的位移。由于检测质量内包括上永磁铁和下永磁铁，向某一方向移动时造成磁场分布的改变，致使经过上磁致伸缩体和下磁致伸缩体的磁场强度发生改变。由于磁致伸缩效应，上磁致伸缩体和下磁致伸缩体将分别产生拉伸变形(压缩变形)和压缩变形(拉伸变形)。从而导致上压电膜和下压电膜的拉伸变形(压缩变形)和压缩变形(拉伸变形)。因此由于压电效应，上压电膜的上表面和下压电膜的下表面将产生相反的直流电压信号，两直流电压信号的大小均与外界某一方向的加速度大小成正比，因此最终将两直流电压信号差分得到的直流电压信号作为外界某一方向加速度的检测信号。

本发明的优点：无功耗，不需要驱动，也不需要通过检测电容、电阻的大小来实现检测检测角速度。这样避免了使用驱动电源及检测所用的载波等，克服了功耗大的问题。与传统的加速度传感器不同，本发明加速度传感器的检测信号为直流电压信号，不需要再进行复杂的处理，检测便捷，可靠性高。且本发明结构简单、加工容易、不需要真空或特殊要求的封装，也很适用于商业开发为民用加速度计。

附图说明

图1本发明结构示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括上永磁铁1、下永磁铁2、磁铁支板3、右悬臂梁4、左悬臂梁5、上磁致伸缩体6、下磁致伸缩体7、上压电膜8、下压电膜9、加速度计固定框架10。上永磁铁1、下永磁铁2是两块永磁铁，对称分布结合在磁铁支板3上下表面，磁铁支板3通过右悬臂梁4、左悬臂梁5和加速度计固定框架10连接实现固定，上压电膜8位于上磁致伸缩体6上表面，极化方向为Y轴正方向；下压电膜9位于下磁致伸缩体7下表面，极化方向Y轴负方向。

本实施例中，磁铁支板3材料为合金钢。

本实施例中，右悬臂梁4、左悬臂梁5材料也为合金钢。

本实施例中，上磁致伸缩体6、下磁致伸缩体7为高磁致伸缩系数的磁致伸缩材料，例如Tb-Fe合金和Fe-Ga合金等。

本实施例中，上压电膜8、下压电膜9的材料均为高压电系数的PZT(锆钛酸铅)。

本实施例中，加速度计固定框架10材料为金属Cu。

本实施例中，上永磁铁1、下永磁铁2、磁铁支板3组合成为一个检测质量，当外界收到Y轴方向加速度时，由于惯性作用，检测质量会在Y方向产生正向或反向的位移。位移的大小于外界的Y轴方向加速度大小成正比。以受到Y轴反方向加速度为例，检测质量会产生Y轴正方向的位移。由于检测质量内包括上永磁铁1、下永磁铁2，向Y轴正方向移动时造成磁场分布的改变。经过上磁致伸缩体6的磁场强度变强，而经过下磁致伸缩体7的磁场强度变弱。由于磁致伸缩效应，上磁致伸缩体6将产生拉伸变形，而相反下磁致伸缩体7将产生压缩变形。上磁致伸缩体6的拉伸变形和下磁致伸缩体7的压缩变形分别导致上压电膜8的拉伸变形和下压电膜9的压缩变形。将加速度计固定框架10接地，上磁致伸缩体6、下磁致伸缩体7为导体，上压电膜8的下表面与下压电膜9的上表面导通。因此由于压电效应，上压电膜8的上表面将产生正的直流电压信号、下压电膜9的下表面将产生负的直流电压信号。正、负直流电压信号的大小均与外界Y轴方向的加速度大小成正比，因此最终将正、负直流电压信号差分得到的直流电压信号作为外界Y轴方向加速度的检测信号。

Claims (6)

1、一种基于磁致伸缩与压电效应的无功耗加速度计，其特征在于包括上永磁铁、下永磁铁、磁铁支板、右悬臂梁、左悬臂梁、上磁致伸缩体、下磁致伸缩体、上压电膜、下压电膜、加速度计固定框架，其中：上永磁铁、下永磁铁是两块永磁铁，对称分布在磁铁支板上下表面，磁铁支板通过右悬臂梁、左悬臂梁和加速度计固定框架连接实现固定，上压电膜位于上磁致伸缩体上表面，极化方向为Y轴正方向；下压电膜位于下磁致伸缩体下表面，极化方向Y轴负方向。

2、根据权利要求1所述的基于磁致伸缩与压电效应的无功耗加速度计，其特征是，所述磁铁支板材料为合金钢。

3、根据权利要求1所述的基于磁致伸缩与压电效应的无功耗加速度计，其特征是，所述右悬臂梁、左悬臂梁材料为合金钢。

4、根据权利要求1所述的基于磁致伸缩与压电效应的无功耗加速度计，其特征是，所述上磁致伸缩体、下磁致伸缩体为磁致伸缩材料，包括Tb-Fe合金和Fe-Ga合金。

5、根据权利要求1所述的基于磁致伸缩与压电效应的无功耗加速度计，其特征是，所述上压电膜、下压电膜的材料均为锆钛酸铅。

6、根据权利要求1所述的基于磁致伸缩与压电效应的无功耗加速度计，其特征是，所述加速度计固定框架材料为金属Cu。