CN101504425A - 基于9-sps并联机构的压电式六维加速度传感器 - Google Patents
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Abstract
一种基于9－SPS并联机构的压电式六维加速度传感器，涉及一种加速度传感器。它包括外壳(1)、立方体质量块(2)、9根压电陶瓷(3)和18个柔性球铰链(4)；质量块位于壳体的正中央其上表面、前表面、侧表面与壳体向对面分别有3根压电陶瓷一共形成三组压电陶瓷；所述压电陶瓷为圆柱体，它们与质量块、壳体内壁的连接均是通过上述柔性球铰链(4)实现的；在初始情况下，三组压电陶瓷为两两正交的关系；且上表面两根压电陶瓷为左右平行布置，前表面为上下布置，侧表面为前后布置，每组压电陶瓷均为沿质量块中心对称排列。具有结构简单、体积小、重量轻、测量误差小、精度高、灵敏度高、各向同性度高、信号频带宽等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种加速度传感器，更具体地说涉及一种改进的基于9-SPS并联机构的压电式六维加速度传感器。
背景技术
在工程上，欲测量10-5g到105g的加速度，持续时间从小于1ms到几十ms，而不需要更换传感器的，只有压电加速度传感器才能胜任。目前世界各国用做加速度测量的传感器基本上都是压电式的，压电加速度传感器不仅适用于一般的冲击或振动检测，也适用于恶劣条件下的检测或控制作业。它具有结构简单、牢固、体积小、质量轻、频率响应范围宽(0.1HZ～20000HZ)、动态范围大、灵敏度高、性能稳定、输出线性好、可在常温、高温下使用，以及抗外磁场干扰能力较强等优点。因此，在飞机、船舶、汽车、桥梁和建筑的振动冲击测量中得到广泛的应用，特别在航空航天领域中更具有其特殊地位。
当前单维线加速度计已相当成熟，有很多品种，且已商品化，如压阻式、压电式、电容式、伺服式加速度计等。单维角加速度计品种有弹性环式、抗振动型、变电容式、液环式、光圈、压阻式等，其精度和分辨率等有待于提高。而多维加速度计，目前国内外研究较多地集中在三维线加速度计研究方面，有些已经取得阶段性的成果。三维线加速度计的研制报道主要集中在弹性体结构设计与分析、制作等工艺方面。其中，采用MEMS技术加工，经过光刻、腐蚀、沉积、键合等工艺，在硅基体上刻蚀形成不同形状的三维微型结构体，如悬臂梁、谐振梁、凹凸槽、膜片等的报道较多。典型地，早期K.Okada在研制压阻、静电电容型三轴加速度计的同时，成功研制出压电式三轴加速度计。Kijin Kwon等利用硅键合工艺制作压阻式三维加速度计，轴间交叉耦合能够消除，室温下各向加速度的灵敏度为0.276、0.226、0.793mV/g。关于三维角加速度计，一种典型例子是日本航空宇宙技术研究所在Teledyne公司的协助下开发的三轴角加速度计，将其安装在该所的STOL实验机“飞鸟”上，以检测飞机俯仰、偏航、横滚3个轴向的角加速度数据，对飞机的空气动力特性进行分析与鉴定，传感器的线性度均优于0.5％。早期的二维和三维加速度传感器大多数是将多个单轴加速度计按照正交布置拼装在一起，这种方式的传感器称为组合式多维传感器。典型产品是EG&G公司生产的3355型三维加速度传感器，在机构中封装了三个各自独立的，并正交放置在三个敏感方向上的传感单元，每个方向上的传感单元由多根硅梁支撑着一个由硅块做成的惯性质量块。组合式多维加速度传感器的特点是结构简单，但是在每个方向上都有各自的惯性质量块，维间的耦合误差比较大，降低了测量精度，且封装成本较高，体积较大。于是，有人在传感器的各敏感方向上共用一个质量块，称为一体化多维传感器，尺寸可以微型化，而且精度高。H.Takao等人设计了一个微机械的、压阻的、完全集成的三维加速度传感器，中心悬浮质量块是通过包括湿法与干法腐蚀的CMOS后处理工艺来加工的，加速度是通过测量四根硅悬臂梁上的应变来得到的，灵敏度较高，但是微间耦合较大。在国内，清华大学、西南交通大学、北京理工大学等单位都研制了不同形式的三维加速度传感器。
六维加速度传感器的研制国内外都不多见。H.A.Chan等设计了超导六维加速度传感器SSA，这种传感器只有一个惯性质量块，封装体做成屋状，在屋体和质量块之间安装超导线圈，提供悬浮力使超导质量块悬浮在屋体中，当屋体在空间六个自由度方向上产生运动时，提供力使惯性质量块保持平衡状态，达到测量六维加速度的目的。由于受惯性质量块的结构形状和运动位移的限制，维间耦合比较大，量程比较小，其应用范围受到很大的限制。Josselin等人在采用静电悬浮的原理实现加速度传感方面做了较具开拓性的工作，他们采用静电悬浮原理设计了六轴加速度传感器。静电悬浮式加速度传感器也是通过测量电容的变化来测量加速度的，尽管有测量精度高的优点，但是容易发生高压击穿，不能承受较大的加速度输入，因此测量的量程小，频带窄，只适用于特殊环境中的加速度测量(如空间微重力环境)。在国内，孟明等对六维加速度传感器进行了研究，其结构采用E型膜片。这种加速度传感器利用了牛顿第二定律，由广义力推出六维加速度的表达式，然后根据双膜片结构，通过一个圆环形质量块实现各轴向惯性力和惯性力矩的测量，进而得到各轴向加速度和角加速度。然而，这种传感器的制作工艺以及装配较复杂，不适合于较大规模的生产。公告号为CN1908674A的《一种六轴加速度传感器的敏感元件的布局结构》属于组合式结构，可以实现六维加速度的测量。然而，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，最后还需要进行复杂的解耦运算，因而会影响其响应频率。公开号为CN 101294980A的《一种压电式六维加速度传感器》，包括带安装盘的基座、带插座的壳体、固定地安装在基座安装盘上的测力计、绝缘电极板和惯性质量块。测力计由均匀布置在一个参考圆圆周上的16片石英晶体构成，包括4片对称布置的X0°切型石英晶片和12片Y0°切型石英晶片。该发明具有结构简单、易于小型化、无需解耦运算的优点。然而需要16片石英晶体，对它们的定位要求较高，而且各向同性度较差。高峰教授发明了《六维SPS加速度传感器》，并申请到专利(公开号：CN101034097A)。传感器的惯性平台和固定平台由3组均布的支链联结，每组支链包括2个支链。在每个支链的弹性移动副上有一对平行板，平行板的表面粘贴应变片，通过外接四臂差动电桥得到相应的六个输出信号。这种加速度传感器的优点是各向同性好；缺点是由于通过在弹性体上粘贴应变片来得到电信号，故传感器的贴片要求高、精度较低，频率响应范围窄，不适合精确测量高频振动信号。
六维加速度传感器的研制国内外还处于起步阶段，因此寻求一种新的途径进行六维加速度传感器的设计成为多维加速度传感器设计的一项重要课题。随着对并联机器人领域研究的进展，并联机构理论趋于成熟，再加上并联机构具有刚度大、负载大、体积小、精度高、结构对称且紧凑等特点，使得对并联机构的研究逐渐成为学术界的热点，并在理论和应用方面取得了丰硕的成果。将并联机构用作为六维加速度传感器的弹性元件为上述课题提供了一种很好的解决方案。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于9-SPS(9代表支链数目；S是spherical joint的简写，代表球面副，这里由柔性球铰链代替)并联机构的压电式六维加速度传感器。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于9-SPS并联机构的压电式六维加速度传感器，其特征在于：包括1个外壳、1个质量块、9根压电陶瓷和18个柔性球铰链；所述质量块为立方体，位于壳体的正中央；质量块的上表面、前表面、侧表面与壳体的上壁、前壁、侧壁之间分别有3根压电陶瓷一共形成三组压电陶瓷；所述压电陶瓷为圆柱体，它们与质量块、壳体内壁的连接均是通过上述柔性球铰链实现的；在初始情况下，三组压电陶瓷为两两正交的关系；且上表面三根压电陶瓷为左右平行布置，前表面为上下布置，侧表面为前后布置，每组压电陶瓷均为沿质量块中心对称排列；所述压电陶瓷的极化方向垂直于底面。
本发明与现有技术相比，其显著优点：
(1)由于采用了正交并联机构，柔性铰链，使得该传感器结构简单、尺寸小、质量轻；
(2)压电陶瓷同时充当弹性元件和敏感元件，测量精度高、灵敏度高，可以测量信号的频带宽；压电陶瓷作为二力杆受到的均是来自极化方向的压缩和拉伸力，测量出的6个方向加速度可以达到相同的精度和灵敏度，做得严格的各向同性；
(3)传感器采用了一种正交型式9-SPS并联机构，提供了比一般6-SPS型并联机构更多的支链位移信息，使得该机构具有唯一的解析正解，从而提高传感器的响应频率；
(4)可充分考虑并联机构中各个支链质量、正方体重力等因素对传感器求解的影响，从理论上保证求解的精确性。
附图说明
图1为本发明的加速度传感器结构正视图(拆去了前壳体)。
图2为本发明的加速度传感器的结构左视图(拆去了左侧壳体)。
图3为本发明的加速度传感器中压电陶瓷(3)两端与柔性球铰链的粘结情况。
图中标号名称：1为外壳，2为质量块，3为压电陶瓷，4为柔性球铰链，5为树脂胶。
具体实施方式
本实施例为一种基于9-SPS并联机构的压电式六维加速度传感器如图1，图2，图3所示，包括外壳1、质量块2、9根压电陶瓷3、18个柔性球铰链4，所述外壳1通过柔性球铰4连接于压电陶瓷3的一端，所述压电陶瓷3的另一端通过柔性球铰4连接有质量块2。其中，压电陶瓷3通过树脂胶5粘贴在柔性球铰4上。所述质量块2为立方体，位于壳体的正中央。质量块2的上表面、前表面、侧表面与壳体1的上壁、前壁、侧壁之间分别有3根压电陶瓷3。在初始情况下三组压电陶瓷(每组3根)为两两正交的关系，压电陶瓷的长度以及每组中3根之间的距离与传感器的性能要求有关。所述压电陶瓷3为锆钛酸铅压电陶瓷Pb(ZrxTi1-r)O3，简记为PZT。为保证压电陶瓷在并联机构各个支链上受拉压时产生一致、明显的极化效应，PZT做成圆柱体，并要求其极化方向垂直于底面。
实际应用时，将本发明的外壳1刚性固定在振动体上，在9根PZT的两个底面上分别引出导线。在压缩和伸长状态下，PZT的底面会产生与应变成正比的电荷量。用电荷放大器来放大电荷量并进行阻抗变换，再通过AD数据采集卡即可以将微弱的电荷量转换成数字量供计算机分析处理。由于振动体的振动，质量块会产生惯性力进而压缩或拉伸9根压电陶瓷，只要测量出9根压电陶瓷上产生的电荷量即可推算出振动体的六维加速度。
Claims (3)
1.基于9-SPS并联机构的压电式六维加速度传感器，其特征在于：
包括1个外壳(1)、1个质量块(2)、9根压电陶瓷(3)和18个柔性球铰链(4)；
所述质量块为立方体，位于壳体的正中央；质量块的上表面、前表面、侧表面与壳体的上壁、前壁、侧壁之间分别有3根压电陶瓷；所述压电陶瓷为圆柱体，它们与质量块、壳体内壁的连接均是通过柔性球铰链实现的；
在初始情况下，三组压电陶瓷为两两正交的关系；上表面三根压电陶瓷为横向平行布置，前表面为纵向平行布置，侧表面为前后平行布置，每组压电陶瓷均为沿质量块中心对称排列；
所述压电陶瓷的极化方向垂直于底面。
2.根据权利要求1所述基于9-SPS并联机构的压电式六维加速度传感器，其特征在于：所述压电陶瓷为锆钛酸铅压电陶瓷。
3.根据权利要求1所述基于9-SPS并联机构的压电式六维加速度传感器，其特征在于：所述压电陶瓷与柔性球铰链的粘结是通过树脂胶实现的。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20090812 |