CN101858932B - 六维加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种六维加速度传感器，包括惯性质量球平台、下平台、贴片和六根支链，六根支链等分成三组，三组支链与惯性质量球平台的连接点均位于惯性质量球平台最大直径的水平圆周上、且均匀分布，三组支链与下平台的连接点位于同一圆周上、且均匀分布，每根支链均包括一弹性连接杆和位于弹性连接杆两端的圆柱型铰链，圆柱型铰链与弹性连接杆共轴心线，惯性质量球平台、下平台、六根支链、凸台采用一体化加工，特征是：在每个弹性连接杆上开设一贯穿的孔，孔的轴心线与六根弹性连接杆所在的圆台侧面垂直，对应于每个孔均设置两个对称的贴片，每个贴片均沿弹性连接杆的轴心线方向附着在孔的内壁上。本发明设计误差小、动态特性好，响应快、精度高。

Description

六维加速度传感器

技术领域

本发明涉及一种六维加速度传感器，具体地说是一种基于新型并联结构，并引入应力集中系数法的六维加速度传感器，属于测试技术与控制领域。

背景技术

六维加速度传感器是传感器研究领域的难点，国内外文献报导和专利申请的很少是因为很难构造能同时测量三维线加速度和三维角加速度的弹性元件，目前主要集中在三维以下加速度传感器的研制上，而且技术成熟已经产品化。

六维加速度传感器的研究国内外还处于探索研究阶段，典型的弹性元件结构有美国Maryland大学研制的超导六维加速度传感器，用于轨道空间，研制成本高；日本Ritsumeikan大学采用MEMS技术研究的双质量块和四悬臂梁结构，中科院合肥智能所研究的双膜片十字梁结构，其结构参数的设计以有限元仿真为主要的方法，缺乏成熟的设计理论；重庆大学研究的组合式六维加速度传感器，封装体积相对较大，单轴加速度传感器的累积误差和安装误差需要校正；也有采用并联机构作为弹性元件研制六维加速度传感器(专利申请号CN200710061723.2，CN200710061724.7，CN200910025673.1，CN200910025674.6)，有一整套成熟的设计理论，有良好的各向同性，标定解耦效果明显，但是以并联机构作为弹性元件必须解决以下2个主要问题：1.理论模型实体化的过程中，带来的结构误差影响各连接杆上的应力和应变值，最终影响传感器的测量精度。2.并联机构的特点是刚度大，承载力大，但是对于弹性元件来讲，刚度大必然导致各连接杆上的应变值很小，会大大降低测量电路的信噪比，最终也会影响到传感器的测量精度。而上述基于并联机构的六维加速度传感器或者在解决理论模型实体化的过程中没有解决并联机构刚度大带来的影响，或者在解决第二个问题时使机构结构复杂，增加了加工难度，导致加工精度不高也会影响到传感器的测量精度。

发明内容

本专利的目的是提供一种能克服上述缺陷、设计误差小、体积小、动态特性好，响应快、精度高的六维加速度传感器。其技术方案为：

包括惯性质量球平台、下平台、应变贴片、连接于惯性质量球平台和下平台的六根支链，其中惯性质量球平台的中心与下平台的中心的连线垂直于下平台，六根支链等分成三组，三组支链与惯性质量球平台的连接点均位于惯性质量球平台最大直径的水平圆周上、且均匀分布，每组中的两根支链与惯性质量球平台的连接点之间夹角为α，三组支链与下平台的连接点位于同一圆周上、且均匀分布，六根支链的轴心线位于同一圆台侧面上，每组中的两根支链与下平台的连接点之间夹角为β，每根支链均包括一弹性连接杆和位于弹性连接杆两端的圆柱型铰链，圆柱型铰链与弹性连接杆共轴心线，圆柱型铰链对应经凸台与惯性质量球平台或下平台连接，凸台与圆柱型铰链连接的端面与圆柱型铰链的轴心线垂直，惯性质量球平台、下平台、六根支链、凸台采用一体化加工，其特征在于：在每个弹性连接杆上开设一贯穿的孔，孔的轴心线与六根弹性连接杆轴心线所在的圆台侧面垂直，对应于每个孔均设置两个对称的应变贴片，每个应变贴片均沿弹性连接杆的轴心线方向附着在孔的内壁上，且应变贴片的中心位于孔深的1/2处、两应变贴片关于过孔的轴心线的平面对称。

所述的六维加速度传感器，孔的横截面可为圆形、正方形、长方形、椭圆形或卵圆形，孔是为了引入应力集中而开设的，只要能保证弹性连接杆在弹性范围内产生应力集中，工艺可行，贴片方便，任何形状的孔或者凹槽均可。

所述的六维加速度传感器，孔的轴心线过弹性连接杆轴心线的中点。

所述的六维加速度传感器，六维加速度传感器通常采用的材料有：铍青铜、钛合金、聚丙烯、铝青铜、锡青铜、硅青铜、黄铜或者铝合金，材料的强度和刚度比越大，材料的弹性就越好且不易破坏，就越适合做传感器的弹性元件。

其工作原理是：下平台固定在被检测件上，当被检测件运动带来的加速度，使惯性质量球平台在质心处产生广义惯性力，通过圆柱型铰链的变形加在弹性连接杆上，此时弹性连接杆上会因为变形而产生应变，并联机构刚度大的特点使得弹性连接杆上的应变值很小，导致测量电桥电路的信噪比很低，严重影响了传感器的测量精度，所以本发明引入应力集中系数能有效克服此缺陷。

构件上的应力分布不均，在部分区域会产生应力峰值的情况，称为应力集中，用应力集中系数表示，是防止构件失效，计算应力集中处的最大应力而采用的。本发明通过在弹性连接杆上开设孔，将应力集中引入到弹性连接杆的设计上来，正是利用应力集中处应力增大的原理，来减小并联机构大刚度对各弹性杆的影响，增大连接杆上的局部应力，从而达到增大应变值，改善输出信号信噪比的目的，为标定系统提供可靠的信号源。

本发明与现有技术相比，其优点是：

1、本发明在重新设计柔性铰链的基础上，使弹性元件的实体模型和理论模型更趋于一致，理论设计误差小。

2、本发明采用一体化加工，可以小型化甚至微型化，动态特性好，响应快。

3、本发明将应力集中系数法引入到传感器弹性元件的机构设计上来，保证弹性连接杆在线弹性的范围内，增大了连接杆上的应力应变值，克服了并联机构用作传感器弹性元件，其刚度大的特点导致连接杆上应变值小的弊端，增加了测量电路的信噪比，提高了传感器的测量精度。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是图1所示实施例中A部分放大的结构示意图；

图3是图1所示实施例中B部分放大的结构示意图；

图4是本发明支链实施例的结构示意图；

图5是图4所示实施例中支链在位于孔轴心线处的横截面示意图；

图6是本发明设有孔的弹性连接杆实施例的结构示意图；

图7、图8是本发明设有孔的弹性连接杆另外实施例的结构示意图。

图中：1惯性质量球平台 2、下平台 3、应变贴片 4、弹性连接杆 5、圆柱型铰链 6、凸台 7、孔

具体实施方式

在图1～5所示的实施例中：惯性质量球平台1的中心与下平台2的中心的连线垂直于下平台2，六根支链等分成三组，三组支链与惯性质量球平台1的连接点均位于惯性质量球平台1最大直径的水平圆周上、且均匀分布，每组中的两根支链与惯性质量球平台1的连接点之间夹角为30°，三组支链与下平台2的连接点位于同一圆周上、且均匀分布，每组中的两根支链与下平台2的连接点之间夹角为90°，每根支链均包括一弹性连接杆4和位于弹性连接杆4两端的圆柱型铰链5，弹性连接杆4的横截面呈矩形，圆柱型铰链5与弹性连接杆4共轴心线，圆柱型铰链5对应经凸台6与惯性质量球平台1或下平台2连接，凸台6与圆柱型铰链5连接的端面与圆柱型铰链5的轴心线垂直，惯性质量球平台1、下平台2、六根支链、凸台6采用一体化加工，材质选用铜，在每个弹性连接杆4上开设一贯穿的圆柱形的孔7，孔7的轴心线位于弹性连接杆4轴心线的中心，且与六根弹性连接杆4的轴心线所在的圆台侧面垂直，对应于每个孔7均设置两个对称的应变贴片3，每个应变贴片3均沿弹性连接杆4的轴心线方向附着在孔7的内壁上，且应变贴片3的中心位于孔7深的1/2处、两应变贴片3关于惯性质量球平台1中心、下平台2中心和孔7轴线构成的平面对称。

结合本实施例和图6具体说明应力集中系数的选取方法，并给出引入应力集中系数的效果。应力集中系数a＝σ_m/σ₀，其中σ_m表示最大应力或者峰值应力，σ₀表示基准应力其选取方法不同，应力集中系数的值不同，结合图6说明本专利应力集中系数的选取方法。图6中弹性连接杆长l，宽度B，厚度t，圆柱孔的直径d，且l＞＞t。

应力集中系数的选取方法有两种：1、取σ₀＝P/Bt为基准应力，此时应力集中系数a＝σ_mBt/P。2、考虑应力集中因素引起的基体截面减小，选取在圆孔中心处截面去掉圆孔部分之后的最小截面上拉应力(假设均匀分布)而得到的基准应力为σ′₀＝P/(B-d)t，此时的应力集中系数a′＝σ_m(B-d)t/P。根据日本西田正孝的研究，在d小于B的极限情况下，两者的应力集中系数相等，其值为3，随着d相对于B增大则a增大，在d→B的极限下，a成为无穷大，与此相反，a′随d的增加反而减小，在d→B时下降到2，在考虑构件安全的情况下，有限值的a′更为合适，但是本专利在理论计算和有限元模拟时发现，各弹性杆上所承受的最大应力在没有应力集中时只有1MPa左右，对于铜来讲变形一定是在弹性范围内进行的，所以只考虑应力集中带来的最大应力引起的应变增加情况，选取a对本专利更合适。

对于各向同性且质量均匀的弹性体，二维应力分布仅决定于构件形状，与材料的弹性常数无关，所以充分研究B、t、d对应力集中系数a的影响。d/B越大，a越大，弹性连接杆的最大应力越大，产生的应变也越大，还要考虑弹性元件的结构和加工工艺的可行性等因素，保证材料在线弹性的范围内d的值越大越好。厚度t对应力集中系数的影响，可知道最大应力发生的较具体的位置在内圆柱面的A点沿圆柱轴向附近，根据厚度t的取值仅在几个毫米范围内且远小于杆长，应变片的宽度完全可以覆盖此区域。

为了说明引入应力集中系数的效果，给出一种六维加速度传感器：

弹性元件惯性质量球平台半径0.025m，弹性连接杆长0.043m、横截面为矩形，面积1.2E-5m²，安装平台半径0.052m，材料弹性模量1.17E11Pa，质量密度8900kg/m³，泊松比0.31，加在惯性质量球平台的外界加速度[9.8 0 0 0 0 0](线加速度单位m/s²，角加速度单位rad/s²)，未引入应力集中系数各弹性连接杆上的应变ε和引入应力集中系数a(d/B＝7.5，t/d＝1，a＝8.5)后各连接杆上的应变ε_a见下表：

在图7、图8所示的实施例中：弹性连接杆4的横截面呈矩形，孔7的横截面呈矩形分别呈卵圆形和矩形。

Claims (4)

1.一种六维加速度传感器，包括惯性质量球平台(1)、下平台(2)、应变贴片(3)、连接于惯性质量球平台(1)和下平台(2)的六根支链，其中惯性质量球平台(1)的中心与下平台(2)的中心的连线垂直于下平台(2)，六根支链等分成三组，三组支链与惯性质量球平台(1)的连接点均位于惯性质量球平台(1)最大直径的水平圆周上、且均匀分布，六根支链的轴心线位于同一圆台侧面上，每组中的两根支链与惯性质量球平台(1)的连接点之间夹角为α，三组支链与下平台(2)的连接点位于同一圆周上、且均匀分布，每组中的两根支链与下平台(2)的连接点之间夹角为β，每根支链均包括一弹性连接杆(4)和位于弹性连接杆(4)两端的圆柱型铰链(5)，圆柱型铰链(5)与弹性连接杆(4)共轴心线，圆柱型铰链(5)对应经凸台(6)与惯性质量球平台(1)或下平台(2)连接，凸台(6)与圆柱型铰链(5)连接的端面与圆柱型铰链(5)的轴心线垂直，惯性质量球平台(1)、下平台(2)、六根支链、凸台(6)采用一体化加工，其特征在于：在每个弹性连接杆(4)上开设一贯穿的孔(7)，孔(7)的轴心线与六根弹性连接杆(4)所在的圆台侧面垂直，对应于每个孔(7)均设置两个对称的应变贴片(3)，每个应变贴片(3)均沿弹性连接杆(4)的轴心线方向附着在孔(7)的内壁上，且应变贴片(3)的中心位于孔(7)深的1/2处、两应变贴片(3)关于过孔(7)的轴心线的平面对称。

2.如权利要求1所述的六维加速度传感器，其特征在于：孔(7)横截面形状为圆形、正方形、长方形、椭圆形或者卵圆形孔。

3.如权利要求1所述的六维加速度传感器，其特征在于：孔(7)的轴心线过弹性连接杆(4)轴心线的中点。

4.如权利要求1所述的六维加速度传感器，其特征在于：六维加速度传感器选用的材料包括铍青铜、钛合金、聚丙烯、铝青铜、锡青铜、硅青铜、黄铜或铝合金。

Images