CN102262167A - 一种多维位移加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种相对位置、角度与加速度测量装置。一种多维位移加速度传感器，磁体的一侧固定有测量元件组，测量元件组处于磁体的磁场中，磁体可以在其所处的平面上移动，在磁体移动过程中，所述测量元件组通过测量所述磁体所在位置的磁场强度和磁场方向获得所述磁体相对所述测量元件组的位置和转角。所述测量元件组包括磁敏元件和距离测量元件。本发明集成了位移、角度、加速度传感三种功能；利于实现类似力反馈功能的扩展；结构简单、生产成本低。

Description

一种多维位移加速度传感器

技术领域

本发明涉及一种相对位置、角度与加速度测量装置，具体涉及一种多维位移加速度传感器。

背景技术

目前，已知的位移传感器，角度传感器，加速度传感器多为分立元件。当一个产品，需要应用上述功能时，例如具有鼠标指针的手持设备，为了达到良好的操控效果，多使用轨迹球或光电图像传感器。这些传感器大部分为相对位置测量，即手指划动一下，鼠标指针便移动一段距离。虽然可以达到很好的效果，但在灵活性方面还有不足。如果还想同时具备加速度与角度感应功能，则还需要增加旋转编码器和加速度模块。中国专利申请号为200610109056.6的专利集成了位移、角度、加速度传感三种功能。但还存在结构复杂、生产难度大、生产成本高等问题，而且不利于实现类似力反馈功能的扩展。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的问题，提供一种结构简单、生产成本低、功能全面的多维位移加速度传感器。

本发明所述的一种多维位移加速度传感器，其特征在于，磁体(3)的一侧固定有测量元件组，测量元件组处于磁体(3)的磁场中，磁体(3)可以在其所处的平面上移动，在磁体(3)移动过程中，所述测量元件组通过测量所述磁体(3)所在位置的磁场强度和磁场方向获得所述磁体(3)相对所述测量元件组的位置和转角。

所述测量元件组包括磁敏元件(1)和距离测量元件(2)。

所述磁敏元件(1)为至少三个，平均分布在测量元件组上。

所述距离测量元件(2)为至少一个。

所述距离测量元件(2)可以为触点开关元件、电容传感器、电感传感器、压电传感器或应变传感器。

所述磁体(3)为永磁铁。

所述磁铁(3)为一侧包含至少4个磁极的永磁铁。

所述磁极的S极和N极交替排列。

所述磁敏元件(1)作为水平位移测量和旋转角度的测量，所述距离测量元件(2)作为垂直方向上的位移和倾角测量，通过检测单位时间内所述磁体(3)不同方向移动的距离来实现多维加速度测量。

利用电感传感器的电磁效应或压电传感器的逆压电效应，通过为距离测量元件(2)施加电流使其控制磁体(3)产生位移，实现力反馈。

本发明的有益效果是：

1.集成了位移、角度、加速度传感三种功能；

2.利于实现类似力反馈功能的扩展；

3.结构简单、生产成本低。

附图说明

图1是本发明实施例1中磁体的磁极分布示意图；

图2是本发明实施例1中测量元件组示意图；

图3是本发明实施例1的结构示意图；

图4是本发明实施例1的磁体与磁敏元件的曲线图；

图5是图3X轴方向上的侧视图；

图6是图3Y轴方向上的侧视图；

图7是本发明实施例3中测量元件组示意图；

图8是本发明实施例2的结构示意图；

图9是图8Y轴方向上的侧视图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做详细说明。

实施例1：

如图1所示，磁体3为一侧包含4个磁极的圆形永磁铁，磁极的S极32和N极31交替排列，4极永磁铁可以通过对同一个磁性材料做多极磁化或由多块扇形磁体组合在一起得到。

如图2所示，测量元件组由4个磁敏元件1与4个距离测量元件2组成，磁敏元件1可以是霍尔效应元件，也可以是磁阻元件。磁敏元件1a、1b、1c、1d和距离测量元件2a、2b、2c、2d平均分布在测量元件组上。

磁敏元件1在磁体3的N极靠近磁敏元件1时输出电信号，包括电压、电阻或频率。所述电信号通过采集电路转换后输出的数据B＞0；磁敏元件1在磁体3的S极靠近磁敏元件1时，输出数据B＜0；磁体3的N极与S极中心分割线靠近磁敏元件1时输出数据B＝0。

如图3所示，将磁体3放置在测量元件组一侧，并覆盖住测量元件组。磁敏元件1a、1b、1c、1d和距离测量元件2a、2b、2c、2d分别在磁极分割线31与32所对应的正Y轴、负X轴、负Y轴、正X轴上。当磁敏元件1a、1b、1c、1d和距离测量元件2a、2b、2c、2d到磁极分割线31与32交点的距离相等时，磁敏元件1a、1b、1c、1d输出的数据Ba，Bb，Bc，Bd都为0。

如图4所示，当磁体3在磁敏元件1上移动距离M时，磁敏元件1输出的数据B为曲线C，可以得到接近线性的区域P。限制磁体3移动范围，使磁敏元件1输出数据B在P区域内即可测量磁体3相对磁敏元件1的位置。

M＝K(B)    (1)

式中，M磁敏元件1相对磁体3的S极与N极中心分割线的位移距离；B为磁敏元件1输出的数据；K为磁敏元件1输出的数据B与磁体3位移距离M的系数(函数)。

如图3、图5和图6所示，磁体3按顺时针转动时，磁敏元件1a与1c同时靠近N极输出的数据Ba＝Bc＞0，磁敏元件1b与1d同时靠近S极输出的数据Bb＝Bd＜0；磁体3逆时针转动时磁敏元件1a与1c同时靠近S极输出的数据Ba＝Bc＜0，磁敏元件1b与1d同时靠近N极输出的数据Bb＝Bd＞0。通过公式2可得到磁体3转动的角度，通过正、负号可以确定磁体3是顺时针转动还是逆时针转动。

式中，为转动角度；arctan为反余弦函数；K为磁敏元件1输出的数据B与磁体3在X，Y方向上位移距离M的系数；Ba，Bb，Bc，Bd为磁敏元件1a，1b，1c，1d输出的数据；D为设计时磁敏元件1距离磁体中心的距离。

由公式2可计算出磁体3在以Z轴为轴心转动的角度，即磁体3 N极与S极中心分割线与相对坐标轴的夹角，通分过两次读取转动角度与读取时间间隔进行计算可得出磁体3的转角加速度。

当磁体3向正X方向移动时，磁敏元件1a的正面靠近磁体N极输出的数据Ba＞0，磁敏元件1c靠近磁体S极输出的数据Bc＜0，磁敏元件1b与1d相对磁体N极与S极的位置不变，保持在磁体N极与S极中心分割线上输出的数据Bb＝Bd＝0。磁体3向负X方向移动时，磁敏元件1a的正面靠近磁体S极输出的数据Ba＜0，磁敏元件1c靠近磁体N极输出的数据Bc＞0，磁敏元件1b与1d相对磁体N极与S极的位置不变，保持在磁体N极与S极中心分割线上输出的数据Bb＝Bd＝0。

Mx＝K((Ba-Bc)/2)    (3)

式中，Mx为磁体3在X方向上的移动距离；K为传磁敏元件1输出的数据B与磁体3在X，Y方向上位移距离M的系数；Ba，Bc为磁敏元件1a，1c输出的数据。

由公式3可计算出磁体3在X方向上的移动距离，通过分两次读取磁体3的位移距离，与读取时间间隔进行计算可得出磁体3在X方向上的加速度。

当磁体3向正Y方向移动时，磁敏元件1d的正面靠近磁体N极输出的数据Bd＞0，磁敏元件1b靠近磁体S极输出的数据Bb＜0，磁敏元件1a与1c相对磁体N极与S极的位置不变，保持在磁体N极与S极中心分割线上输出的数据Ba＝Bc＝0。磁体3向负Y方向移动时，磁敏元件1d的正面靠近磁体S极输出的数据Bd＜0，磁敏元件1b靠近磁体N极输出的数据Bb＞0，磁敏元件1a与1c相对磁体N极与S极的位置不变，保持在磁体N极与S极中心分割线上输出的数据Ba＝Bc＝0。

My＝K((Bb-B d)/2)    (4)

式中，My为磁体3在Y方向上的移动距离；K为磁敏元件1输出的数据B与磁体3在X，Y方向上位移距离M的系数；Bb，Bd为磁敏元件1b，1d输出的数据

由公式4可计算出磁体3在Y方向上的移动距离，通过分两次读取磁体3的位移距离，与读取时间间隔进行计算可得出磁体3在Y方向上的加速度。

实施例2：

如图6、图7、图8和图9所示，距离测量元件2的数量为1个，磁体3与距离测量元件2的距离发生变化时通过读取距离测量元件2输出数据T得到磁体3在Z方向上的位移

Mz＝K(T)    (5)

式中，Mz为磁体Z方向上的移动距离；T为距离测量元件2的输出数据；K为距离测量元件2输出数据T与磁体3在Z方向上位移M的系数。

由公式5可计算出磁体3在Z方向上的移动距离，通过分两次读取磁体3的位移距离，与读取时间间隔进行计算可得出磁体3在Z方向上的加速度。

实施例3：

如图3所示，所述距离测量元件2的数量为4个，图5所示磁体3与距离测量元件2a，2c的距离为ta，tc，图9所示磁体3与距离测量元件2b，2d的距离为tb，td。

Kx＝arctan((Mb-Md)/D)    (6)

Ky＝arctan((Ma-Mc)/D)    (7)

Kz＝(Ma+Mc+Mb+Md)/4      (8)

式中，Kx为磁体3在X轴方向上的倾斜角度，通过正、负号决定磁体3是向正X轴方向倾斜还是向负X轴方向倾斜；Ky为磁体3在Y轴方向上的倾斜角度，通过正、负号决定磁体3是向正Y轴方向倾斜还是向负Y轴方向倾斜；Kz为磁体3到距离测量元件2的平均距离；Ma、Mb、Mc、Md分别为磁体3到距离测量元件2a、2b、2c、2d的距离；D为设计时距离测量元件2a与2c，2b与2d的距离。

由公式6和公式7可计算出磁体3在X轴与Y轴方向上的倾斜角度，通过分两次读取磁体3的倾斜角度，与读取时间间隔进行计算可得出磁体3在X轴与Y轴方向上的倾角加速度。

由公式8可计算出磁体3在Z方向上的移动的平均距离，通过分两次读取磁体3的位移距离，与读取时间间隔进行计算可得出磁体3在Z方向上的加速度。

实施例4：

所述距离测量元件2为电感传感器，由于磁体3为磁导率比较高的材料制成，当磁体3与距离测量元件2的距离发生变化时，距离测量元件2的电感量或磁阻会发生变化。测量距离测量元件2输出的数据并通过实施例1可得到磁体相对Z轴的位移与加速度。为距离测量元件2施加电流使距离测量元件2可作为电磁体使用，调整距离测量元件2的线圈方向使其在通入正向电流时靠近磁体3一侧为N极，通入负向电流时靠近磁体3一侧为S极。

为距离测量元件2a通入正向电流，2c通入负向电流。此时2a靠近磁体3一侧为N极，2c靠近磁体3一侧为S极，在2a与2c处为磁体3施加一个方向为负X的力，磁体3向负X方向移动。

为距离测量元件2a通入负向电流，2c通入正向电流。此时2a靠近磁体3一侧为S极，2c靠近磁体3一侧为N极，在2a与2c处为磁体3施加一个方向为正X的力磁体3向正X方向移动。

为距离测量元件2b通入正向电流，2d通入负向电流。此时2b靠近磁体3一侧为N极，2d靠近磁体3一侧为S极，在2b与2d处为磁3体施加一个方向为正Y的力磁体3向正Y方向移动。

为距离测量元件2a通入负向电流，2c通入正向电流。此时2a靠近磁体3一侧为S极，2c靠近磁体3一侧为N极，在2a与2c处为磁体3施加一个方向为负Y的力磁体3向负Y方向移动。

为距离测量元件2a与2c同时通入正向电流，此时2a与2b靠近磁体3一侧都为N极，2a处为磁体3施加一个方向为负X方向的力，2c处为磁体3施加一个正X方向的力，此时磁体3逆时针转动。

为距离测量元件2a与2c同时通入负向电流，此时2a与2b靠近磁体3一侧都为S极，2a处为磁体3施加一个方向为正X方向的力，2c处为磁体3施加一个负X方向的力，此时磁体3顺时针转动。

实施例5：

所述距离测量元件2为电容传感器，当磁体接触距离测量元件2并为距离测量元件2施加一定的力时，改变了距离测量元件2两电极间的距离使距离测量元件2的电容发生变化，测量电容变化通过实施例1计算出磁体相对距离测量元件2在Z轴上的位移与加速度。

实施例6：

所述距离测量元件2为压电传感器，利用压电材料的压电效应，当磁体接触距离测量元件2并为距离测量元件2施加一定的力时。距离测量元件2的体积发生变化，距离测量元件2两端产生电压，测量距离测量元件2数据通过实施例1计算出磁体相对距离测量元件2在Z轴上的位移与加速度。利用压电材料的逆压电效应，为相应距离测量元件2通入电流可使距离测量元件2的体积向Z方向变大或缩小从而推动磁体3不同位置在Z方向产生位移。

实施例7：

所述距离测量元件2为触点开关元件，当磁体3与距离测量元件2接触并使距离减小到某特定点时，开关闭合。当磁体3与距离测量元件2的距离大到某一特定点时，开关断开。通过监视开关的状态可以判断磁体3到距离测量元件2的位置变化。

实施例8：

所述距离测量元件2为应变传感器，当磁体3与距离测量元件2接触并施加一定压力时，应变元件发生形变使输出数据发生变化。测量距离测量元件2数据通过实施例1计算出磁体相对距离测量元件2在Z轴上的位移与加速度。

Claims (10)

1.一种多维位移加速度传感器，其特征在于，磁体(3)的一侧固定有测量元件组，测量元件组处于磁体(3)的磁场中，磁体(3)可以在其所处的平面上移动，在磁体(3)移动过程中，所述测量元件组通过测量所述磁体(3)所在位置的磁场强度和磁场方向获得所述磁体(3)相对所述测量元件组的位置和转角。

2.根据权利要求1所述的一种多维位移加速度传感器，其特征在于，所述测量元件组包括磁敏元件(1)和距离测量元件(2)。

3.根据权利要求2所述的一种多维位移加速度传感器，其特征在于，所述磁敏元件(1)为至少三个，平均分布在测量元件组上。

4.根据权利要求2所述的一种多维位移加速度传感器，其特征在于，所述距离测量元件(2)为至少一个。

5.根据权利要求2或4任1项所述的一种多维位移加速度传感器，其特征在于，所述距离测量元件(2)可以为触点开关元件、电容传感器、电感传感器、压电传感器或应变传感器。

6.根据权利要求1所述的一种多维位移加速度传感器，其特征在于，所述磁体(3)为永磁铁。

7.根据权利要求1所述的一种多维位移加速度传感器，其特征在于，所述磁铁(3)为一侧包含至少4个磁极的永磁铁。

8.根据权利要求7所述的一种多维位移加速度传感器，其特征在于，所述磁极的S极和N极交替排列。

9.根据权利要求1所述的一种多维位移加速度传感器，其特征在于，所述磁敏元件(1)作为水平位移测量和旋转角度的测量，所述距离测量元件(2)作为垂直方向上的位移和倾角测量，通过检测单位时间内所述磁体(3)不同方向移动的距离来实现多维加速度测量。

10.根据权利要求1所述的一种多维位移加速度传感器，其特征在于，利用电感传感器的电磁效应或压电传感器的逆压电效应，通过为距离测量元件(2)施加电流使其控制磁体(3)产生位移，实现力反馈。

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