CN103151219A - 一种阈值可调三稳态双向碰撞传感器 - Google Patents

Abstract

一种阈值可调的三稳态双向碰撞传感器，属于精密碰撞传感器件领域。嵌有永磁体的质量块通过弹性梁与壳体连接，两触点固定于壳体内侧与质量块相对应的位置，永磁体分别嵌于连接有调节杆的一级可调块和二级可调块中，并采用垂直与水平调节杆构成双级调节机构，进而实现碰撞传感器的阈值调整功能。外界没有碰撞或有微小干扰信号时，在磁力和弹性力的共同作用下，质量块位于第一稳态。当不同方向的惯性力达到设定的危险阈值时，质量块迅速跳转到第二稳态或者第三稳态，质量块与固定触点迅速接触。本发明碰撞传感器具有感应精度高、接触可靠和阈值可调性好，可以感应双向不同阈值碰撞强度等优点，可用于车辆安全、航空航天及仪器跌落保护等领域。

Description

一种阈值可调三稳态双向碰撞传感器

技术领域

本发明涉及一种阈值可调的三稳态双向碰撞传感器，属于精密碰撞传感器件领域。

技术背景

碰撞传感器能够准确地感应碰撞强度，并根据预先设定的阈值来判断碰撞危险程度，为完全保护控制系统提供可靠的决策信息，在武器系统、航空航天、车辆安全系统及民用消费电子领域具有广泛的应用前景。

作为安全控制系统的关键传感器件，在事故中碰撞传感器需要快速而准确的评估碰撞方向和危险程度，并接通安全保护电路。目前碰撞传感器主要用于单方向传感，装配完成后阈值难以调整。而对于不同方向不同阈值的碰撞传感如正面碰撞和尾部碰撞、侧碰等，传统的办法主要通过将两个或多个碰撞传感器反向安装来实现。这不仅增加了传感器系统所占的空间，而且其所感应的阈值无法调整，存在实用性差的问题。目前常见的电子式和机电式碰撞传感器难以同时满足以上多个使用要求。例如，电子式碰撞传感器只能感应单方向的碰撞信号，并且需要复杂的测试电路和信号处理电路，不仅增加了传感器测量系统的成本，还影响了事故中安全系统的响应速度和可靠性。由于受本身关键弹性元件结构形式的限制，专利公开号CN01268160和CN201440397U中所述的碰撞传感器，主要依靠磁体所吸附的钢球碰撞触点来导通电路，但导磁球体只能沿一个方向运动，导磁球体在脱离吸附基体后处于无约束自由状态极易造成接触时间短或触点接触不稳定的现象。专利号CN201231730Y通过多个碰撞球相互叠加来增加碰撞感应方向个数，但难以调整各个方向的感应阈值，且触点接触后无法稳定保持。中国专利200510017416.5所述的密闭腔内设置可变性导电惯性体的多方向事故检测方法，虽然能够检测任意方向的碰撞，但为了防止导电体氧化，需要在其腔体内多数注要入惰性气体或真空，并且密封要求严格。另外，惯性体变形量易受环境影响因素较大，难以保证阈值感应精度和变形体与触点的接触可靠性。专利号CN101789329提出的专利通过4个蛇形梁支撑质量块能够感应多个方向加速度，但是在无外力作用情况下质量块无法与电极保持稳定接触，且装配后阈值难以调整。专利EP1180778A1设计的三稳态开关采用电磁驱动永磁体的实现方式，由于碰撞过程中加速度沿直线方向，而专利中永磁体运动形式是圆周运动，很难精确感应水平方向加速度，另外电磁驱动增加耗能同时也降低安全性能。

因此，综合分析目前碰撞传感器使用过程中所存在的问题发现，感应方向个数、阈值可调节性和碰撞接触可靠性已成为影响碰撞传感器性能提升的关键限制因素，也是阻碍其广泛应用的主要技术障碍之一。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种阈值可调三稳态双向碰撞传感器，以实现对两个方向碰撞阈值的准确调整，并依靠三稳态保持技术实现触点稳定接触功能。

本发明采用的技术方案是：一种阈值可调三稳态双向碰撞传感器，它主要包括由一个壳体、一个质量块和二个弹性梁，质量块通过二个弹性梁悬挂在壳体内；它还包括一个第一触点、第二触点和一级可调块。在所述质量块的下方嵌入一个第三永磁体，第一触点和第二触点分别设置在质量块两侧的壳体上，一级可调块固定在质量块下方的壳体上，在一级可调块上设有一个嵌入第一永磁体的第一二级可调块和一个嵌入第二永磁体的第二二级可调块；当外界没有碰撞或只有微小干扰信号时，在永磁体磁力和弹性梁弹性力的共同作用下，质量块位于第一稳态位置；当外界存在不同方向危险碰撞时，质量块在永磁体磁力和弹性梁弹性力的作用下，迅速跳转到质量块与第一触点接触的第二稳态位置，或者迅速跳转到质量块与第二触点接触的第三稳态位置。

在所述一级可调块上设有一个嵌入第一永磁体的第一二级可调块、一个第四永磁体和一个嵌入第二永磁体的第二二级可调块。

所述一级可调块采用一个一级调节杆调节在垂直方向固定的位置。

所述第一二级可调块连同一个第一弹性元件设置在一级可调块内，并采用一个第一水平调节杆和一个第一二级调节杆调节固定的位置；所述第二二级可调块连同一个第二弹性元件设置在一级可调块内，并采用一个第三水平调节杆和一个第二二级调节杆调节固定的位置。

所述壳体采用PMMA、橡胶或塑料绝缘材料。

上述的技术方案采用双级调节机构对一级可调块实现垂直和水平位置的粗调和微调，一级调节块通过一级调节杆和一个第二水平调节杆固定于壳体上，并通过一级调节杆粗调整个磁体组合的相对位置；二级可调块和弹性元件通过水平调节杆实现水平位置的调节和固定。通过磁体相对位置的二级调整，实现水平和垂直方向磁体间距的精确变化，进而调整磁力和弹性力在合力中所占的比例，实现结构跳转阈值力的调整。整个调整过程除了实现机构的三稳态功能外，还能实现机构阈值力的调整，进而实现不同碰撞阈值的感应功能。例如，当外界没有碰撞或有微小干扰信号时，在磁力和弹性力的共同作用下，质量块位于第一稳态，控制系统的电路保持断开状态。当外界不同方向的碰撞惯性力达到设定的危险阈值时，质量块在弹性力和磁力的作用下跳转到第二稳态或者第三稳态，此时质量块与固定触点迅速接触，并依靠结构的稳态保持功能实现触点的稳定接触，保持电路导通状态。最后，结构的第二稳态和第三稳态对应不同的方向，即能够感应来自不同方向的碰撞强度，避免了简单依靠碰撞传感器组合带来的测量复杂性问题。该技术方案解决了目前在双感应方向、阈值可调整性和稳定接触问题的同时，还实现了传感器响应快、结构简单、成本低以及调节过程简单的功能，可广泛应用于航空航天、汽车安全、消费电子等领域。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1)依靠弹性梁与多磁体组合，使机构在不同方向上存在三稳态功能，无需外界供能就能保持稳定，从而实现单个传感器来感应两个方向碰撞和低能耗的功能，具有结构简单、稳态保持性能好和接触稳定的特点，避免了传统的依靠两个或多个传感器组合所带来的结构复杂、占据空间大和信号处理辅助电路复杂的问题；

2)依靠平行梁组合结构的平动功能，使传感器能够准确感应线加速度，具有精度高、响应准确的特点，有效避免了摇摆式传感器由于旋转运动而造成的感应方向偏差问题；

3)通过双级调节机构，通过粗调和微调相结合实现传感器不同方向上阈值的准确调整，即二级调整功能，使传感器具有精确的阈值调节功能，避免了传统传感器一旦装配完成便无法调节阈值缺点；

4)碰撞传感器结构简单，调节性好，可以在应用过程中根据需求来准确调整，该传感器具有优良的场合自适应特点。

附图说明

图1是一种阈值可调三稳态双向碰撞传感器的第一稳态结构图。

图2是一种阈值可调三稳态双向碰撞传感器的第二稳态导通状态结构图。

图3是一种阈值可调三稳态双向碰撞传感器的第三稳态导通状态结构图。

图4是另一种阈值可调三稳态双向碰撞传感器的第一稳态状态结构图。

图5是另一种阈值可调三稳态双向碰撞传感器的第二稳态导通状态结构图。

图6是另一种阈值可调三稳态双向碰撞传感器的第三稳态导通状态结构图。

图7是通过调节一级调节杆来调整传感器阈值的效果图。

图8是调节二级调节杆来调整不用方向感应阈值的效果图。

图中，1壳体，2、第一触点，2a、第二触点，3、一级可调块，4、第一二级调节杆，4a、第二二级调节杆，5、第一二级可调块，5a、第二二级可调块，6、第一永磁体，6a、第二永磁体，6b、第三永磁体，6c、第四永磁体，7、质量块，8、弹性梁，9、一级调节杆，10、第一水平调节杆，10a、第二水平调节杆，10b、第三水平调节杆，11、第一弹性元件，11a、第二弹性元件。

具体实施方式

图1、2、3示出了一种阈值可调三稳态双向碰撞传感器的结构图。图中，双向碰撞传感器主要包括由一个壳体1、一个质量块7和二个弹性梁8，质量块7通过二个弹性梁8悬挂在壳体1内。在质量块7的下方嵌入一个第三永磁体6b，第一触点2和第二触点2a分别设置在质量块7两侧的壳体1上，一级可调块3固定在质量块7下方的壳体1上，在一级可调块3上设有一个嵌入第一永磁体6的第一二级可调块5和一个嵌入第二永磁体6a的第二二级可调块5a。一级可调块3采用一个一级调节杆9调节在垂直方向固定的位置。第一二级可调块5连同一个第一弹性元件11设置在一级可调块3内，并采用一个第一水平调节杆10和一个第一二级调节杆4调节固定的位置。第二二级可调块5a连同一个第二弹性元件11a设置在一级可调块3内，并采用一个第三水平调节杆10b和一个第二二级调节杆4a调节固定的位置。

下面对上述技术方案作进一步的详细介绍：第三永磁体6b嵌入质量块7中，连接于平行弹性梁8的自由端，且第一永磁体6、第二永磁体6a和第三永磁体6b的中心在同一平面内，组成空间相对应的组合结构。双级调节机构由水平调节机构和垂直调节机构组成，且各部分通过调节杆实现互联，其中，第一二级可调块5、第二二级可调块5a连接于一级可调块3，并通过第一水平调节杆10、第二水平调节杆10a、第三水平调节杆10b与壳体1相连，一级可调块3通过一级调节杆9连接于壳体1，实现水平和垂直方向的二级相对位置调节。质量块7和第一触点2、第二触点2a的材料为金属材料或者在绝缘材料上镀有导电物质，且质量块高度与固定触点相对应。壳体1与一级可调块3连接处存在导槽，且一级可调块3内部与第一二级可调块5、第二二级可调块5a连接处也存在导槽结构。双级调节机构可采用螺杆、螺钉、或导向柱来调整相对位置。壳体1为绝缘材料，如PMMA、橡胶或塑料等。第一二级调节杆4、第二二级调节杆4a微调第一二级可调块5、第二二级可调块5a在一级可调固定块3内的垂直位置，并且第一弹性元件11、第二弹性元件11a调节第一二级可调块5、第二二级可调块5a的水平位置。一级可调块3两侧有尺寸适当凹槽，通过一级调节杆9来实现竖直位置的一级调整。

当外界没有碰撞或只有微小干扰信号时，在永磁体磁力和弹性梁弹性力的共同作用下，质量块7位于第一稳态位置(如图1)；当外界存在不同方向危险碰撞时，质量块7在永磁体磁力和弹性梁弹性力的作用下，迅速跳转到质量块7与第一触点2接触的第二稳态位置(如图2)，或者迅速跳转到质量块7与第二触点2a接触的第三稳态位置(如图3)。

图4、5、6示出了另一种阈值可调三稳态双向碰撞传感器的结构图。图中，只有一级可调块3上设有一个嵌入第一永磁体6的第一二级可调块5、一个第四永磁体6c和一个嵌入第二永磁体6a的第二二级可调块5a，且第一永磁体6、第二永磁体6a、第三永磁体6b和第四永磁体6c的中心在同一平面内，组成空间相对应的组合结构。其他部分结构与图1、2、3所示完全相同。

当外界没有碰撞或只有微小干扰信号时，在永磁体磁力和弹性梁弹性力的共同作用下，质量块7位于第一稳态位置(如图4)；当外界存在不同方向危险碰撞时，质量块7在永磁体磁力和弹性梁弹性力的作用下，迅速跳转到质量块7与第一触点2接触的第二稳态位置(如图5)，或者迅速跳转到质量块7与第二触点2a接触的第三稳态位置(如图6)。

图7所示，调节一级可调块3与质量块7不同位置时，跳转阈值不同。一级可调块3与质量块7距离越近，跳转阈值越大。当位移符号与磁力符号相同时，表示磁力推动质量块7运动；当位移符号与磁力符号相反时，表示磁力阻碍质量块7运动。

图8所示，调节第一二级可调块5和第二二级可调块5a，两个方向跳转阈值不同。图中，当跳转阈值a2＝a2’，传感器感应两个方向阈值相同；当跳转阈值a1’＜a1，传感器可以检测两个方向不同强度的碰撞。

Claims (5)

1.一种阈值可调三稳态双向碰撞传感器，它主要包括由一个壳体(1)、一个质量块(7)和二个弹性梁(8)，质量块(7)通过二个弹性梁(8)悬挂在壳体(1)内；其特征在于：它还包括一个第一触点(2)、第二触点(2a)和一级可调块(3)；在所述质量块(7)的下方嵌入一个第三永磁体(6b)，第一触点(2)和第二触点(2a)分别设置在质量块(7)两侧的壳体(1)上，一级可调块(3)固定在质量块(7)下方的壳体(1)上，在一级可调块(3)上设有一个嵌入第一永磁体(6)的第一二级可调块(5)和一个嵌入第二永磁体(6a)的第二二级可调块(5a)；当外界没有碰撞或只有微小干扰信号时，在永磁体磁力和弹性梁弹性力的共同作用下，质量块(7)位于第一稳态位置；当外界存在不同方向危险碰撞时，质量块(7)在永磁体磁力和弹性梁弹性力的作用下，迅速跳转到质量块(7)与第一触点(2)接触的第二稳态位置，或者迅速跳转到质量块(7)与第二触点(2a)接触的第三稳态位置。

2.根据权利要求1所述的一种阈值可调三稳态双向碰撞传感器，其特征在于：在所述一级可调块(3)上设有一个嵌入第一永磁体(6)的第一二级可调块(5)、一个第四永磁体(6c)和一个嵌入第二永磁体(6a)的第二二级可调块(5a)。

3.根据权利要求1或2所述的一种阈值可调三稳态双向碰撞传感器，其特征在于：所述一级可调块(3)采用一个一级调节杆(9)调节在垂直方向固定的位置。

4.根据权利要求1或2所述的一种阈值可调三稳态双向碰撞传感器，其特征在于：所述第一二级可调块(5)连同一个第一弹性元件(11)设置在一级可调块(3)内，并采用一个第一水平调节杆(10)和一个第一二级调节杆(4)调节固定的位置；所述第二二级可调块(5a)连同一个第二弹性元件(11a)设置在一级可调块(3)内，并采用一个第三水平调节杆(10b)和一个第二二级调节杆(4a)调节固定的位置。

5.根据权利要求1所述的一种阈值可调三稳态双向碰撞传感器，其特征在于：所述壳体(1)采用PMMA、橡胶或塑料绝缘材料。

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