CN103743925A - 悬臂梁式电磁加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种悬臂梁式电磁加速度传感器，包括悬臂梁，悬臂梁的末端设有电磁体，悬臂梁的另一端通过绝缘粘结剂固定在回字形铁芯的一端，悬臂梁的末端正对回字形铁芯的另一端，与悬臂梁的末端对应的回字形铁芯上缠绕有铜丝导线，铜丝导线的两端与电阻相连。本发明的目的在于解决传统加速度传感器不能在多烟、多雾、多水、多灰尘等复杂环境条件下对物体加速度或状态进行检测的问题；提供一种基于悬臂梁式非接触电磁加速度传感原理，并且能够在上述复杂环境条件下检测物体瞬时加速度的悬臂梁式电磁加速度传感器，该传感器具有基础理论成熟、成本低、适应复杂检测环境、寿命长、制作简单、可批量化生产、可重复使用、操作简便的特点。

Description

悬臂梁式电磁加速度传感器

技术领域

本发明涉及一种悬臂梁式电磁加速度传感器,是通过回字形铁芯线圈和悬臂梁精密装配而实现加速度检测的，是在多烟、多雾、多水、多灰尘等复杂环境条件下动态检测物体状态、振动或惯性力的一种悬臂梁式电磁加速度传感器，可应用于航空航天、海洋、军事、地震监测、汽车、姿态控制、动作识别、状态记录、铁路等领域。

背景技术

加速度检测一直是广大科研人员和企业传感器研发人员的主题。在1657年，荷兰的物理学家、数学家Christian Huygen（惠更斯）发明了用于摆钟的高可靠性摆轮，开始了人类对加速度传感器的研究工作。人们利用各种各样的光电效应、磁电效应、磁致伸缩效应、压阻效应、压电效应、场效应管的电子隧道效应等等不断研究适用于一定环境条件下的加速度传感器。1977年斯坦福大学研制成功了基于MEMS技术的硅微加速度计。时至今日，人们对加速度的研究工作及其商业化工作从未止步，利用各种办法或原理不断提升传感器的测量精度、稳定性和适应范围。电感感应理论是物理学、电机学和传感器技术等领域内的一项比较成熟的理论；人们利用电磁效应已经成功研究了高频谐振传感器技术、粒子电磁加速注入技术、电磁快速成形技术、磁悬浮技术、磁流体加速度传感技术等等。当今电磁理论和悬臂梁弯曲理论在工业上已广泛应用，更是作为一项成熟的关键技术应用于传感器研制例如基于电磁理论的谐振传感器、基于悬臂梁的MEMS压阻式加速度传感器等等。用电磁理论解决工业参数检测问题是其在工业领域的重要应用之一，例如用电磁理论研制的电磁快速成形技术，用于快速加工电感材料；其性能比光电快速成形技术更稳定和可靠；利用电磁理论研制的磁悬浮技术用于火车动力。加速度检测在航空航天、军事工业、煤矿开采、汽车工业、海洋勘探、地震监测等领域中有着重要的作用；然而在上述领域中有时需在多烟、多雾、多水、多灰尘等复杂环境条件下检测物体的瞬时加速度，例如海洋底下物体运动时的瞬时加速度、煤矿采煤与运煤状态监测等。这时传统的加速度传感器便受到了一定的限制，例如检测多烟、多尘环境中运动物体的加速度。由于受到了多烟、多雾、多水、多灰尘工作环境的限制，和检测物体状态或加速度的要求，人们便越来越多地关注如何利用电磁理论制作出能够满足上述要求的加速度传感器。

发明内容

本发明的目的在于解决传统加速度传感器不能在多烟、多雾、多水、多灰尘等复杂环境条件下对物体加速度或状态进行检测的问题；提供一种基于悬臂梁式非接触电磁加速度传感原理，并且能够在上述复杂环境条件下检测物体瞬时加速度的悬臂梁式电磁加速度传感器，该传感器具有基础理论成熟、成本低、适应复杂检测环境、寿命长、制作简单、可批量化生产、可重复使用、操作简便的特点。

本发明的技术方案是：悬臂梁式电磁加速度传感器，包括悬臂梁，悬臂梁的末端设有电磁体，悬臂梁的另一端通过绝缘粘结剂固定在回字形铁芯的一端，悬臂梁的末端正对回字形铁芯的另一端，与悬臂梁的末端对应的回字形铁芯上缠绕有铜丝导线，铜丝导线的两端与电阻相连。

所述电阻通过绝缘粘结剂固定在回字形铁芯上。

利用超精密加工、精密装配、环氧树脂密封等工艺制作悬臂梁式电磁加速度传感器，主要包括：悬臂梁、扁平形永久磁铁或者可控性平面线圈、回字形铁芯、带铁芯的圆柱形绕线线圈、环氧树脂粘接胶、外接电阻、机械传感零件安装固定架，该传感器所用的检测原理是：将扁平形永久磁铁或者可控性平面线圈固定在悬臂梁的末端；悬臂梁在惯性力的作用下发生弯曲弹性大变形后，其末端必然产生较大挠度，从而引起扁平形永久磁铁在其正下方的圆柱形绕线线圈内电磁场的变化。根据法拉第电磁感应定律，当圆柱形绕线线圈内磁场强度发生变化时，圆柱形绕线线圈内必然产生相应的感应电动势；若圆柱形绕线线圈处于闭合电路中，那么圆柱形绕线线圈内也必然产生感应电流。同时圆柱形绕线线圈外接一电阻，以便将圆柱形绕线线圈瞬时产生的感应电动势加载到电阻上，形成感应电动势信号提取端。通过上述原理便把物体瞬时加速度通过感应电动势的形式转化为电阻的端电压，形成加速度信号的提取端；通过检测电阻端电压值便可以得知被测物体加速度的大小。

本文发明的悬臂梁式电磁加速度传感器除了外接导线部分外露以外，内部零部件均处于受机械传感零件安装固定架的保护。悬臂梁式电磁加速度传感器具有基础理论成熟、成本低、适应复杂检测环境、寿命长、制作简单、可批量化生产、可重复使用、操作简便的特点。该传感器可应用于航空航天、海洋、军事、地震监测、汽车、姿态控制、动作识别、状态记录、铁路等领域。

悬臂梁式电磁加速度传感器结构的检测原理是基于悬臂梁受到惯性力而发生弯曲变形后，引起正下方铁心绕线线圈内的磁场强度发生改变，线圈被迫切割磁力线，从而在铁心绕线线圈上产生电磁感应电动势，该传感器整体结构呈回字形状外观。

悬臂梁式电磁加速度传感器中悬臂梁的末端质量块为永久磁铁或平面电磁线圈，同时在其正对下方放置一带有铁芯的电磁感应线线圈，通过可以测量出某一时刻的瞬时加速度。

电磁感应线圈的连接导线处外接一电阻，形成瞬时感应电动势信号的提取端，同时在线圈外接导线上喷涂或印刷一层羟乙基纤维素HEC，形成内部导线保护膜，同时防止内部导线短路。外接电阻置于机械信号转换单元内部，并不外露；对外只是露出两外接检测电路板的金属导线。悬臂梁式电磁加速度传感器检测方式为悬臂梁与绕线线圈间的非接触式测量，悬臂梁末端的永久磁铁或平面电磁线圈并不与正下方的感应线圈相互接触。利用绝缘环氧树脂浇涛传感器已连接和调试好的内部器件，形成整体保护层，从而实现整体封装与绝缘保护的目的，也就具有了抗干扰能力强的特点。悬臂梁式电磁加速度传感器采用了反相比例放大器电路、反相比例放大电路、带通滤波电路和A/D转换电路实现对线圈感应电动势转换测量的。

附图说明

图1为悬臂梁式电磁加速度传感器结构示意图；

图2为悬臂梁与回形铁芯联接图；

图3为感应线圈在铁芯上的绕线图；

图4为悬臂梁式电磁加速度传感结构外接电阻图；

图5为悬臂梁式电磁加速度传感器检测电路。

具体实施方式

悬臂梁式电磁加速度传感器，包括悬臂梁1，悬臂梁的末端设有电磁体2，悬臂梁的另一端通过绝缘粘结剂3固定在回字形铁芯4的一端，悬臂梁的末端正对回字形铁芯的另一端，与悬臂梁的末端对应的回字形铁芯上缠绕有铜丝导线5，铜丝导线的两端与电阻6相连。所述电阻通过绝缘粘结剂固定在回字形铁芯上。

对于本发明所涉及的结构如图1所示，此结构利用悬臂梁理论和电磁理论相结合检测物体加速度。其传感原理如下：当被测物体状态改变或产生加速度时，带铁芯的绕线线圈因受到了悬臂梁产末端（置有永久电磁铁或平面可控性绕线线圈）产生较大挠度的作用，而使带铁芯的圆柱形绕线线圈周围的电磁场发生改变，从而使带铁芯的圆柱形绕线线圈内部产生了相应的感应电动势，反映在电路上便是外接电阻的两端有端电压。根据外接电阻端电压的大小便可反映出被测物体加速度的大小。悬臂梁、带铁芯的绕线线圈、外接电阻的关系如下：

，            （1-1）

若不考虑电磁体重力的影响，则上式可变为：

                （1-2）

其中：

——被测物体由电磁体所产生的惯性力；

——电磁体的质量；

——悬臂梁的弹性模量；

——悬臂梁的有效悬长；

——悬臂梁对Z轴的惯性矩；

——悬臂梁的抗弯刚度；

悬臂梁产生挠度后，在带铁芯的圆柱形绕线线圈内所产生的磁场变化如下：

     （1-3）

带铁芯的圆柱形绕线线圈内产生的感应电动势如下：

（1-4）

其中：

——悬臂梁末端向下产生挠度的极限范围；

——惯性力引起悬臂梁的最大挠度；

——带铁芯绕线线圈宽度的一半;

——带铁芯绕线线圈轴向长度的一半;

——绕线线圈的匝数；

——电磁体内初始电磁感应强度；

外接电阻两端的端电压即信号提取电压，如下：

                    （1-5）

其中：ε ——带铁芯的绕线线圈内产生的感应电动势；

R ——外接电阻阻值；

r ——带铁芯的绕线线圈内阻值；

——外接电阻的端电压，感应电动势信号提取端。

悬臂梁式电磁加速度传感器制作工艺过程，具体如下：取一扁平永久电磁铁或平面线圈（统称为电磁体）和悬臂梁，将电磁体固定在悬臂梁末端处；向平面线圈通以电流使其产生均匀磁场，或者检测电磁体的磁场强度；接着将悬臂梁固定在回字形铁芯一端，并与铁芯保持绝缘，同时确保悬臂梁的末端正好正对回字形铁芯的另一端如图2所示。接着在悬臂梁末端使一瞬时力，观察悬臂梁是否能比较明显地产生挠度，是否能触碰到正下方的铁芯。再取一匝铜丝导线，将其缠绕在悬臂梁末端处正对的铁芯上，形成带铁芯的电磁感应线圈如图3所示。再接着取一块万用表测量缠绕导线的电阻以判断是否存在导线断开现象。接着，取一块电压表将其与电磁感应线圈引出导线连接，以检测电磁感应线圈所产生的感应电动势；接着用一外接电阻与电磁感应线圈外接导线连接，并将外接电阻、悬臂梁和带铁芯的电磁感应线圈固定在固定框架上，并从电阻两端连接外接导线，如图4所示。当悬臂梁式电磁加速度传感器与外接检测电路连接并通过能正常工作的测试后，该传感器外露电极部分与外接导线连接部分应用绝缘硅胶将其覆盖以防长期处于在空气中被氧化而削弱其导电性能。

悬臂梁式电磁加速度传感器测量电路，具体如下：

悬臂梁式电磁加速度传感器的悬臂梁因为只受到被测物体惯性力作用而产生了较大的弯曲变形，形成悬臂梁挠度,引起电磁感应线圈产生感应电动势，使外接电阻两端产生电阻端电压，将外接电阻置于检测电路中，通过测量外接电阻端电压便可知被测物体加速度。其检测电路示意图如图5所示。由于传感器的外接电阻处于检测电路中，当其端电压变化时，反相比例放大电路的输入端电压恰好就是外接电阻的端电压；因此外接电阻端电压的改变必然引起了反相比例放大器Ⅰ输出电压值的改变，也就是被测惯性力是可以引起测量电路中外接电阻端电压的改变的，即图5所示电路可以检测传感器加速度大小的。

当被测物体状态突然发生改变或者产生惯性力时，悬臂梁式电磁加速度传感器由于悬臂梁的大变形而产生了一定的电阻端电压信号，通过反相比例放大器Ⅰ将该信号放大；然后再通过低通滤波器将其他高频干扰信号过滤或者去除；接着再通过反相比例放大器Ⅱ将电信号还原到最初的相位（因为前后经过了两次反相放大，因此经过处理后的信号可以恢复到原来的正电压值，同时将微弱电信号值放大了）；最后再通过A/D转换器限压转换将外力引起的并经过处理的电信号转换为计算机能识别的数字电压信号，当然也可以直接将反相比例放大器Ⅱ处理后的电压信号直接输入至可以接收该信号的模拟显示仪器或处理仪器例如模拟信号示波显示器或者模拟信号处理电路板。

Claims (2)

1. 悬臂梁式电磁加速度传感器，其特征在于：包括悬臂梁，悬臂梁的末端设有电磁体，悬臂梁的另一端通过绝缘粘结剂固定在回字形铁芯的一端，悬臂梁的末端正对回字形铁芯的另一端，与悬臂梁的末端对应的回字形铁芯上缠绕有铜丝导线，铜丝导线的两端与电阻相连。

2. 根据权利要求1所述的悬臂梁式电磁加速度传感器，其特征在于：所述电阻通过绝缘粘结剂固定在回字形铁芯上。

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