CN103823081B - 一种具有双感应阈值的机械式碰撞加速度传感器 - Google Patents
一种具有双感应阈值的机械式碰撞加速度传感器 Download PDFInfo
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Abstract
一种具有双感应阈值机械式碰撞加速度传感器，属于车辆被动安全等技术领域。该传感器的第一支撑梁均连接位于环向壳体中心的带触点惯性质量块，第一支撑梁对应设置在柔性梁触点的上方，柔性梁触点与第一支撑梁连接的环向动触点相配合，带触点惯性质量块与环向壳体连接的中心触点相配合。在惯性力的作用下，带动环向动触点与柔性梁触点接触，以检测碰撞第一阈值，当阈值超过第一阈值时，带触点惯性质量块继续向下运动，与中心触点接触，以检测碰撞第二阈值。该传感器具有结构简单、数字化输出、响应快、精度高、抗电磁干扰、动作准确，可靠性高和柔性自锁的功能，在车辆被动安全、航空航天、仪器跌落保护系统等领域具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有双感应阈值机械式碰撞加速度传感器，属于车辆被动安全、航空航天、仪器跌落保护系统、民用消费电子系统与玩具等领域。可用于汽车安全气囊等被动安全转置的触发开关，也可用作航天器对接时锁扣的触发开关等。
背景技术
具有双感应阈值机械式碰撞加速度传感器具有两个设定的碰撞阈值，并且能够根据碰撞发生时的加速度，判断碰撞的危害程度，并为保护装置等执行器提供明确信号，对人员或者具体装备提供可靠有效的保护，因此在汽车碰撞安全以及对冲击保护领域具有广泛的应用前景。
作为碰撞传感器件，要求在碰撞或冲击发生时传感器件能够做出迅速、可靠和有效的信号，以使保护装置迅速准确的提供保护，所以要求这类器件具有反应迅速、可靠性高和迅速传输信号的特点。现有碰撞传感器通常基于压电或磁电现象来输出模拟信号，同时需要复杂的信号处理电路和处理器，具有成本高和响应慢的特点。另外，在一些强电磁环境下，压电或磁电传感器容易产生误操作现象。例如J.Y.Gauthier等在文献“Multistableactuatorbasedonmagneticshapememoryalloy”(Proceedingofthe10thInternationalConferenceonNewactuators,ACTUATOR'06.,Bremen:Germany(2006))与美国专利US6926246B2提出的基于磁致形状记忆合金的多稳态驱动器，由于存在严重的迟滞现象，会导致基于该结构的碰撞传感器感应精度低和响应速度慢的弱点。同时，由于电磁本身很容易受到外界环境的干扰，所以必须增加额外的电磁屏蔽装置，以保证结构响应的稳定性和准确性，但也增加了结构的复杂性。在文献“微机械加速度传感器及应用”(测控技术2003年第22卷第3期)提到的压阻式微机械加速度传感器受温度效应影响而且灵敏度相对较低，而电容式加速度传感器与压电式加速度传感器都需要在后续电路中增加电荷放大器，增加了传感器的复杂程度和成本。专利CN101752141A提出一种屈曲式加速度传感器，都是针对加速度产生的惯性力发生响应，但是都只针对一种碰撞阈值的检测，不能限定在不同的碰撞强度区间内产生不同的响应。另外，该传感器仅采取点接触的方式来导通电路，容易产生较大的接触电阻。受碰撞角度的影响，还会容易造成触点错位，无法导通电路的故障。目前实现多稳态功能的方法主要是通过双稳态结构叠加和互连，例如Y.Gerson等在文献“Largedisplacementlowvoltagemultistablemicroactuator”(MEMS,2008.Tucson,AZ,USA,January13-17,2008)提出的一种大变形多稳态驱动器，通过若干个屈曲双稳态梁级联是结构具有多稳态性质，但是此类多稳态结构受级联双稳态结构单元自身的稳态个数和位置限制该类结构。不足之处在于，该类结构无法实现多个状态的零保持力功能，无法实现柔性自锁功能。综合考虑，提高碰撞传感器件的抗干扰能力和阈值个数，同时能够降低器件的复杂程度成为设计碰撞传感器件的重要参考指标。
因此根据非线性多稳态纯机械结构的特点设计的一种具有双感应阈值机械式碰撞加速度传感器，能够提供两个碰撞阈值，使气囊能够可以根据不同的碰撞强度区间来提供合理的保护措施，并且可以有效的规避外界电磁干扰的影响，进而大大提高了碰撞传感器件的可靠性和稳定性。
发明内容
针对上述目前碰撞传感器存在单一阈值、抗外界干扰能力小、结构复杂的缺点，本发明提供了一种具有两个阈值三个稳态的纯机械结构碰撞传感器，属于车辆被动安全、航空航天、仪器跌落保护系统、民用消费电子系统与玩具等领域，可用于汽车安全气囊等被动安全转置的触发开关，也可用作航天器对接时锁扣的触发开关。
本发明采用的技术方案是：一种具有双感应阈值机械式碰撞加速度传感器，它包括带触点惯性质量块和中心触点，它还包括环向壳体、环向动触点和柔性梁触点，所述环向壳体内周向设置多个第一支撑梁和多个柔性梁触点，每个第一支撑梁均连接位于环向壳体中心的带触点惯性质量块，第一支撑梁对应设置在柔性梁触点的上方，柔性梁触点的数量与第一支撑梁的数量相同，柔性梁触点与第一支撑梁连接的环向动触点相配合，带触点惯性质量块与环向壳体连接的中心触点相配合；所述第一支撑梁采用依次由固定在环向壳体上的第一水平段、倾角为α的第一倾斜梁和与带触点惯性质量块连接倾角度为β的第二倾斜梁的组合结构，在第一倾斜梁与第二倾斜梁连接的位置设置环向动触点；所述带触点惯性质量块在惯性力的作用下向下运动时，带动环向动触点与柔性梁触点接触，产生电信号传到外接电路，以检测碰撞第一阈值，当阈值超过第一阈值时，带触点惯性质量块继续向下运动，与中心触点接触，以检测碰撞第二阈值；连接位于环向壳体的多个第一支撑梁与带触点惯性质量块组成的结构发生变形时会发生跳跃现象，所对应的力载荷称为跳跃阈值力，该跳跃阈值力与加速度存在如下关系：
a、当ma<Fcr1时，所述加速度传感器不发生跳跃，稳定在第一稳态；
b、当ac1<a<ac2时，机构跳过第一阈值，环向动触点与柔性梁触点接通，触
发加速度响应，所述加速度传感器稳定在第二稳态，即Fcr1<ma<Fcr2；
c、当a>ac2时，机构跳过第一阈值与第二阈值，环向动触点与柔性梁触点接通，带触点惯性质量块与中心触点接通，触发加速度响应，所述加速度传感器稳定在第三稳态，即ma>Fcr2；
式中：m为带触点惯性质量块，a为外界加速度，Fcr1为第一阈值，Fcr2为第二阈值，ac1为第一阈值的临界加速度，ac2为第二阈值的临界加速度。
所述带触点惯性质量块采用带触点轴对称质量块，所述第一支撑梁的布置采用轴对称或非轴对称结构。
所述带触点惯性质量块采用带触点非轴对称质量块，所述第一支撑梁的布置采用轴对称或非轴对称结构。
本发明与现有技术相比具有如下的优点：
1、采用多段连接柔性支撑梁作为弹性元件，利用其非线性阈值及跳跃特征实现传感器的高精度和快速响应；
2、通过环向动触点的设置，使其具有显著的三稳态特性，进而实现双阈值的感应功能，实现传感器的机械数字化输出；
3、碰撞传感器为纯机械结构，不需要考虑外界电磁环境对结构性能的影响；
4、结构简单，便于加工和制造，易于批量生产，降低成本；
5、提出了实现精密碰撞感应的传感器设计方法，实现不同阈值的应用需求；
6、为了满足结构的非对称跳跃的需求，可以改变质量块的质量分布或者改变结构部分支撑梁的材料属性和截面尺寸以使结构自身非对称。
由于本发明具有以上的特点，所以在车辆被动安全、航空航天、仪器跌落保护系统、民用消费电子系统与玩具等领域具有广泛应用前景。
附图说明
图1是一种具有双感应阈值机械式碰撞加速度传感器的第一稳态图。
图2是图1中加速度传感器的第二稳态图。
图3是图1中加速度传感器的第三稳态图。
图4是图1中加速度传感器对称跳跃过程的力与位移曲线图。
图5是另一种具有双感应阈值机械式碰撞加速度传感器的第一稳态图。
图6是图5中加速度传感器的第二稳态图。
图7是图5中加速度传感器的第三稳态图。
图8是图5中加速度传感器非对称跳跃过程的力与位移曲线图。
图9是一种非对称跳跃碰撞加速度传感器的结构图。
图10是另一种非对称跳跃碰撞加速度传感器的结构图。
图中：1、第一支撑梁，1a、第一水平段，1b、第一倾斜段，1c、第二倾斜段，2、带触点轴对称质量块，3、环向动触点，4、柔性梁触点，5、中心触点，6、环向壳体，7、带触点非轴对称质量块，8、第二支撑梁，9、第三支撑梁。
具体实施方式
实施案例1
图1示出了一种具有双感应阈值机械式碰撞加速度传感器的第一稳态图。图中，具有双感应阈值机械式碰撞加速度传感器包括带触点轴对称质量块2、中心触点5、环向壳体6、环向动触点3和柔性梁触点4，环向壳体6内周向设置多个第一支撑梁1和多个柔性梁触点4，每个第一支撑梁1均连接位于环向壳体6中心的带触点轴对称质量块2，第一支撑梁1对应设置在柔性梁触点4的上方，柔性梁触点4的数量与第一支撑梁1的数量相同，柔性梁触点4与第一支撑梁1连接的环向动触点3相配合，带触点轴对称质量块2与环向壳体6连接的中心触点5相配合。第一支撑梁1采用依次由固定在环向壳体6上的第一水平段1a、倾角为α的第一倾斜梁1b和与带触点轴对称质量块2连接倾角度为β的第二倾斜梁1c的组合结构，在第一倾斜梁1b与第二倾斜梁1c连接的位置设置环向动触点3。当没有外界冲击时，各个第一支撑梁1与带触点轴对称质量块2保持于原位置不动，此时碰撞传感器处于第一稳态。
图2示出了加速度传感器的第二稳态图。当外界碰撞力大于第一危险阈值小于第二危险阈值时，带触点轴对称质量块2在惯性力作用下向下运动，使第一支撑梁1发生屈曲，使结构只在第一支撑梁1的屈曲力作用下运动，并发生跳跃，并带动环向动触点3向下运动并与环向布置的柔性梁触点4接触，触发第一危险碰撞阈值响应，此时结构将稳定在第二稳态。同时，带触点轴对称质量块2并未与中心触点5发生接触，保证了此时的碰撞不触发第三危险阈值响应。
图3示出了加速度传感器的第三稳态图。当外界碰撞力大于第二危险阈值，带触点轴对称质量块2在惯性力作用下向下运动，第一支撑梁1继续发生屈曲，结构再次发生跳跃，并带动环向触点3向下运动并与柔性梁触点4接触，触发第一危险碰撞阈值响应，到达第二稳态；由于碰撞力过大，带触点轴对称质量块2将继续向下运动，并在此发生跳跃，带触点轴对称质量块2与中心触点5接触，触发第二危险阈值响应，此时结构处于第三稳态。
一种具有双感应阈值机械式碰撞加速度传感器抗干扰的能力主要表现在结构为纯机械结构，传感器仅依靠第一支撑梁1的屈曲力工作，不受外界环境的影响，工作稳定性不受外界电磁、温度、湿度等环境变化而变化；由于有危险阈值的限定，所以各个稳态位置工作是独立的互不干扰的。
算例说明：
具有双感应阈值机械式碰撞加速度传感器的结构参数，第一支撑梁1的跨度l＝27.0mm，其中水平梁1a跨度l(1a)＝5.0mm，第一倾斜段1b的跨度l(1b)＝10.0mm，α＝30.0°，第二倾斜梁1c的跨度l(1c)＝12.0mm，β＝20.0°，选用的材料为钢，弹性模量EX＝207.0GPa，泊松比μ＝0.29。图4给出了通过有限元计算得到的碰撞传感器的力学特性，传感器的第一阈值力Fcr1＝54.64N，第二阈值力Fcr2＝35.17N，其跳转过程的结构的力与位移曲线如图4所示，当感受的惯性力小于第一阈值力时，结构呈现正刚度状态，及随着位移的增加反作用力增大；惯性力大于第一阈值力结构越过第一阈值位置，这是结构会处于负刚度状态，作用力会随着位移的增加而减小，进而产生反方向的力，进而发生跳跃，跳到第二个正刚度区域进而达到平衡，此时结构稳定在第二稳态位置；随着惯性力的增加结构会触发第二次响应，反作用力仍然是先增加后减小，结构发生第二次跳跃，最终稳定在第三稳态位置。
与传统悬臂梁式碰撞传感器相比，本发明实现了精确地阈值感应功能和不同平碰撞环境的准确探测，对比结果如下表所示。
通过上面表格对比可以发现，本发明设计的一种多阈值碰撞加速度传感器与传统的悬臂梁传感器相比，具有准确的阈值感应能力，并且能够稳定保持在两个不同的位置(行程为11.5mm和20.6mm处)。
实施案例2
图5、6、7给出了另一种多阈值碰撞加速度传感器的结构图。图中，在实施案例1的基础上，采用带触点非轴对称质量块7代替实施方式1中的带触点轴对称质量块2，其他结构保持不变。该类传感器在碰撞发生时，产生非对称跳跃，同样产生三个稳态，图6与图7为该结构的第二稳态位置和第三稳态位置，其跳转过程中的力与位移曲线如图8所示。
图8给出了传感器动作过程的力位移曲线，当感受的惯性力小于第一阈值力时，结构呈现正刚度状态，及随着位移的增加反作用力增大；惯性力大于第一阈值力结构越过第一阈值位置，这是结构会局部处于负刚度状态，作用力会随着位移的增加而减小，进而产生反方向的力，进而局部先发生跳跃，进而带动另一部分跳跃使整个结构跳到第二个正刚度区域进而达到平衡，此时结构稳定在第二稳态位置；随着惯性力的增加结构会触发第二次响应，反作用力仍然是先增加后减小，结构仍然是以局部先跳跃带动另一部分区域发生第二次跳跃，最终使得整个结构稳定在第三稳态位置。该类传感器能感受来自侧面的冲击，即外界冲击感应不同向的功能。
当外界碰撞超过第一危险阈值但小于第二危险阈值，由于采用了带触点非轴对称质量块7，导致不同支撑梁所受的惯性力不同，使各个支撑梁产生的屈曲程度不同，最终导致结构的第一次非对称跳跃，使部分环向动触点3与柔性梁触点4接触，触发第一危险阈值响应，此时结构处于第二稳态位置，触点接触达到稳定状态。
当外界碰撞超过第二危险阈值时，由于质量块受到惯性力作用，导致结构的第一次非对称跳跃，使部分环向动触点3与柔性梁触点4接触，触发第一危险阈值响应，此时结构处于第二稳态位置，触点接触达到稳定状态，由于惯性力较大，质量块继续向下运动，使支撑梁达到更大程度的屈曲，当非均质带触点惯性质量块7与中心触点5稳定接触，触发第二危险阈值响应，此时结构处于第三稳态。
实施案例3
图9给出的另一种多阈值碰撞加速度传感器的结构图。图中，在实施例1的基础上，将第一支撑梁1中的部分梁用第二支撑梁8替换，第一支撑梁1与第二支撑梁8的材料不同，造成结构本身的非对称，其余部分与实施案例1中结构保持一致，当有外界碰撞时，带触点轴对称质量块2在惯性力的作用下向下运动，由于第一支撑梁1与第二支撑梁8的材料不同，造成第一支撑梁1与第二支撑梁8的刚度不同，由于带触点轴对称质量块2在各个支撑位置产生的压力相同，所以第一支撑梁1和第二支撑梁8产生的挠度不同，使结构发生非对称跳跃。
实施案例4
图10给出的另一种多阈值碰撞加速度传感器的结构图。在实施例1的基础上，改变第一支撑梁1中的部分梁的截面属性，将变截面的支撑梁命名为第三支撑梁9，其余部分与实施案例1中结构保持一致，造成结构本身非线性，由于截面的改变致使第一支撑梁1与第三支撑梁9的刚度不同，在外界冲击下，第一支撑梁1与第三支撑梁9在相同的外力条件下发生不同的变形，使结构在第一稳态向其他稳态跳跃的过程为非轴对称。
Claims (3)
1.一种具有双感应阈值机械式碰撞加速度传感器，它包括带触点惯性质量块和中心触点(5)，其特征是：它还包括环向壳体(6)、环向动触点(3)和柔性梁触点(4)，所述环向壳体(6)内周向设置多个第一支撑梁(1)和多个柔性梁触点(4)，每个第一支撑梁(1)均连接位于环向壳体(6)中心的带触点惯性质量块，第一支撑梁(1)对应设置在柔性梁触点(4)的上方，柔性梁触点(4)的数量与第一支撑梁(1)的数量相同，柔性梁触点(4)与第一支撑梁(1)连接的环向动触点(3)相配合，带触点惯性质量块与环向壳体(6)连接的中心触点(5)相配合；所述第一支撑梁(1)采用依次由固定在环向壳体(6)上的第一水平段(1a)、倾角为α的第一倾斜梁(1b)和与带触点惯性质量块连接倾角度为β的第二倾斜梁(1c)的组合结构，在第一倾斜梁(1b)与第二倾斜梁(1c)连接的位置设置环向动触点(3)；所述带触点惯性质量块在惯性力的作用下向下运动时，带动环向动触点(3)与柔性梁触点(4)接触，产生电信号传到外接电路，以检测碰撞第一阈值，当阈值超过第一阈值时，带触点惯性质量块继续向下运动，与中心触点(5)接触，以检测碰撞第二阈值；连接位于环向壳体(6)的多个第一支撑梁(1)与带触点惯性质量块组成的结构发生变形时会发生跳跃现象，所对应的力载荷称为跳跃阈值力，该跳跃阈值力与加速度存在如下关系：
a、当ma<Fcr1时，所述加速度传感器不发生跳跃，稳定在第一稳态；
b、当ac1<a<ac2时，机构跳过第一阈值，环向动触点(3)与柔性梁触点(4)接通，触发加速度响应，所述加速度传感器稳定在第二稳态，即Fcr1<ma<Fcr2；
c、当a>ac2时，机构跳过第一阈值与第二阈值，环向动触点(3)与柔性梁触点(4)接通，带触点惯性质量块与中心触点(5)接通，触发加速度响应，所述加速度传感器稳定在第三稳态，即ma>Fcr2；
式中：m为带触点惯性质量块，a为外界加速度，Fcr1为第一阈值，Fcr2为第二阈值，ac1为第一阈值的临界加速度，ac2为第二阈值的临界加速度。
2.根据权利要求书1所述的一种具有双感应阈值机械式碰撞加速度传感器，其特征是：所述带触点惯性质量块采用带触点轴对称质量块(2)，所述第一支撑梁(1)的布置采用轴对称或非轴对称结构。
3.根据权利要求书1所述的一种具有双感应阈值机械式碰撞加速度传感器，其特征是：所述带触点惯性质量块采用带触点非轴对称质量块(7)，所述第一支撑梁(1)的布置采用轴对称或非轴对称结构。
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Granted publication date: 20151230 Termination date: 20180311 |
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