CN103913158B - 磁电式科里奥利力检测传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种磁电式科里奥利力检测传感器，包括壳体以及设置于壳体内部的质量体和检测传感器机构，所述壳体作为旋转体系，其角速度为所述质量体m以速度相对壳体运动，所述检测传感器机构用于实现角度检测。本发明基于科里奥利力效应实现平转动体(壳体)低速或高速的宽频转速的检测。由于当m一定时，科里奥利力的值取决于质点(质量体)的运动速度和旋转体系(壳体)的角速度所以，当较小(平转动体转速慢)或较大(平转动体转速快)时，通过对应增加或减小质点运动速度即能够取得和之间优化对应的频谱关系，获得稳定的科里奥利力，进而实现平转动体慢速或快速转动检测。

Description

磁电式科里奥利力检测传感器

技术领域

本发明涉及力检测传感器技术领域，具体地，涉及一种磁电式科里奥利力检测传感器。

背景技术

我们知道根据牛顿力学的理论，以旋转体系为参照系，质点的直线运动偏离原有方向的倾向被归结为一个外加力的作用，该力即为科里奥利力，并定义为：式中为科里奥利力；m为质点质量；为质点运动速度；为旋转体系角速度。

目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种磁电式科里奥利力检测传感器。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种磁电式科里奥利力检测传感器，包括壳体以及设置于壳体内部的质量体和检测传感器机构，所述壳体作为旋转体系，其角速度为所述质量体以速度相对壳体运动，所述检测传感器机构用于实现角度检测。

优选地，所述质量体通过平衡力悬浮在壳体的三维空间内。

优选地，所述平衡力通过如下任一种方式提供：

-弹性材料体，所述弹性材料体的一端固定于壳体的任一向或任多向端面上，弹性材料体的另一端与质量体固接，所述质量体在弹性材料体的约束下悬浮；

-可对称变化磁场，所述质量体在磁场作用下悬浮。

优选地，所述弹性材料体包括：弹性网、单体柔性铰链、单体弹簧以及由多个单体柔性铰链或多个单体弹簧组合形成的组合体。

优选地，还包括电磁线圈，所述电磁线圈固定于壳体的任一端面上；所述质量体为永磁体质量块、电磁体质量块和铁磁体质量块中的任一种，对所述电磁线圈施加交变载荷(交变电流)，产生交变电磁力，使质量体产生往复直线运动。

优选地，所述永磁体质量块为如下任一种结构：

-在X和Z向磁极正交的两块永磁体的组合体；

-包括刚性材料体和与刚性材料体端面相适配的多个磁力片，所述磁力片的S极或N极胶接在刚性材料体的每一个端面上，相应地，磁力片的N极或S极形成外端面。

优选地，所述检测传感器机构为以下任一种结构：

-包括一个传感器单元，所述传感器单元设置于壳体上的X向端面、Y向端面和Z向端面中的任一端面上，或，设置于质量体的X向端面、Y向端面和Z向端面中的任一端面上；

-包括多个传感器单元，所述多个传感器单元分别设置于壳体上的X向端面、Y向端面和Z向端面中的任多个端面上，和／或，设置于质量体的X向端面、Y向端面和Z向端面中的任多个端面上，实现多个传感器单元对一个角度的同时检测。

优选地，每一个传感器单元为如下任一种结构：

-第一磁致伸缩-压电传感器单体，包括相互连接的压电体和磁致伸缩体；

-第二磁致伸缩-压电传感器单体，包括压电体、磁致伸缩体和永磁体块，所述压电体和磁致伸缩体相互连接，所述永磁体块设置于对磁致伸缩体产生永磁励磁场的位置上，例如，所述永磁体块设置于磁致伸缩体的一端部或两侧；

-第一磁致伸缩-压电传感器单体和／或第二磁致伸缩-压电传感器单体刚性连接组合形成的磁致伸缩-压电传感器组合体。

优选地，还包括一维平动检测传感器，所述一维平动检测传感器设置于质量体的X轴、Y轴和Z轴中任一个或任多个平动运动方向上，此时，质量体未设置一维平动检测传感器的其他轴运动方向通过滑动接触件约束；向质量体施加平动运动惯性作用力，使质量体产生相对于一维平动检测传感器的移动，进而测量质量体平动位移、加速度和／或速度。

优选地，所述惯性作用力通过振动产生。

本发明的工作原理为：基于科里奥利力效应实现平转动体(壳体)低速或高速的宽频转速的基于磁电效应的检测。由于当质点(质量体)的质量m一定时，科里奥利力的值取决于质点(质量体)的运动速度和旋转体系(壳体)的角速度所以，当较小(平转动体转速慢)或较大(平转动体转速快)时，通过对应增加或减小质点运动速度即能够取得和之间优化对应的频谱关系，获得稳定的科里奥利力，使质量体相对传感器单元空间位置发生变化，引起磁电信号，进而对应得到平转动体慢速或快速转动的检测。

本发明提供的磁电式科里奥利力检测传感器，基于科里奥利力效应，实现平转动体低速或高速的宽频转速的检测。通过采用磁致伸缩-压电传感器和一维平动检测传感器，最多能够实现包括三个转动角度检测和三个平动测量的六自由度检测，填补了本领域中关于磁电式科里奥利力检测传感器的空白。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为采用柔性铰链的磁电式科里奥利力检测传感器组成示意图；

图2为采用弹簧设置于质量块上的磁电式科里奥利力检测传感器组成示意图；

图3为检测传感器机构设置于质量块上的磁电式科里奥利力检测传感器组成示意图；

图4为第二磁致伸缩-压电传感器单体结构示意图；

图5为磁致伸缩-压电传感器组合体结构示意图；

图6为电磁线圈固定于壳体上的结构示意图；

图7为实施例3中两个传感器单体正交放置组合安装示意图；

图中：1为壳体，2为质量体，3为检测传感器机构，4为电磁线圈，5为柔性铰链，6为弹簧，7为压电体，8为磁致伸缩体，9为永磁体。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

如图1、图2、图3和图6所示，本实施例提供了一种磁电式科里奥利力检测传感器，包括壳体1以及设置于壳体1内部的质量体2和检测传感器机构3，所述壳体1作为旋转体系，以角速度旋转，所述质量体2以速度相对壳体1运动，所述检测传感器机构3用于实现角度检测。

进一步地，所述质量体2通过平衡力悬浮在壳体的三维空间内。

进一步地，所述平衡力通过以下任一种方式提供：

-弹性材料体，所述弹性材料体的一端固定于壳体的任一向或任多向端面上，弹性材料体的另一端与质量体固接，所述质量体在弹性材料体的约束下悬浮；

-可对称变化磁场，所述质量体在磁场作用下悬浮。

进一步地，所述弹性材料体包括：弹性网、单体柔性铰链、单体弹簧以及由多个单体柔性铰链或多个单体弹簧组合形成的组合体。

进一步地，还包括电磁线圈4，所述电磁线圈4设置于壳体1的任一端面上；所述质量体2为永磁体质量块、电磁体质量块和铁磁体质量块中的任一种，对所述电磁线圈4施加交变载荷，使质量体2产生往复直线运动。

进一步地，所述电磁线圈4可以设置于壳体1的内部端面上，也可以设置于壳体1的外部端面上。

进一步地，所述永磁体质量块为如下任一种结构：

-在X和Z向磁极正交的两块永磁体的组合体；

-包括刚性材料体和与刚性材料体端面相适配的多个磁力片，所述磁力片的S极或N极胶接在刚性材料体的每一个端面上，相应地，磁力片的N极或S极形成外端面。

进一步地，所述检测传感器机构3为如下结构：

-包括一个传感器单元，所述传感器单元设置于壳体上的X向端面、Y向端面和Z向端面中的任一端面上，或，设置在质量块的X向端面、Y向端面和Z向端面中的任一端面上。

所述传感器单元为如下任一种结构：

-第一磁致伸缩-压电传感器单体，包括相互连接的压电体和磁致伸缩体；

-第二磁致伸缩-压电传感器单体，包括压电体、磁致伸缩体和永磁体块，所述压电体和磁致伸缩体相互连接，所述永磁体块设置于对磁致伸缩体产生永磁励磁场的位置上，例如，所述永磁体块设置于磁致伸缩体的一端部或两侧，如图4所示；

-第一磁致伸缩-压电传感器单体和／或第二磁致伸缩-压电传感器单体刚性连接组合形成的磁致伸缩-压电传感器组合体，在此方案下，多路传感信号同时输出，使信号加强，如图5所示。

当电磁线圈施加交变载荷使质量体产生X向往复直线运动时，如果绕Y轴以角速度为转动壳体，那么基于科里奥利力效应，质量体会在Z向往复运动，进而产生相对于磁致伸缩-压电传感器的交变励磁场，产生对应压电传感信号e；该压电传感信号量值与角速度，进而与实时转动角度对应，进而实现磁致伸缩-压电传感器对转角的测量。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于，将质量体和电磁线圈的位置进行互换，即，将处于壳体中央的电磁线圈作为主动激励体(施加电磁力)，而与处于壳体端面上的质量体产生相对运动，即，电磁线圈既是主动激励体，又是移动体，其工作原理与实施例1相同。

实施例3

本实施例在实施例1或实施例2的基础上，与实施例1或实施例2的区别在于，所述检测传感器机构为如下结构：

-包括多个传感器单元，所述多个传感器单元分别设置于壳体上的X向端面、Y向端面和Z向端面中的任多个端面上，和／或，设置在质量块的X向端面、Y向端面和Z向端面中的任多个端面上，实现多个传感器单元对一个角度的同时检测。

实施例4

本实施例在上述四个实施例基础上，进一步地，还包括一维平动检测传感器，所述一维平动检测传感器设置于质量体的X轴、Y轴和Z轴中任一个或任多个平动运动方向上，此时，质量体未设置一维平动检测传感器的其他轴运动方向通过滑动接触件约束；向质量体施加平动运动惯性作用力，使质量体产生相对于一维平动检测传感器的移动，进而测量质量体平动位移、加速度和／或速度。

进一步地，所述惯性作用力通过振动产生。

进一步地，所述振动可以为振动信号。

上述四个实施例的工作原理为：

基于科里奥利力效应实现平转动体(壳体)低速或高速的宽频转速的检测。由于当质点(质量体)的质量m一定时，科里奥利力的值取决于质点(质量体)的运动速度和旋转体系(壳体)的角速度所以，当较小(平转动体转速慢)或较大(平转动体转速快)时，通过对应增加或减小质点运动速度即能够取得和之间优化对应的频谱关系，获得稳定的科里奥利力，使质量体相对传感器单元空间位置发生变化，引起磁电信号，进而对应得到平转动体慢速或快速转动的检测。

在上述四个实施例中，如果将磁致伸缩-压电传感器转动90度，即将磁致伸缩-压电传感器Y向转至与X方向一致的方向安装，那么，该磁致伸缩-压电传感器可实现镜面相对X轴转角的测量。同理，将两个磁致伸缩-压电传感器(S1，S2)正交放置并组合为一体，可构成一体化的两转动角度测量传感器。如果安装位置与空间指定转动中心的几何尺寸确定，磁致伸缩-压电传感器也可安装在平转动体的任一位置，并通过坐标变换得到目标测量值，如图7所示。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种磁电式科里奥利力检测传感器，其特征在于，包括壳体以及设置于壳体内部的质量体和检测传感器机构，所述壳体作为旋转体系，其角速度为所述质量体以速度相对壳体运动，所述检测传感器机构用于实现角度检测；

所述检测传感器机构为以下任一种结构：

包括一个传感器单元，所述传感器单元设置于壳体上的X向端面、Y向端面和Z向端面中的任一端面上，或，设置于质量体的X向端面、Y向端面和Z向端面中的任一端面上；

包括多个传感器单元，所述多个传感器单元分别设置于壳体上的X向端面、Y向端面和Z向端面中的任多个端面上，和/或，设置于质量体的X向端面、Y向端面和Z向端面中的任多个端面上，实现多个传感器单元对一个角度的同时检测；

所述质量体通过平衡力悬浮在壳体的三维空间内。

2.根据权利要求1所述的磁电式科里奥利力检测传感器，其特征在于，所述平衡力通过如下任一种方式提供：

弹性材料体，所述弹性材料体的一端固定于壳体的任一向或任多向端面上，弹性材料体的另一端与质量体固接，所述质量体在弹性材料体的约束下悬浮；

可对称变化磁场，所述质量体在磁场作用下悬浮。

3.根据权利要求2所述的磁电式科里奥利力检测传感器，其特征在于，所述弹性材料体包括：弹性网、单体柔性铰链、单体弹簧以及由多个单体柔性铰链或多个单体弹簧组合形成的组合体。

4.根据权利要求1所述的磁电式科里奥利力检测传感器，其特征在于，还包括电磁线圈，所述电磁线圈固定于壳体的任一端面上；所述质量体为永磁体质量块、电磁体质量块和铁磁体质量块中的任一种，对所述电磁线圈施加交变载荷，使质量体产生往复直线运动。

5.根据权利要求4所述的磁电式科里奥利力检测传感器，其特征在于，所述永磁体质量块为如下任一种结构：

在X和Z向磁极正交的两块永磁体的组合体；

包括刚性材料体和与刚性材料体端面相适配的多个磁力片，所述磁力片的S极或N极胶接在刚性材料体的每一个端面上，相应地，磁力片的N极或S极形成外端面。

6.根据权利要求1所述的磁电式科里奥利力检测传感器，其特征在于，每一个传感器单元为如下任一种结构：

第一磁致伸缩-压电传感器单体，包括相互连接的压电体和磁致伸缩体；

第二磁致伸缩-压电传感器单体，包括压电体、磁致伸缩体和永磁体块，所述压电体和磁致伸缩体相互连接，所述永磁体块设置于对磁致伸缩体产生永磁励磁场的位置上；

第一磁致伸缩-压电传感器单体和/或第二磁致伸缩-压电传感器单体刚性连接组合形成的磁致伸缩-压电传感器组合体。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的磁电式科里奥利力检测传感器，其特征在于，还包括一维平动检测传感器，所述一维平动检测传感器设置于质量体的X轴、Y轴和Z轴中任一个或任多个平动运动方向上，此时，质量体未设置一维平动检测传感器的其他轴运动方向通过滑动接触件约束；向质量体施加平动运动惯性作用力，使质量体产生相对于一维平动检测传感器的移动，进而测量质量体平动位移、加速度和/或速度。

8.根据权利要求7所述的磁电式科里奥利力检测传感器，其特征在于，所述惯性作用力通过振动产生。