CN108548940A - 一种加速度传感器 - Google Patents

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张西宁
夏心锐
张雯雯
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Abstract

本发明公开了一种加速度传感器，包括外壳上部、弹簧悬臂、外壳下部及弹簧片，其中，弹簧片固定于外壳上部与外壳下部之间，弹簧片为环形结构，弹簧悬臂的一端固定于弹簧片的内壁上，弹簧悬臂的另一端设置有惯性质量永磁铁，外壳上部的顶部中心位置处安装有霍尔元件，弹簧片、外壳上部及外壳下部围成的腔体内填充有磁流体，该传感器的检测频带范围宽，且结构简单，体积小，稳定性较好。

Description

一种加速度传感器
技术领域
本发明涉及一种传感器，具体涉及一种加速度传感器。
背景技术
传感技术的发展对于推动工业社会变革进程具有极为重要的意义。在工业场景中，加速度传感器作为除压力传感器外使用频率最高的传感器，其技术的改进和研究具有重要意义。近年来新材料、新结构在加速度传感器上的应用是加速度传感技术的趋势和发展方向。随着工业使用范围的不断扩大，使用要求的不断提高，研究提高加速度传感器使用频带的方法和结构具有重要意义。
磁流体是一种由磁性纳米颗粒、表面活性剂和基载液组成的胶状液体。作为一种新型“智能材料”，磁流体在加速度传感器上应用研究引起了国内外学者的重视。按照惯性质量的不同，目前磁流体加速度传感器主要可分为磁流体作惯性质量、非导磁体作惯性质量和永磁体作惯性质量三种类型。目前磁流体在加速度传感器的应用研究取得了一定的成果，按照惯性质量的不同一般分为磁流体作惯性质量、非导磁体作惯性质量和永磁体作惯性质量三种类型。磁流体作惯性质量的加速度传感器适用于超低频微小加速度的测量，由于采用电磁感应原理进行检测，线圈的设计使得传感器体积庞大并且实际测量结果线性度不好，无实用价值。非导磁体作惯性质量的磁流体加速度传感器利用磁流体的一阶悬浮效应，使非导磁体悬浮于受梯度磁场作用的磁流体中，通过电容检测惯性力作用下的非导磁体位移，灵敏度高，但体积大、质量重、测量范围小。永磁铁做惯性质量的加速度传感器通过永磁铁在磁流体中的二阶悬浮力提供回复力，惯性作用下磁铁移动，通过电感对变化的磁场进行检测，从而实现加速度测量，该类型传感器稳定性差、体积大、测量范围小。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种加速度传感器，该传感器的检测频带范围宽，且结构简单，体积小，稳定性较好。
为达到上述目的，本发明所述的加速度传感器包括外壳上部、弹簧悬臂、外壳下部及弹簧片，其中，弹簧片固定于外壳上部与外壳下部之间，弹簧片为环形结构，弹簧悬臂的一端固定于弹簧片的内壁上，弹簧悬臂的另一端设置有惯性质量永磁铁，外壳上部的顶部中心位置处安装有霍尔元件，弹簧片、外壳上部及外壳下部围成的腔体内填充有磁流体。
惯性质量永磁铁位于弹簧片的中间弹性位移处。
外壳上部、外壳下部及弹簧片通过螺钉固定。
弹簧悬臂为直臂结构或者弯臂结构。
惯性质量永磁铁为实心圆柱形永磁铁、实心方形永磁铁或带孔永磁铁。
惯性质量永磁铁的数量为一个或多个。
磁流体由基载液及悬浮颗粒组成，其中，基载液为煤油基、柴油基及脂基中的一种或几种按任意比例混合的混合物，悬浮颗粒为铁磁性纳米颗粒。
霍尔元件为线性霍尔元件，其中，霍尔元件的输出电压与其所在磁场的强度成正比。
弹簧悬臂的数量为一个或者多个。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的加速度传感器在具体操作时，惯性质量永磁铁固定于弹簧悬臂上，弹簧悬臂固定于弹簧片上，弹簧片固定于外壳上部与外壳下部之间，结构简单，易于实现。另外，本发明中外壳上部、外壳下部及弹簧片形成的腔体内填充有磁流体，通过磁流体吸附于惯性质量永磁铁上，从而产生流变效应，在无机械接触的情况下，增加传感器的阻尼，提高传感器的检测频带宽度，在检测时，将待测物的加速度转换为惯性质量永磁铁的位移，然后通过霍尔元件检测惯性质量永磁铁产生的磁场大小，以实现对待测物加速度的检测，避免传统技术中将电感与电容元件作为换能元件时带来的体积大、效率低及稳定性差的问题，同时本发明采用霍尔元件作为换能元件，以简化外接的信号调理模块，降低传感器的成本。
附图说明
图1为本发明中外壳上部1与外壳下部2的结构示意图；
图2为本发明中弹簧片3、弹簧悬臂6及惯性质量块的结构示意图；
图3为实施例中传感器的振动衰减曲线图；
图4为本发明与标准传感器的输出关系图；
图5为添加磁流体和未添加磁流体的频响曲线对比图。
其中，1为外壳上部、2为外壳下部、3为弹簧片、4为惯性质量永磁铁、5为霍尔元件、6为弹簧悬臂。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1及图2所示，本发明所述的加速度传感器包括外壳上部1、弹簧悬臂6、外壳下部2及弹簧片3，其中，弹簧片3固定于外壳上部1与外壳下部2之间，弹簧片3为环形结构，弹簧悬臂6的一端固定于弹簧片3的内壁上，弹簧悬臂6的另一端设置有惯性质量永磁铁4，外壳上部1的顶部中心位置处安装有霍尔元件5，弹簧片3、外壳上部1及外壳下部2围成的腔体内填充有磁流体，其中，惯性质量永磁铁4位于弹簧片3的中间弹性位移处；外壳上部1、外壳下部2及弹簧片3通过螺钉固定。
弹簧悬臂6为直臂结构或者弯臂结构；惯性质量永磁铁4为实心圆柱形永磁铁、实心方形永磁铁或带孔永磁铁；惯性质量永磁铁4的数量为两个，且两个惯性质量永磁铁4关于弹簧片3对称分布；弹簧悬臂6的数量为一个或者多个。
磁流体由基载液及悬浮颗粒组成，其中，基载液为煤油基、柴油基及脂基中的一种或几种按任意比例混合的混合物，悬浮颗粒为铁磁性纳米颗粒。
霍尔元件5为线性霍尔元件，其中，霍尔元件5的输出电压与其所在磁场的强度成正比。
本发明的组装过程为：
1)将霍尔元件5粘合于外壳上部1，再将惯性质量永磁铁4通过弹簧悬臂6固定于弹簧片3上，然后将弹簧片3与外壳上部1及外壳下部2对中，再在外壳上部1与外壳下部2形成的腔体内充入磁流体，然后将外壳上部1、外壳下部2及弹簧片3通过螺钉固定，并将霍尔元件5的供电端与外接直流电源相连接，最后将霍尔元件5的输出端连接至采集端；
2)利用激振法得到传感器的振动衰减曲线，并测量传感器的刚度及阻尼，然后调节惯性质量永磁铁4的大小，弹簧悬臂6的刚度及阻尼系数的大小，使得传感器取得最大的使用频段。
实施例一
调整惯性质量永磁铁4的上表面与外壳上部1腔体的表面距离至3.6mm，在未加磁流体的情况下，先进行传感器的安装，并做激振实验，采样频率为50kHz，得到传感器的振动衰减曲线如图3，得到固有频率560Hz，惯性质量为0.5157g，根据低阻尼情况下其中，ωn为无阻尼固有频率，k为弹簧悬臂6的刚度，m为惯性质量永磁铁4的大小，可求出k为161.723N/m。根据其中Ai和Ai+1为相邻两次衰减曲线峰值的幅值，ξ为阻尼比，可求出阻尼比为0.0189。重复上述步骤，可求出不同弹簧悬臂6刚度下、不同惯性质量永磁铁4大小和不同惯性质量永磁铁4到外壳上部1距离条件下的阻尼比及固有频率，从而选定合适的传感器硬件参数。
实施例二
将标准加速度传感器与本发明安装于同一激振台的振动头上，使振动台在不同加速度下进行振动，得到标准加速度的响应幅值与本发明的响应幅值，测量结果如图4，可知，本发明和标准加速度传感器之间具有很好的线性关系，表明本发明对加速度的响应具有很好的线性度。
验证性实验
验证磁流体对于加速度传感器的作用，在同等弹簧悬臂6、惯性质量永磁铁4及壳体的条件下，对有无磁流体的传感器频率响应进行实验。激励加速度幅值为3.5g，其中，g为重力加速度，在160Hz-750Hz内，每间隔12.5Hz测量每一个频率的响应幅值，对得到的幅值按照频响函数曲线进行拟合，拟合结果如图5所示，按照误差10％进行分析，在未加磁流体的情况下，传感器的可用频率为0-161.5Hz，在加磁流体的情况下，传感器的可用频率为0-575.4Hz，加入磁流体后，对于传感器频率拓宽的效果非常显著。
以上内容是结合具体的实验条件对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (9)

1.一种加速度传感器，其特征在于，包括外壳上部(1)、弹簧悬臂(6)、外壳下部(2)及弹簧片(3)，其中，弹簧片(3)固定于外壳上部(1)与外壳下部(2)之间，弹簧片(3)为环形结构，弹簧悬臂(6)的一端固定于弹簧片(3)的内壁上，弹簧悬臂(6)的另一端设置有惯性质量永磁铁(4)，外壳上部(1)的顶部中心位置处安装有霍尔元件(5)，弹簧片(3)、外壳上部(1)及外壳下部(2)围成的腔体内填充有磁流体。
2.根据权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于，惯性质量永磁铁(4)位于弹簧片(3)的中间弹性位移处。
3.根据权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于，外壳上部(1)、外壳下部(2)及弹簧片(3)通过螺钉固定。
4.根据权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于，弹簧悬臂(6)为直臂结构或者弯臂结构。
5.根据权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于，惯性质量永磁铁(4)为实心圆柱形永磁铁、实心方形永磁铁或带孔永磁铁。
6.根据权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于，惯性质量永磁铁(4)的数量为一个或多个。
7.根据权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于，磁流体由基载液及悬浮颗粒组成，其中，基载液为煤油基、柴油基及脂基中的一种或几种按任意比例混合的混合物，悬浮颗粒为铁磁性纳米颗粒。
8.根据权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于，霍尔元件(5)为线性霍尔元件，其中，霍尔元件(5)的输出电压与其所在磁场的强度成正比。
9.根据权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于，弹簧悬臂(6)的数量为一个或者多个。
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