CN108761133A - 一种含芯压电棒多维加速度传感器加速度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含芯压电棒多维加速度传感器加速度测量方法，包括S1：将含芯压电棒所处的平面设置为XOY平面；S2：将含芯压电棒多维加速度传感器置于S1步骤所形成的坐标系中；S3：第一含芯压电棒上的电极所带电荷值分别依次计作：Q11、Q12、Q13、Q14；S4：将第二含芯压电棒上的电极所带电荷值分别依次计作：Q21、Q22、Q23、Q24；S5：将加速度标记为a；S6：利用S1‑S5步骤中的测量数值求解加速度a的大小和方向。通过上述方式，本发明提供的含芯压电棒多维加速度传感器加速度测量方法，针对实际不同的加速度环境，对含芯压电棒多维加速度传感器进行综合性实验，验证其有效性，并且根据实验结果，能够增强对含芯压电棒多维加速度传感器的优化和完善。

Description

一种含芯压电棒多维加速度传感器加速度测量方法

技术领域

本发明涉及一种加速度传感器的测量方法，特别是涉及含芯压电棒多维加速度传感器加速度测量方法。

背景技术

加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速力也就是当物体在加速过程中作用在物体上的力。加速度传感器有两种：一种是角加速度传感器，是由陀螺仪改进过来的。另一种就是加速度传感器。它也可以按测量轴分为单轴、双轴和三轴加速度传感器。现在，加速度传感器广泛应用于游戏控制、手柄振动和摇晃、汽车制动启动检测、地震检测、工程测振、地质勘探、振动测试与分析以及安全保卫振动侦察等多种领域。

含芯压电棒六维加速度传感器可完成测量物体移动线速度和角加速度，为移动终端设备等小功率电子设备提供高性能的六维加速度传感器，改变目前便携式移动设备中加速度传感器感应维数低，结构大、精度不高等情况。鉴于目前如智能手机、汽车的庞大市场，以及电子产品的快速更新换代，而且市场上还未出现类似的竞争产品，本产品的市场相当可观，需求紧迫，未来几十年市场容量大于100亿。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是如何提供一种针对实际不同的加速度环境，对含芯压电棒多维加速度传感器进行综合性实验，验证其有效性，并且根据实验结果，能够增强对含芯压电棒多维加速度传感器的优化和完善的含芯压电棒多维加速度传感器加速度测量方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种含芯压电棒多维加速度传感器加速度测量方法，应用于含芯压电棒多维加速度传感器，其中，所述的含芯压电棒多维加速度传感器包括：含芯压电棒、基座、外壳和底座，所述含芯压电棒为圆柱体。所述外壳、底座形成一个独立空间，所述的含芯压电棒一端固定于基座上部，另一端自由，所述基座位于所述外壳、底座形成的空间内部，且所述基座安装于底座的顶平面上。

所述的含芯压电棒包含有第一含芯压电棒、第二含芯压电棒、第三含芯压电棒、第四含芯压电棒。所述的第一含芯压电棒、第二含芯压电棒、第三含芯压电棒、第四含芯压电棒分别安装于基座的四周，且所述的第一含芯压电棒、第二含芯压电棒在同一直线上，所述的第三含芯压电棒、第四含芯压电棒在同一直线上。

所述第一含芯压电棒、第二含芯压电棒、第三含芯压电棒、第四含芯压电棒上均分布有电极。在一个较佳实施例中，所述的含芯压电棒多维加速度传感器加速度测量方法包括以下操作步骤：

S1：将含芯压电棒所处的平面设置为XOY平面，四根含芯压电棒、基座安装处的中心位置设置为O点，其中第一含芯压电棒与X轴正方向重合，第二含芯压电棒与Y轴正方向重合、第三含芯压电棒与X轴负方向重合、第四含芯压电棒与Y轴负方向重合，过O点垂直XOY平面且方向向上为Z轴正方向；

S2：将含芯压电棒多维加速度传感器置于S1步骤所形成的的坐标系中；

S3：所述第一含芯压电棒上的电极标记为第一上表面电极、第一右表面电极、第一下表面电极、第一左表面电极，所述第一上表面电极、第一右表面电极、第一下表面电极、第一左表面电极所带电荷值分别依次计作：Q11、Q12、Q13、Q14；

S4：将第二含芯压电棒上的电极标记为第二上表面电极、第二右表面电极、第二下表面电极、第二左表面电极，第二上表面电极、第二右表面电极、第二下表面电极、第二左表面电极所带电荷值分别依次计作：Q21、Q22、Q23、Q24；

S5：将加速度标记为a，且加速度a作用于含芯压电棒多维加速度传感器时，设加速度a和坐标轴X、Y、Z的正方向的夹角分别为为α、β、γ；

S6：利用S1-S5步骤中的测量数值求解加速度a的大小和方向：

其中，含芯压电棒多维加速度传感器上所产生的电荷Q为：Q＝Kα(K为传感器的灵敏度)，则，第一含芯压电棒上：

Q₁₁＝Kαcosγ (1)

Q₁₃＝-Kαcosγ (2)

Q₁₂＝Kαcosβ (3)

Q₁₄＝-Kαcosβ (4)

则第二含芯压电棒上，含芯压电棒多维加速度传感器上所产生的电荷Q为：

Q₂₁＝Kαcosγ (5)

Q₂₂＝-Kαcosα (6)

Q₂₃＝-Kαcosγ (7)

Q₂₄＝Kαcosα (8)

cos²α+cos²β+cos²γ＝1 (9)

把公式(1)、(3)、(8)代入公式(9)中，得到

再把a代入到公式(1)、(3)、(8)中，得到a和X、Y、Z坐标轴正向之间的夹角α、β、γ，

本发明的有益效果是：针对实际不同的加速度环境，对含芯压电棒多维加速度传感器进行综合性实验，验证其有效性，并且根据实验结果，能够增强对含芯压电棒多维加速度传感器的优化和完善。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1是本发明含芯压电棒多维加速度传感器加速度测量方法中含芯压电棒多维加速度传感器一具体实施例的结构示意图；

图2是本发明含芯压电棒多维加速度传感器加速度测量方法中含芯压电棒多维加速度传感器一具体实施例的含芯压电棒结构示意图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅附图，在本发明的一个具体实施例中提供一种含芯压电棒多维加速度传感器加速度测量方法，所述的含芯压电棒多维加速度传感器加速度测量方法应用于含芯压电棒多维加速度传感器，其中，所述的含芯压电棒多维加速度传感器包括：含芯压电棒1、基座2、外壳3和底座4，所述含芯压电棒1为圆柱体，所述外壳3、底座4形成一个独立空间，所述的含芯压电棒1一端固定于基座2上部，另一端自由，所述基座2位于所述外壳3、底座4形成的空间内部，且所述基座2安装于底座4的顶平面上。

所述的含芯压电棒1包含有第一含芯压电棒101、第二含芯压电棒102、第三含芯压电棒(103)、第四含芯压电棒104，所述的第一含芯压电棒101、第二含芯压电棒102、第三含芯压电棒103、第四含芯压电棒104分别安装于基座2的四周，且所述的第一含芯压电棒101、第二含芯压电棒102在同一直线上，所述的第三含芯压电棒103、第四含芯压电棒104在同一直线上。所述第一含芯压电棒101、第二含芯压电棒102、第三含芯压电棒103、第四含芯压电棒104上均分布有电极。

所述的含芯压电棒多维加速度传感器加速度测量方法包括以下操作步骤：

S1：将含芯压电棒所处的平面设置为XOY平面，四根含芯压电棒1、基座2安装处的中心位置设置为O点，其中第一含芯压电棒101与X轴正方向重合，第二含芯压电棒102与Y轴正方向重合、第三含芯压电棒103与X轴负方向重合、第四含芯压电棒104与Y轴负方向重合，过O点垂直XOY平面且方向向上为Z轴正方向。

S2：将含芯压电棒多维加速度传感器置于S1步骤所形成的的坐标系中。

S3：所述第一含芯压电棒101上的电极标记为第一上表面电极、第一右表面电极、第一下表面电极、第一左表面电极，所述第一上表面电极、第一右表面电极、第一下表面电极、第一左表面电极所带电荷值分别依次计作：Q11、Q12、Q13、Q14。

S4：将第二含芯压电棒102上的电极标记为第二上表面电极、第二右表面电极、第二下表面电极、第二左表面电极，第二上表面电极、第二右表面电极、第二下表面电极、第二左表面电极所带电荷值分别依次计作：Q21、Q22、Q23、Q24。

S5：将加速度标记为a，且加速度a作用于含芯压电棒多维加速度传感器时，设加速度a和坐标轴X、Y、Z的正方向的夹角分别为为α、β、γ。

S6：利用S1-S5步骤中的测量数值求解加速度a的大小和方向：

其中，含芯压电棒多维加速度传感器上所产生的电荷Q为：Q＝Kα(K为传感器的灵敏度)，则，第一含芯压电棒101上：

Q₁₁＝Kαcosγ (1)

Q₁₃＝-Kαcosγ (2)

Q₁₂＝Kαcosβ (3)

Q₁₄＝-Kαcosβ (4)。

则第二含芯压电棒102上，含芯压电棒多维加速度传感器上所产生的电荷Q为：

Q₂₁＝Kαcosγ (5)

Q₂₂＝-Kαcosα (6)

Q₂₃＝-Kαcosγ (7)

Q₂₄＝Kαcosα (8)

cos²α+cos²β+cos²γ＝1 (9)。

把公式(1)、(3)、(8)代入公式(9)中，得到

再把a代入到公式(1)、(3)、(8)中，得到a和X、Y、Z坐标轴正向之间的夹角α、β、γ，

在具体的实施例中，本发明中所描述的微型加速度传感器原理来源于团队对人体耳朵结构组织仿生研究，内耳中的前庭感受器包括球囊和三个半规管，分别感受不同方向的直线加速度和角加速度的刺激，通过前庭神经传入前庭核，再通过与其他中枢的联系，发出相应的反应，来维持人体平衡。在日常生活中半规管的壶腹嵴接受角加速度的刺激，球囊和椭圆囊的感觉装置则接受直线加速度，包括重力加速度和切线加速度的刺激。壶腹嵴和囊斑均有一定的刺激阈值，但这类数值并不恒定，与刺激的方向、大小、时间及头位变化的速度都有关系，而且受到人体内外条件的影响。根据上述前庭感受器原理，基于多电极含芯压电纤维传感特性，设计出了本发明中的微型六维加速度传感器。

对于常用的压电加速度传感器主要有压缩型、剪切型和弯曲型这3种传统结构。如弯曲型压电加速度传感器的敏感元件、压电材料制作的悬臂梁，或粘贴有压电材料的悬臂梁，其固有频率低、灵敏度高，适用于低频测量，缺点是体积大，机械强度较差等。而且市场上的压电加速度计多为单轴和二轴加速度计，三轴加速度计一般由一个双轴加速度计和一个单轴加速度计组合而成，体积较大，结构复杂，而不能满足市场需求。本项目研究的含芯压电棒六维加速度传感器克服常规加速度计一般只能测量一维的直线加速度，或者结构复杂、精度不高的缺点。

目前人们研究了多种基于电容式、压阻式和光电式原理的六维加速度传感器，其多维加速度传感器的基本原理可以归纳为通过获取由弹性单元和阻尼单元连接在壳体上的单一惯性质量相对壳体的位移或弹性单元的应变实现六维加速度的传感，均存在结构复杂和制作工艺要求高等缺点，而不能实现同时测量物体移动时的线加速度和角加速度。

含芯压电棒六维加速度传感器，基于前庭感受器原理，提出一种对称安装于基座四周并共处于同一平面整体成十字形布局的四根相同的含芯压电棒的结构式传感器，其含芯压电棒一端固定于基座上，另一端自由，含芯压电棒由压电材料包裹芯棒组成。当整个装置受到直线加速度或旋转加速度作用时，在单个由压电材料包裹芯棒组成的含芯压电棒上，并在压电材料或压电元件表面沿轴向按上、下、左、右对称分布着四个表面电极，由于电极位置的不同，电极上产生的电荷或电压是不同的，其具体数值(包括正负和大小)和加速度与压电棒轴向夹角有关。这样，用一根压电棒可以判断二维直线加速度的大小和方向，用二根呈一定角度分布的压电棒，可以判断三维直线加速度的方向和大小。其结构平衡，把相应的电极串联后，电极上产生的电荷成倍增加，可提高传感器的灵敏度，采集电极上的电荷信号，经电路处理分析，即可得其加速度信息。

所述的含芯压电棒多维加速度传感器能够达到以下的优点：

1、传感器性能稳定，工作温度-50～150摄氏度；

2、测量精度高，每个含芯压电棒的灵敏度可达到为5mv/g(g:重力加速度)；

3、响应频率0.5～10000Hz、线性度1％FS(量程)、交叉轴向灵敏度5％；

4、测量范围500g，传感器重量控制在2～5克范围内。

在一个具体实施方式中，所述的含芯压电棒多维加速度传感器对称安装于基座四周并共处于同一平面整体成十字形布局的四根相同的含芯压电棒，分别为第一含芯压电棒、第二含芯压电棒、第三含芯压电棒、第四含芯压电棒；含芯压电棒一端固定于基座，另一端自由。含芯压电棒由压电材料包裹芯棒组成，或由压电元件对称的粘贴在芯棒周围并且压电元件之间的空余部分用环氧树脂填满而组成，在压电材料或压电元件表面还沿轴向按上、下、左、右对称分布着四个表面电极。

压电元件粘贴在芯棒上组成的含芯压电棒，含芯压电棒横截面为圆形或正四边形或正八边形，芯棒为金属材料或复合材料。压电元件是由压电材料两面涂覆金属层，形成电极-电压材料-电极的三明治结构组成，突破原有悬臂梁式结构。

粘贴在芯棒上的压电元件的截面形状，根据芯棒的截面形状，可为圆弧形或矩形，突破传统结构。含芯压电棒中的压电材料可为压电单晶、压电陶瓷、聚偏氟乙烯(PVDF)、压电复合材料之一或其种几种组合制成，材料来源广泛，可选性强，应用范围广。根据含芯压电棒多维加速度传感器的设计，提出相应的加速度测量方法和测量电路是其后续改进和优化的基础。

含芯压电棒由压电材料包裹芯棒中，可以将含芯压电棒做成纤维形状，直接式转化加速度信息为电信号，避免了像电阻式、电容式等间接式加速度传感器测量时所产生的中间误差，整个加速度传感器可以做成MEMS，用于便携式终端设备，迎合当前电子产品向微型化、智能化、高度集成化发展的发展要求。

压含芯压电棒多维加速度传感器的加速度测量方法，包括以下过程：(a)、将整个加速度传感器置于笛卡尔坐标系中，含芯压电棒所处的平面作为XOY平面，四根芯压电棒与基座安装处的中心位置为O点，其中第一含芯压电棒与X轴正方向重合，第二含芯压电棒与Y轴正方向重合、第三含芯压电棒与X轴负方向重合、第四含芯压电棒与Y轴负方向重合，过O点垂直XOY平面且方向向上为Z轴正方向；(b)、将第一含芯压电棒的上表面电极、右表面电极、下表面电极、左表面电极所带电荷值分别依次计作：Q11、Q12、Q13、Q14；将第二含芯压电棒的上表面电极、右表面电极、下表面电极、左表面电极所带电荷值分别依次计作：Q21、Q22、Q23、Q24；(c)、加速度a作用于含芯压电棒多维加速度传感器时，设加速度a和坐标轴X、Y、Z的正方向的夹角分别为为α、β、γ；(d)、根据以下公式求解加速度a的大小和方向。

其中K是传感器的灵敏度，大小为当加速度和含芯压电棒的轴线垂直，且位于表面电极的中心垂直平分平面时，表面电极产生的电荷值和加速度大小的比值；

因此，本发明具有以下优点：针对实际不同的加速度环境，对含芯压电棒多维加速度传感器进行综合性实验，验证其有效性，并且根据实验结果，能够增强对含芯压电棒多维加速度传感器的优化和完善。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (1)

1.一种含芯压电棒多维加速度传感器加速度测量方法，应用于含芯压电棒多维加速度传感器，其中，所述的含芯压电棒多维加速度传感器包括：含芯压电棒(1)、基座(2)、外壳(3)和底座(4)，所述含芯压电棒(1)为圆柱体，所述外壳(3)、底座(4)形成一个独立空间，所述的含芯压电棒(1)一端固定于基座(2)上部，另一端自由，所述基座(2)位于所述外壳(3)、底座(4)形成的空间内部，且所述基座(2)安装于底座(4)的顶平面上；

所述的含芯压电棒(1)包含有第一含芯压电棒(101)、第二含芯压电棒(102)、第三含芯压电棒(103)、第四含芯压电棒(104)，所述的第一含芯压电棒(101)、第二含芯压电棒(102)、第三含芯压电棒(103)、第四含芯压电棒(104)分别安装于基座(2)的四周，且所述的第一含芯压电棒(101)、第二含芯压电棒(102)在同一直线上，所述的第三含芯压电棒(103)、第四含芯压电棒(104)在同一直线上；

所述第一含芯压电棒(101)、第二含芯压电棒(102)、第三含芯压电棒(103)、第四含芯压电棒(104)上均分布有电极；

其特征在于，所述的含芯压电棒多维加速度传感器加速度测量方法包括以下操作步骤：

S1：将含芯压电棒所处的平面设置为XOY平面，四根含芯压电棒(1)、基座(2)安装处的中心位置设置为O点，其中第一含芯压电棒(101)与X轴正方向重合，第二含芯压电棒(102)与Y轴正方向重合、第三含芯压电棒(103)与X轴负方向重合、第四含芯压电棒(104)与Y轴负方向重合，过O点垂直XOY平面且方向向上为Z轴正方向；

S2：将含芯压电棒多维加速度传感器置于S1步骤所形成的的坐标系中；

S3：所述第一含芯压电棒(101)上的电极标记为第一上表面电极、第一右表面电极、第一下表面电极、第一左表面电极，所述第一上表面电极、第一右表面电极、第一下表面电极、第一左表面电极所带电荷值分别依次计作：Q11、Q12、Q13、Q14；

S4：将第二含芯压电棒(102)上的电极标记为第二上表面电极、第二右表面电极、第二下表面电极、第二左表面电极，第二上表面电极、第二右表面电极、第二下表面电极、第二左表面电极所带电荷值分别依次计作：Q21、Q22、Q23、Q24；

S5：将加速度标记为a，且加速度a作用于含芯压电棒多维加速度传感器时，设加速度a和坐标轴X、Y、Z的正方向的夹角分别为为α、β、γ；

S6：利用S1-S5步骤中的测量数值求解加速度a的大小和方向：

其中，含芯压电棒多维加速度传感器上所产生的电荷Q为：Q＝Kα(K为传感器的灵敏度)，则，第一含芯压电棒(101)上：

Q₁₁＝Kαcosγ (1)

Q₁₃＝-Kαcosγ (2)

Q₁₂＝Kαcosβ (3)

Q₁₄＝-Kαcosβ (4)

则第二含芯压电棒(102)上，含芯压电棒多维加速度传感器上所产生的电荷Q为：

Q₂₁＝Kαcosγ (5)

Q₂₂＝-Kαcosα (6)

Q₂₃＝-Kαcosγ (7)

Q₂₄＝Kαcosα (8)

cos²α+cos²β+cos²γ＝1 (9)

把公式(1)、(3)、(8)代入公式(9)中，得到

再把a代入到公式(1)、(3)、(8)中，得到a和X、Y、Z坐标轴正向之间的夹角α、β、γ，