CN108872634B - 一种加速度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种加速度传感器，以改善现有技术中的加速度传感器只能对固定频段的信号进行滤波处理，滤波能力弱，且前期选定合理的滤波频率过程较为复杂的问题。所述加速度传感器，包括：壳体，设置在所述壳体内的质量块，所述质量块通过至少两条悬臂梁与所述壳体连接，其中，所述质量块与所述壳体的底面之间还设置有辅助缓冲元件，所述辅助缓冲元件的弹性系数随受力的增大而降低。

Description

一种加速度传感器
技术领域
本发明涉及传感器，尤其涉及一种加速度传感器。
背景技术
在复杂的高过载冲击环境中，主要用于提取冲击次数的冲击式加速度传感器需要具有良好的滤波特性，将冲击过程中的干扰信号滤除掉，以提取准确的穿层特征。由于冲击过程的复杂性和特殊性，传感器接收到的加速度信号成分特征复杂，如果通过设定固定的机械滤波频率来对加速度信号进行统一的滤波处理，传感器提取到冲击次数特征信号将会掺杂未滤除掉的干扰信号，使冲击次数特征信号识别困难。
发明内容
本发明提供一种加速度传感器，以改善现有技术中的加速度传感器只能对固定频段的信号进行滤波处理，滤波能力弱，且前期选定合理的滤波频率过程较为复杂的问题。
本发明实施例提供一种加速度传感器，包括：包括：壳体，设置在所述壳体内的质量块，所述质量块通过至少两条悬臂梁与所述壳体连接，其中，所述质量块与所述壳体的底面之间还设置有辅助缓冲元件，所述辅助缓冲元件的弹性系数随受力的增大而降低。
可选的，所述辅助缓冲元件包括剪切稀化非牛顿流体，以及包围所述剪切稀化非牛顿流体的弹性外壁。
可选的，所述剪切稀化非牛顿流体的材质为至少部分水解的聚丙烯酰胺或聚乙烯基缩醛。
可选的，所述壳体的底面、以及所述质量块的与所述辅助缓冲元件相对的一面均设置有对所述辅助缓冲元件进行限位的卡座。
可选的，每一所述卡座为环状，套设在所述辅助缓冲元件的外侧。
可选的，至少一个卡座的内侧设置有凹槽，所述辅助缓冲元件的与所述卡座接触的位置还设置有凸起，所述辅助缓冲元件的所述凸起与所述卡座的所述凹槽卡紧连接。
可选的，每一所述悬臂梁的表面还贴附有压电条。
可选的，所述壳体内设置有四条所述悬臂梁，其中两条所述悬臂梁的延伸方向与第一方向平行，另外两条所述悬臂梁的延伸方向与第二方向平行，所述第一方向与所述第二方向垂直。
可选的，所述悬臂梁与所述质量块的背离所述辅助缓冲元件的端面连接，或者，所述悬臂梁与所述质量块的面向所述辅助缓冲元件的端面连接。
可选的，所述壳体内还设置有与所述壳体的内侧壁固定的支撑体，所述悬臂梁与所述支撑体固定，进而与所述壳体的内侧壁连接。
本发明实施例有益效果如下：本发明实施例中，加速度传感器，包括：壳体，设置在所述壳体内的质量块，所述质量块通过至少两条悬臂梁与所述壳体连接，其中，所述质量块与所述壳体的底面之间还设置有辅助缓冲元件，所述辅助缓冲元件的弹性系数随受力的增大而降低，进而，辅助缓冲元件的弹性系数与悬臂梁的弹性系数共同组成传感器的总弹性系数，总弹性系数与质量块的质量共同影响传感器的滤波频率(即，本发明实施例的加速度传感器可以简化为类似质量块和弹簧构成的单自由度弹簧质量系统，其固有频率与弹簧的弹性系数满足的关系为：
Figure BDA0001702570280000021
其中，w为加速度传感器的固有频率，也即为传感器的滤波截止频率，k1为辅助缓冲元件的弹性系数，k2为悬臂梁的弹性系数，m为质量块的质量)。加速度传感器在受到高过载冲击时，辅助缓冲元件弹性系数变小，悬臂梁弹性系数不变，质量块质量不变，进而可以使传感器滤波频率降低，滤过大部分高频干扰信号，滤波能力较强，进而可以改善现有技术中的加速度传感器只能对固定频段的信号进行滤波处理，滤波能力弱，且前期选定合理的滤波频率过程较为复杂的问题。而且，本发明实施例提供的加速度传感器在受到低过载冲击时，辅助缓冲元件弹性系数变大，悬臂梁弹性系数不变，质量块质量不变，可以使传感器滤波频率升高，还可以保证加速度传感器的低频灵敏度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的加速度传感器的等效结构示意图；
图2为本发明实施例提供加速度传感器在未受冲击时的剖视结构示意图；
图3为本发明实施例提供的加速度传感器在受冲击时的剖视结构示意图；
图4为本发明实施例提供的加速度传感器的剖视结构示意图的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种加速度传感器的三维立体结构示意图。
具体实施方式
为了使得本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
为了保持本公开实施例的以下说明清楚且简明，本公开省略了已知功能和已知部件的详细说明。
参见图2-图4，其中，图2为加速度传感器在未受冲击时的剖视结构示意图，图3为加速度传感器在受冲击时的剖视结构示意图，图4为加速度传感器的俯视结构示意图，本发明实施例提供一种加速度传感器，包括：壳体1，设置在壳体1内的质量块3，质量块3通过至少两条悬臂梁4与壳体1连接，其中，质量块3与壳体1的底面之间还设置有辅助缓冲元件2，辅助缓冲元件2的弹性系数随受力的增大而降低。其中，壳体的底面可以是指加速度传感器在受冲击时，垂直于质量块振动方向的平面。悬臂梁4具体可以为条状的弹性悬臂梁。每一悬臂梁的表面均可以贴附压电条，压电条受力时形成电荷，使加速度传感器可以实现对相关参数的检测。
本发明实施例中，加速度传感器，包括：壳体，设置在壳体内的质量块，质量块通过至少两条悬臂梁与壳体连接，其中，质量块与壳体的底面之间还设置有辅助缓冲元件，辅助缓冲元件的弹性系数随受力的增大而降低，进而，辅助缓冲元件的弹性系数与悬臂梁的弹性系数共同组成传感器的总弹性系数，总弹性系数与质量块的质量共同影响传感器的滤波频率(即，本发明实施例的加速度传感器可以简化为类似质量块3和弹簧20构成的单自由度弹簧质量系统，如图1所示，其固有频率与弹簧的弹性系数满足的关系为：
Figure BDA0001702570280000041
其中，w为加速度传感器的固有频率，也即为传感器的滤波截止频率，k1为辅助缓冲元件的弹性系数，k2为悬臂梁的弹性系数，m为质量块的质量)。加速度传感器在受到高过载冲击时，辅助缓冲元件弹性系数变小，悬臂梁弹性系数不变，质量块质量不变，进而可以使传感器滤波频率降低，滤过大部分高频干扰信号，滤波能力较强，进而可以改善现有技术中的加速度传感器只能对固定频段的信号进行滤波处理，滤波能力弱，且前期选定合理的滤波频率过程较为复杂的问题。而且，本发明实施例提供的加速度传感器在受到低过载冲击时，辅助缓冲元件弹性系数变大，悬臂梁弹性系数不变，质量块质量不变，可以使传感器滤波频率升高，还可以保证加速度传感器的低频灵敏度。
在具体实施时，辅助缓冲元件2可以包括剪切稀化非牛顿流体，以及包围剪切稀化非牛顿流体2的弹性外壁(图中未示出)。本发明实施例中，辅助缓冲元件2包括剪切稀化非牛顿流体，剪切稀化非牛顿流体的粘度可以随切变速率的改变而改变，本发明采用切变速率越大粘度越小的非牛顿流体作为传感器的辅助缓冲元件，该非牛顿流体在不同外力作用下具有不同的粘度，高过载冲击时粘度变小，低过载冲击时粘度变大，进而在高过载时，可以使传感器滤波频率降低，滤过大部分高频干扰信号，滤波能力较强，在低过载冲击时，可以使传感器滤波频率升高，保证加速度传感器的低频灵敏度。另外，剪切稀化非牛顿流体作为一种流动性的流体，通过在其外侧设置包围其的弹性外壁，进而可以对剪切稀化非牛顿流体的位置进行限制，而且，弹性的外壁可以随剪切稀化非牛顿流体在受冲击时进行相应形变，以避免外壁对剪切稀化非牛顿流体性能的影响。弹性外壁的材质具体可以为橡胶。
具体的，剪切稀化非牛顿流体的材质为部分水解或全部水解的聚丙烯酰胺或聚乙烯基缩醛。
在具体实施时，参见图5所示，其中，图5为本发明实施例提供的一种加速度传感器的三维立体结构示意图，加速度传感器在壳体1的底面11、以及质量块3的与辅助缓冲元件2相对的一面均设置有对辅助缓冲元件2进行限位的卡座6。本发明实施例中，壳体1的底面11、以及质量块3的与辅助缓冲元件2相对的一面均设置有对辅助缓冲元件2进行限位的卡座6，用于固定辅助缓冲元件2的顶端和底端，使其受压时仅向水平方向膨胀，并且复位后因为顶端与底端的固定，辅助缓冲元件2相对于壳体1的相对位置不变，进而可以保证加速度传感器的重复性与一致性。
在具体实施时，每一卡座均可以为环状，例如，辅助缓冲元件2为圆柱形时，两个卡座6的结构具体可以均为圆环，套设在辅助缓冲元件的外侧。进一步的，辅助缓冲元件2与卡座6的连接还可以是，辅助缓冲元件2一端的卡座6内侧设置有凹槽，辅助缓冲元件2的与卡座6接触的位置还设置有相应的凸起，二者卡紧而连接，辅助缓冲元件2另一端的卡座6为圆环，套设在辅助缓冲元件2，仅限制水平向的移动。或者，也可以是，两个卡座6均为内侧设置有凹槽，辅助缓冲元件2的与卡座6接触的位置还设置有相应的凸起。或者，也可以是，卡座不设置凹槽，辅助缓冲元件2也不设置凸起，即，两个卡座6均为光滑的圆环。具体的，卡座6可以通过胶黏剂与壳体1以及质量块3固定连接，胶黏剂可以是环氧树脂等。
在具体实施时，辅助缓冲元件2的形状可以为圆柱形、长方体形或正方体形。具体的，质量块3可以为正方体，辅助缓冲元件2为圆柱形，如图5所示，具体可以是圆柱形的两个端面分别相应与壳体1的底面11以及与正方体的质量块3的下端面进行相应接触，其中，质量块3的下端面完全覆盖圆柱形的辅助缓冲元件2的圆形顶面。辅助缓冲元件2为长方体形或正方体形时，具体可以是长方体形或正方体形的其中的两个端面相应与壳体1的底面11以及质量块3进行相应接触。
在具体实施时，结合图4所示，壳体1内设置有四条悬臂梁4，其中两条悬臂梁4的延伸方向与第一方向平行(如图4中，沿水平方向延伸)，另外两条悬臂梁4的延伸方向与第二方向平行(如图4中，沿竖直方向延伸)，第一方向与第二方向垂直。本发明实施例中，壳体1内设置有四条悬臂梁4，其中两条悬臂梁4的延伸方向与第一方向平行，另外两条悬臂梁4的延伸方向与第二方向平行，第一方向与第二方向垂直，即，通过在垂直的两个方向设置的四条悬臂梁4将质量块3固定在壳体1的内侧壁上，悬臂梁4上均设置压电条5，进而可以使压电条5的设置位置较为均衡，可以在受力时较为有效地从各个位置测量电荷的变化，进而可以较为准确地通过加速度传感器测试相应需要的信息。
在具体实施时，悬臂梁4与质量块3的背离辅助缓冲元件2的端面连接，如图5所示；或者，悬臂梁4与质量块3的面向辅助缓冲元件2的端面连接，如图2所示。本发明实施例中，悬臂梁4与质量块3的背离辅助缓冲元件2的端面连接；或者，悬臂梁4与质量块3的面向辅助缓冲元件2的端面连接，容易通过MEMS(Microfabrication Process)制造工艺实现，MEMS工艺一般有蚀刻、沉积等，可以使悬臂梁4与质量块3整体成型，可以简化加速度传感器的制作工艺。
在具体实施时，参见图5所示，壳体1内还设置有与壳体1的内侧壁12固定的支撑体7，悬臂梁4与支撑体7固定，进而实现与壳体1的内侧壁12连接。
本发明实施例有益效果如下：本发明实施例中，加速度传感器，包括：壳体，设置在所述壳体内的质量块，所述质量块通过至少两条悬臂梁与所述壳体连接，其中，所述质量块与所述壳体的底面之间还设置有辅助缓冲元件，所述辅助缓冲元件的弹性系数随受力的增大而降低，进而，辅助缓冲元件的弹性系数与悬臂梁的弹性系数共同组成传感器的总弹性系数，总弹性系数与质量块的质量共同影响传感器的滤波频率(即，本发明实施例的加速度传感器可以简化为类似质量块和弹簧构成的单自由度弹簧质量系统，其固有频率与弹簧的弹性系数满足的关系为：
Figure BDA0001702570280000071
其中，w为加速度传感器的固有频率，也即为传感器的滤波截止频率，k1为辅助缓冲元件的弹性系数，k2为悬臂梁的弹性系数，m为质量块的质量)。加速度传感器在受到高过载冲击时，辅助缓冲元件弹性系数变小，悬臂梁弹性系数不变，质量块质量不变，进而可以使传感器滤波频率降低，滤过大部分高频干扰信号，滤波能力较强，进而可以改善现有技术中的加速度传感器只能对固定频段的信号进行滤波处理，滤波能力弱，且前期选定合理的滤波频率过程较为复杂的问题。而且，本发明实施例提供的加速度传感器在受到低过载冲击时，辅助缓冲元件弹性系数变大，悬臂梁弹性系数不变，质量块质量不变，可以使传感器滤波频率升高，还可以保证加速度传感器的低频灵敏度。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种加速度传感器，其特征在于，包括：壳体，设置在所述壳体内的质量块，所述质量块通过至少两条悬臂梁与所述壳体连接，其中，所述质量块与所述壳体的底面之间还设置有辅助缓冲元件，所述辅助缓冲元件的弹性系数随受力的增大而降低；所述辅助缓冲元件包括剪切稀化非牛顿流体，以及包围所述剪切稀化非牛顿流体的弹性外壁。
2.如权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于，所述剪切稀化非牛顿流体的材质为至少部分水解的聚丙烯酰胺或聚乙烯基缩醛。
3.如权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于，所述壳体的底面、以及所述质量块的与所述辅助缓冲元件相对的一面均设置有对所述辅助缓冲元件进行限位的卡座。
4.如权利要求3所述的加速度传感器，其特征在于，每一所述卡座为环状，套设在所述辅助缓冲元件的外侧。
5.如权利要求4所述的加速度传感器，其特征在于，至少一个卡座的内侧设置有凹槽，所述辅助缓冲元件的与所述卡座接触的位置还设置有凸起，所述辅助缓冲元件的所述凸起与所述卡座的所述凹槽卡紧连接。
6.如权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于，每一所述悬臂梁的表面还贴附有压电条。
7.如权利要求6所述的加速度传感器，其特征在于，所述壳体内设置有四条所述悬臂梁，其中两条所述悬臂梁的延伸方向与第一方向平行，另外两条所述悬臂梁的延伸方向与第二方向平行，所述第一方向与所述第二方向垂直。
8.如权利要求7所述的加速度传感器，其特征在于，所述悬臂梁与所述质量块的背离所述辅助缓冲元件的端面连接，或者，所述悬臂梁与所述质量块的面向所述辅助缓冲元件的端面连接。
9.如权利要求8所述的加速度传感器，其特征在于，所述壳体内还设置有与所述壳体的内侧壁固定的支撑体，所述悬臂梁与所述支撑体固定，进而与所述壳体的内侧壁连接。
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