CN108955985A - 一种可以测试多轴向力学物理量的传感器结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可以测试多轴向力学物理量的传感器结构，由三块相同的敏感元件组装而成，组装后的三块敏感元件的极化方向互相垂直。敏感元件设置有公共端以及各自独立的的信号输出端，还包括用于固定三块所述敏感元件的底座，底座包括直棱柱，直棱柱的底面至少包含一个直角，三块敏感元件分别安装于所述直棱柱的第一直角侧面、第二直角侧面和第三个侧面，安装后三个敏感元件的极化方向互相垂直，三块敏感元件在直棱柱中互相导通形成公共端。本发明通过该结构，使得同一个传感器芯体可以测三个垂直正交方向的力学物理量且三个方向的信号互不影响，结构极大的减小了传感器的体积和重量，且携带和安装十分方便，符合传感器小型化的发展方向。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体的说，是一种可以测试多轴向力学物理量的传感器结构。
背景技术
力学测量，是通过力敏感元件，将力转化成方便测量的信号。如传统的弹簧拉力计，则是将力转化为肉眼可见的形变、位移信号。又如压电加速度传感器，利用压电陶瓷的压电效应，将加速度信号转化为电信号用以测量。力是一种矢量，与之相关的很多物理量也是矢量，如加速度、速度、力矩等物理量，都是有方向性的。随着现代工业不断发展，对力及相关物理量的测量要求越来越多，越来越高。在许多测量领域，需要同时测三个垂直方向上的力进行解算。而传统的传感器只能测一个方向的力，若要测三个垂直方向的力，则需要将三个芯体相互垂直，组装在一起，结构复杂，体积巨大，给现场安装带来许多不便。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以测试多轴向力学物理量的传感器结构，用于解决现有技术中传统传感器只能测量单方向而不能测量多轴向力学物理量的问题。
本发明通过下述技术方案解决上述问题：
一种可以测试多轴向力学物理量的传感器结构，由三块相同的敏感元件组装而成，组装后的三块所述敏感元件的极化方向互相垂直，所述敏感元件设置有公共端以及各自独立的的信号输出端。
敏感元件，具有单一的方向性，只有在其敏感方向受力，即极化方向受力才能产生相应的电信号，三块敏感元件组装在一起，并且保证组装在一起的三块敏感元件的极化方向互相垂直，因此，一个敏感元件极化方向受力产生电信号对与其极化方向垂直的另外两个敏感元件没有影响，敏感元件的公共端作为接地端，敏感元件各自独立的信号输出端将压力转换后的电信号输出。因此，相互垂直的敏感元件可以同时从测量多轴向的力学物理量，而互相不干扰。并且，由于敏感元件组装在一起，体积小，结构简单，不需要在使用时将多块传感器组装，节省了组装程序，省时省力。
优选地，三块所述敏感元件采用胶粘或螺栓连接。
优选地，还包括用于固定三块所述敏感元件的底座，所述底座包括直棱柱，所述直棱柱的底面至少包含一个直角，三块敏感元件分别安装于所述直棱柱的三个面，其中两块敏感元件的极化方向分别与底面的两条直角边平行，第三块敏感元件的极化方向与底面垂直，三块敏感元件在直棱柱中互相导通形成公共端。
选择直棱柱的底面上的直角边所在侧面和另一个侧面，或者上底面和直棱柱的任意两个侧面，将三块敏感元件与直棱柱固定，保证固定后的三块敏感元件的极化方向互相垂直。因此三个敏感元件可独立测量三个互相垂直方向的受力。
优选地，所述三个面分别为直棱柱的第一直角侧面、第二直角侧面和第三个侧面。
从直棱柱的上底面看，安装在直棱柱的第一直角侧面和第二直角侧面的敏感元件，极化方向分别与两个直角边共线，分别为x方向和y方向，安装在第三个侧面的敏感元件，保证其极化方向z沿直棱柱的高度方向共线，因此安装在第三个侧面的敏感元件的极化方向z垂直于x方向和y方向。三个方向的敏感元件靠近直棱柱的一面通过直棱柱互相导通形成公共端，即接地端。且这样的安装方式，方便将三块敏感元件安装在同一个高度。
优选地，三块所述敏感元件上固定有配重质量块，所述敏感元件位于所述配重质量块和直棱柱之间。
敏感元件上固定有配重质量块，在底座受振动力作用时，配重质量块受到与底座相同的作用力，并受到与加速度方向相反的惯性力的作用。这样，配重质量块就有一正比于加速度的应变力作用在敏感元件上。由于敏感元件具有压电效应，因此在它的表面上就产生交变电荷，由剪切式敏感元件的计算公式：Q＝F·d15＝ma·d15，因此，可以由敏感元件产生的电荷Q以及配重质量块的质量m计算加速度a。因此可以测量加速度和受力。
优选地，所述配重质量块外侧设置有用于将底座与配重质量块刚性固定的紧固环，所述底座还包括与所述直棱柱的一体成型的基座，所述基座位于紧固环的下方。
利用紧固环的张力，将敏感元件和配重质量块刚性固定在底座的直棱柱上。当底座受振动力作用时，由于底座的刚度较大，而配重质量块的质量相对底座质量较大，可以认为配重质量块的惯性很大，因此配重质量块受到与底座相同方向的作用力，配重质量块就有一正比于作用力的惯性力作用在敏感元件，敏感元件受到极化方向上的力时，因此在它的表面上就产生交变电荷。
优选地，所述直棱柱为三棱柱，所述三棱柱的底面为直角三角形。
当直棱柱为底面有个直角的直三棱柱时，刚好有三个侧面可以用于固定敏感元件，且可以保证其极化方向互相垂直，比直四棱柱，直五棱柱的体积又进一步减小。
优选地，所述配重质量块采用密度大于7.8g/cm3的金属制成。
配重质量块采用密度较大的金属制成，包括但不限于奥氏体不锈钢，含钨的高比重合金。
优选地，所述底座采用弹性模量大于100GPa的材料制成。
弹性模量较大也就是刚度较大，包括但不限于奥氏体不锈钢。这样，当底座受到外力时，由于底座刚度较大，而配重质量块惯性较大，因此配重质量块受到与底座相同方向的作用力时，并受到与加速度方向相反的惯性力的作用。这样，配重质量块就有一正比于加速度的惯性力作用在敏感元件上。
优选地，所述紧固环采用具有延展性的金属材料制成。包括但不限于铜。
优选地，所述敏感元件采用MEMS压力敏感元件。
敏感元件可采用压电敏感元件如压电陶瓷，也可以采用MEMS压力敏感元件，采用MEMS压力敏感元件时，不需要配重质量块，进一步减小体积。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
本发明通过该结构，使得同一个传感器芯体可以测三个互相垂直正交方向的力学物理量且互不干扰，减小了传感器的体积和重量，且携带和安装十分方便，符合传感器小型化的发展方向。
附图说明
图1为本发明第二种实施方式的结构示意图；
图2为本发明第三种实施方式的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
一种可以测试多轴向力学物理量的传感器结构，由三块相同的敏感元件组装而成，组装后的三块所述敏感元件的极化方向互相垂直，所述敏感元件设置有公共端以及各自独立的的信号输出端。
敏感元件，具有单一的方向性，只有在其敏感方向受力，即极化方向受力才能产生相应的电信号，三块敏感元件组装在一起，并且保证组装在一起的三块敏感元件的极化方向互相垂直，因此，一个敏感元件极化方向受力产生对与其极化方向垂直的另外两个敏感元件没有影响，敏感元件的公共端作为接地端，敏感元件各自独立的信号输出端将压力转换后的电信号输出。因此，相互垂直的敏感元件可以同时从测量多轴向的力学物理量，而互相不干扰。并且，由于敏感元件组装在一起，体积小，结构简单，不需要在使用时将多块传感器组装，节省了组装程序，省时省力。
实施例2：
在实施例1的基础上，结合附图1所示，在直三棱柱11的第一直角侧面、第二直角侧面以及第三侧面上分别安装第一敏感元件12、在第二敏感元件13、第三敏感元件14，在第一敏感元件12、在第二敏感元件13、第三敏感元件14外侧分别安装第一配重质量块15、第二配重质量块16、第三配重质量块17。第一敏感元件12的极化方向为x，第二敏感元件13的极化方向为y，第三敏感元件14的极化方向为z。z为图1中垂直纸面向外，因此x、y、z互相垂直。
当直三棱柱11受到振动力作用时，第一配重质量块15、第二配重质量块16、第三配重质量块17受到与直三棱柱11相同的作用力，并受到与加速度方向相反的惯性力的作用。这样，第一配重质量块15、第二配重质量块16、第三配重质量块17就有一正比于加速度的应变力分别作用在第一敏感元件12、在第二敏感元件13、第三敏感元件14上，当第一敏感元件12、在第二敏感元件13、第三敏感元件14受到的作用力与其极化方向一致时，则在该敏感元件的表面上就产生交变电荷，由剪切式敏感元件的计算公式：Q＝F·d15＝ma·d15，因此，可以由敏感元件产生的电荷Q以及配重质量块的质量m计算加速度a。
实施例3：
结合附图2所示，底座包括底面包含一个直角的直三棱柱21和基座211，在直三棱柱21的第一直角侧面、第二直角侧面、第三侧面分别安装第一敏感元件22、第二敏感元件23和第三敏感元件24，第一敏感元件22、第二敏感元件23外侧安装有第一配重质量块25，第三敏感元件24的外侧安装有第二配重质量块26。在第一配重质量块25和第二配重质量块26的外侧，采用紧固环41固定。直三棱柱21的下部连接有基座211。直三棱柱的第一敏感元件22、第二敏感元件23和第三敏感元件24通过直三棱柱21设置有公共端以及各自独立信号输出端，即导电片。基座211受力之后，将力传递给直三棱柱21，直棱柱21将作用力传递给第一配重质量块25和第二配重质量块26，由于第一配重质量块25同时与第一敏感元件22，第二敏感元件23固定，因此第一配重质量块25将产生一正比于加速度的应变力分别作用在第一敏感元件22和第二敏感元件23上，第二配重质量块26产生一正比于加速度的应变力作用在第三敏感元件24上，当第一敏感元件22、第二敏感元件23和第三敏感元件24受到的作用力与其极化方向一致时，则在该敏感元件的表面上就产生交变电荷，交变电荷从导电片输出。这里利用了压电敏感元件的剪切效应，将机械能转换成电能。
基座211设置有安装接口，在使用时，可以直接与其他部件组装在一起，安装接口包括但不限于螺纹接口。值得说明的是，这里不限于直三棱柱，对于底面包含一个直角的直棱柱能保证两个侧面互相垂直均适用。
实施例4：
在实施例1的基础上，敏感元件采用MEMS压力敏感元件。
敏感元件可采用压电敏感元件如压电陶瓷，也可以采用MEMS压力敏感元件，当采用MEMS压力敏感元件时，不需要配重质量块，进一步减小体积。MEMS压力敏感元件的原理为，在其敏感方向上受力，会产生相应的电信号。利用本结构，可制成测三个方向力的传感器。
尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。
Claims (10)
1.一种可以测试多轴向力学物理量的传感器结构，其特征在于，由三块相同的敏感元件组装而成，组装后的三块所述敏感元件的极化方向互相垂直，所述敏感元件设置有公共端以及各自独立的的信号输出端。
2.根据权利要求1所述的一种可以测试多轴向力学物理量的传感器结构，其特征在于，还包括用于固定三块所述敏感元件的底座，所述底座包括直棱柱，所述直棱柱的底面至少包含一个直角，三块敏感元件分别安装于所述直棱柱的三个面，其中两块敏感元件的极化方向分别与底面的两条直角边平行，第三块敏感元件的极化方向与底面垂直，三块敏感元件在直棱柱中互相导通形成公共端。
3.根据权利要求2所述的一种可以测试多轴向力学物理量的传感器结构，其特征在于，所述三个面分别为直棱柱的第一直角侧面、第二直角侧面和第三个侧面。
4.根据权利要求3所述的一种可以测试多轴向力学物理量的传感器结构，其特征在于，三块所述敏感元件上固定有配重质量块，所述敏感元件位于所述配重质量块和直棱柱之间。
5.根据权利要求4所述的一种可以测试多轴向力学物理量的传感器结构，其特征在于，所述配重质量块外侧设置有用于将底座与配重质量块刚性固定的紧固环，所述底座还包括与所述直棱柱的一体成型的基座，所述基座位于紧固环的下方。
6.根据权利要求2-5中任意一项所述的一种可以测试多轴向力学物理量的传感器结构，其特征在于，所述直棱柱为三棱柱，所述三棱柱的底面为直角三角形。
7.根据权利要求1-4中任意一项所述的一种可以测试多轴向力学物理量的传感器结构，其特征在于，三块所述敏感元件采用胶粘或螺栓连接。
8.根据权利要求5所述的一种可以测试多轴向力学物理量的传感器结构，其特征在于，所述配重质量块采用密度大于7.8g/cm3的金属制成，所述底座采用弹性模量大于100GPa的材料制成。
9.根据权利要求8所述的一种可以测试多轴向力学物理量的传感器结构，其特征在于，所述紧固环采用具有延展性的金属材料制成。
10.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种可以测试多轴向力学物理量的传感器结构，其特征在于，所述敏感元件采用MEMS压力敏感元件。
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