CN109991444A - 一种应变式加速度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种应变式加速度传感器，具体包括对照传感单元、测量传感单元、电路及处理单元；所述的测量传感单元设置于需测量加速度的位置；所述的对照传感单元设置于无振动或振动较小的位置，且所处温度与测量传感单元所处温度相同；该传感器无需温度补偿单元，可以适应较大的温度范围，特别适合测量环境温度变化较大但环境内各个位置温度较为平均，且需要在多点测量加速度的情况。
Description
技术领域
本发明属于传感测量领域，更具体的说是一种应变式加速度传感器。
背景技术
加速度传感器是一种用于加速度测量的传感器。通常由质量块、弹性元件、敏感元件和适调电路等部分组成。传感器在加速度作用下，通过对质量块所受惯性力的测量，利用牛顿第二定律即可获得加速度值。根据传感器敏感元件的不同，常见的加速度传感器包括电容式、电感式、应变式、压阻式、压电式等。加速度传感器的用途非常广泛，主要用于飞行器的控制，机器人姿态控制，自动化工业生产，航空发动机和工程机械发动机的监测和检修等。
由于加速度传感器所用弹性元件、敏感元件的性能会随温度变化，因此加速度传感器都有特定的使用范围，如果使用环境的温度变化较大，需要设置温度补偿单元。
应变式加速度传感器的原理是通过悬臂梁的形变来测量加速度，具有结构简单、成本低等优点。
发明内容
本发明的目的是，提供一种无需温度补偿单元的应变式加速度传感器。
具体包括对照传感单元、测量传感单元、电路及处理单元；所述的测量传感单元设置于需测量加速度的位置；所述的对照传感单元设置于无振动或振动较小的位置，且所处温度与测量传感单元所处温度相同；
所述的对照传感单元包括第一壳体、第一弹性悬臂梁、第一应变片、恒流线圈、测量线圈；所述的第一弹性悬臂梁的固定端固定在第一壳体上，悬臂端在第一壳体内部；所述的第一应变片粘贴在第一弹性悬臂梁上；所述的恒流线圈设置于第一壳体内部，恒流线圈水平设置，位于第一弹性悬臂梁的上方或者下方；所述的测量线圈设置在第一弹性悬臂梁上，且位于恒流线圈一侧，测量线圈水平设置；工作时，恒流线圈通入恒定直流电；测量线圈通入恒定直流电或脉冲式直流电；
所述的测量传感单元包括第二壳体、第二弹性悬臂梁、第二应变片、质量块；所述的第二壳体、第二弹性悬臂梁、第二应变片结构及连接方式均与所述的对照传感单元中的第一壳体、第一弹性悬臂梁、第一应变片相同；所述的质量块安装在第二弹性悬臂梁上；
所述的电路及处理单元接收对照传感单元中第一应变片和测量传感单元中第二应变片的输出信号；通过比较第一应变片和第二应变片的输出信号，得到测量传感单元中质量块的受力，进而得到需测量的加速度数值。
作为优选所述测量传感单元有多个。
作为优选所述测量传感单元中还包括对照线圈；所述的对照线圈和测量线圈结构相同、相对位置相同，但对照线圈不通入电流。
作为优选所述的第一壳体和第二壳体中充入相同的硅油。
作为优选所述的测量线圈中通入的脉冲式直流电频率在10—100Hz。
作为优选所述的第一壳体、第一弹性悬臂梁、第二壳体、第二弹性悬臂梁、质量块，采用非磁性材料或弱磁性材料制造。
作为优选所述的第一弹性悬臂梁、第二弹性悬臂梁、质量块采用钨制造；所述的第一壳体、第二壳体采用高温工程陶瓷材料制造。
本发明有益效果：
1、本发明的传感器无需复杂的温度补偿单元，也无需额外的温度测量单元(很多温度补偿方法需要测量工作温度)，可自动适应温度变化，适应较大的温度范围。
2、本发明特别适合测量环境温度变化较大但环境内各个位置温度较为平均，且需要在多点测量加速度的情况；仅需设置一个对照传感单元，而无需为每个传感器设置温度补偿单元。
附图说明
图1是本发明结构框图。
图2是对照传感单元结构示意图。
图3是测量传感单元结构示意图。
图4是测量线圈中通入的脉冲直流电示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步说明。
实施例一：
本发明提供一种无需温度补偿单元的应变式加速度传感器。
具体包括对照传感单元1、测量传感单元2、电路及处理单元3；所述的测量传感单元2设置于需测量加速度的位置；所述的对照传感单元1设置于无振动或振动较小的位置，且所处温度与测量传感单元2所处温度相同；如条件限制，所述的对照传感单元1也可以设置在有振动的位置，由于对照传感单元1没有质量块，所以受力很小；且测量传感单元2中设置有对照线圈，排除了线圈质量的影响；依然可以满足测量精度的要求；
所述的对照传感单元1包括第一壳体11、第一弹性悬臂梁12、第一应变片13、恒流线圈14、测量线圈16；所述的第一弹性悬臂梁12的固定端固定在第一壳体11上，悬臂端在第一壳体11内部；所述的第一应变片13粘贴在第一弹性悬臂梁12上；所述的恒流线圈14设置于第一壳体11内部，恒流线圈14水平设置，位于第一弹性悬臂梁12的上方或者下方；所述的测量线圈16设置在第一弹性悬臂梁12上，且位于恒流线圈14一侧，测量线圈16水平设置；工作时，恒流线圈14通入恒定直流电；测量线圈16也通入恒定直流电；本实施例中恒流线圈14与测量线圈16电流方向相同，两者产生相互吸引的力；实际上两者电流方向也可以相反，产生相互排斥的力；测量线圈16通入恒定直流电，用于测量方向恒定加速度的情况，如飞行器的加速、减速过程等；
所述的测量传感单元2包括第二壳体21、第二弹性悬臂梁22、第二应变片23、质量块25；所述的第二壳体21、第二弹性悬臂梁22、第二应变片23结构及连接方式均与所述的对照传感单元1中的第一壳体11、第一弹性悬臂梁12、第一应变片13相同；所述的质量块25安装在第二弹性悬臂梁22上；
所述的电路及处理单元3接收对照传感单元1中第一应变片13和测量传感单元2中第二应变片23的输出信号；通过比较第一应变片13和第二应变片23的输出信号，得到测量传感单元2中质量块25的受力，进而得到需测量的加速度数值。
所述测量传感单元2有多个。
所述测量传感单元2中还包括对照线圈26；所述的对照线圈26和测量线圈16结构相同、相对位置相同，但对照线圈26不通入电流。仅用于排除线圈本身质量的干扰。
所述的第一壳体11和第二壳体21中充入相同的硅油，用于调节系统的阻尼系数。
所述的第一壳体11、第一弹性悬臂梁12、第二壳体21、第二弹性悬臂梁22、质量块25，采用非磁性材料或弱磁性材料制造。
所述的第一弹性悬臂梁12、第二弹性悬臂梁22、质量块25采用钨制造；所述的第一壳体11、第二壳体21采用高温工程陶瓷材料制造，如氯化硅或碳化硅陶瓷。
金属钨和陶瓷材料热膨胀系数很小，可以排除传感器由于温度变化产生的内部应力和变形。
工作原理：
本发明的传感器用于测量图2和图3中竖直方向的加速度。
对照传感单元1采用无铁芯的恒流线圈14和无铁芯的测量线圈16，将两者相互作用力作为标准对照力；两者磁场由恒定直流电产生，且装置内无其他磁性材料，因此两者的相互作用力不随温度变化；虽然恒流线圈14和测量线圈16的距离会随着第一弹性悬臂梁12的振动而略有变化，但是其变化量对比于两者的距离可以忽略。
对照传感单元1和测量传感单元2采用相同的弹性、应变结构，并置于相同的温度环境中，因此各个零部件的弹性、应变性能相同。而传感器中应变量本就随加速度线性变化。
因此对照传感单元1和测量传感单元2分别测出了在同一温度下，通电线圈产生标准大小的磁力和待测力所产生的应变，只要比较两者应变的大小，即可得到被测量的加速度的大小。
例如，对照传感单元1中恒流线圈14和测量线圈16的相互作用力是F0，测得的应变量为ε0；测量传感单元2测得的应变量为ε1；由于ε随F线性变化，所以可以求得质量块25收到的力F1，由于质量块的质量已知，即可得到测量的加速度。
实施例二：
在实施例一的基础上，所述的测量线圈16中通入脉冲式直流电，如图4。
测量线圈16中电流时，会与恒流线圈14产生磁性吸力或斥力(由电流方向而定)；无电流时则无相互作用力；用于模拟振动过程中产生的受力；
该装置用于测量振动产生的加速度，如航空发动机的振动监测；大型工程机械发动机的检修等。
所述的脉冲式直流电频率在10—100Hz，并和被测振动频率相近。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种应变式加速度传感器，其特征在于包括对照传感单元(1)、测量传感单元(2)、电路及处理单元(3)；所述的测量传感单元(2)设置于需测量加速度的位置；所述的对照传感单元(1)设置于无振动或振动较小的位置，且所处温度与测量传感单元(2)所处温度相同；
所述的对照传感单元(1)包括第一壳体(11)、第一弹性悬臂梁(12)、第一应变片(13)、恒流线圈(14)、测量线圈(16)；所述的第一弹性悬臂梁(12)的固定端固定在第一壳体(11)上，悬臂端在第一壳体(11)内部；所述的第一应变片(13)粘贴在第一弹性悬臂梁(12)上；所述的恒流线圈(14)设置于第一壳体(11)内部，恒流线圈(14)水平设置，位于第一弹性悬臂梁(12)的上方或者下方；所述的测量线圈(16)设置在第一弹性悬臂梁(12)上，且位于恒流线圈(14)一侧，测量线圈(16)水平设置；工作时，恒流线圈(14)通入恒定直流电；测量线圈(16)通入恒定直流电或脉冲式直流电；
所述的测量传感单元(2)包括第二壳体(21)、第二弹性悬臂梁(22)、第二应变片(23)、质量块(25)；所述的第二壳体(21)、第二弹性悬臂梁(22)、第二应变片(23)结构及连接方式均与所述的对照传感单元(1)中的第一壳体(11)、第一弹性悬臂梁(12)、第一应变片(13)相同；所述的质量块(25)安装在第一弹性悬臂梁(22)上；
所述的电路及处理单元(3)接收对照传感单元(1)中第一应变片(13)和测量传感单元(2)中第二应变片(23)的输出信号；通过比较第一应变片(13)和第二应变片(23)的输出信号，得到测量传感单元(2)中质量块(25)的受力，进而得到需测量的加速度数值。
2.根据权利要求1所述的应变式加速度传感器，其特征在于所述测量传感单元(2)有多个。
3.根据权利要求1所述的应变式加速度传感器，其特征在于所述测量传感单元(2)中还包括对照线圈(26)；所述的对照线圈(26)和测量线圈(16)结构相同、相对位置相同，但对照线圈(26)不通入电流。
4.根据权利要求1所述的应变式加速度传感器，其特征在于所述的第一壳体(11)和第二壳体(21)中充入相同的硅油。
5.根据权利要求1所述的应变式加速度传感器，其特征在于所述的测量线圈(16)中通入的脉冲式直流电频率在10—100Hz。
6.根据权利要求1所述的应变式加速度传感器，其特征在于所述的第一壳体(11)、第一弹性悬臂梁(12)、第二壳体(21)、第二弹性悬臂梁(22)、质量块(25)，采用非磁性材料或弱磁性材料制造。
7.根据权利要求6所述的应变式加速度传感器，其特征在于所述的第一弹性悬臂梁(12)、第二弹性悬臂梁(22)、质量块(25)采用钨制造；所述的第一壳体(11)、第二壳体(21)采用高温工程陶瓷材料制造。
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