CN113533767A - 一种被动式加速度传感器稳定装置以及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种被动式加速度传感器稳定装置以及测量方法，包括：安装支座，旋转支架，传感器放置台，圆台形配重装置以及砝码。旋转支架共有两个，绕两条垂直的轴旋转，保证传感器稳定装置内部坐标系与世界坐标系恒一致，圆台形配重装置以及砝码使得测量稳定装置重力增加，减少摆动；被动式储能元件弹簧以及处理器内的主动滤波器来过滤部分频段的干扰信号，更准确直接的得到所测量物体的绝对加速度值。本发明能够作为加速度传感器稳定可靠的放置支撑，能够降低设备运动过程中平动和转动在加速度测量中带来的干扰，满足复杂环境中测量加速度要求；用于实现工程中对设备在升沉方向的加速度测量。

Description

一种被动式加速度传感器稳定装置以及测量方法

技术领域

本发明涉及加速度传感器测量领域，特别是一种被动式加速度传感器稳定装置以及测量方法。

背景技术

加速度传感器是一种能够测量加速度的传感器。通常由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和调理电路等部分组成。传感器在加速过程中，通过对质量块所受惯性力的测量，利用牛顿第二定律获得加速度值。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。当测量的物体进行三维平动时，传统的加速度传感器可以测量到横荡、纵荡和升沉方向三个方向的绝对加速度值；当测量的物体存在转动时，因为传感器内部的坐标系一直在发生变化，因此所测量到的加速度数值是相对的，无法得到所测量的物体在世界坐标系中的加速度值。传统的方法可以依据重力加速度为定值定方向这一特征，将相对方向上的加速度值转换为绝对方向上的加速度值，但由于传感器本身存在漂移和偏置的特性，频繁的进行运算会增强干扰信号。中国专利CN205880125U提出一种超声波传感器稳定装置，该装置主要是通过弹簧来减少由于人为因素而造成的传感器抖动，从而提高测量精度，但该类型的传感器并不需要考虑重力这一因素，因此该类型的装置并不适用于加速度传感器；中国专利CN203825044U提出了一种传感器稳定装置，使用限位杆贴靠测试点周围，形成三角式支撑固定，限制了探头前后左右四个自由度，使得探头仅能前后移动，该类型的传感器不能提供在竖直方向上的自由度，因此该类型的装置并不适用加速度稳定装置；在中国专利CN104199540A中提到通过陀螺仪对设备的角速度进行采样，这为通过陀螺仪原理来实现加速度稳定装置提供一种思路，该设置只能实现对角速度的测量而不能对加速度装置起稳定作用。

为了解决这一问题，本发明提出了一种被动式的加速度传感器稳定装置以及相应的测量方法，保证所测量物体上的加速度传感器的内部坐标与世界坐标恒一致，保证了测量的准确性并且减少干扰信号的产生。

发明内容：

为解决上述加速度传感器稳定装置的问题，设计一种被动式加速度传感器稳定装置以及测量方法。其方案如下：一种被动式加速度传感器稳定装置以及测量方法，包括：加速度传感器稳定装置安装支座、旋转支架一、旋转支架二、圆台形配重装置、传感器放置台、弹簧、砝码、加速度传感器、线缆、处理器、电源、无线信号发生器、无线信号接收器以及测量方法；

所述被动式加速度传感器稳定装置安装支座上部设置有两对螺纹孔一，开孔的位置分别位于距两侧端面的1/4处，通过该孔与被测量物体进行安装；所述被动式加速度传感器稳定装置安装支座下部设置有两对支座钻孔一，分别位于所述安装支座下部的左右两侧；

物体在进行运动过程中，会发生产生三维平动和三维转动，在x、y、z方向产生的平动分别是横荡、纵荡和升沉；在x、y、z方向产生的转动分别是横摇、纵摇和艏摇运动。

所述旋转支架一，以逆时针为正方向，在0°和180°方位角上设置有两对连接旋转支架钻孔一，用于连接所述旋转支架二；在90°，270°两个方位角设置有两对旋转轴一，所述旋转支座钻孔一与所述旋转旋转轴分别通过添加滚动轴承进行配合，形成转动副，旋转支架一可以实现传感器稳定装置在纵荡方向上的补偿；

所述旋转支架二在0°，90°，180°，270°四个方位角上设置四对挂钩孔，用于连接弹簧，当稳定装置发生在纵荡、横荡等方向发生复合位移时，通过储能元件弹簧产生纵荡和横荡方向的压力和拉力，来平衡设备在运动过程中的干扰力，实现被动式稳定，通过选择设定相应的弹性系数，可以过滤出特定频率的干扰；所述旋转支架二在0°，180°两个方位角上设置两对旋转轴二，在90°，270°两个方位角开两对转轴孔302，同时还在0°，90°，180°和270°四个方位角上开了四对孔，上孔为转轴孔少标，下孔为销轴孔，其中销轴孔用于定位；所述旋转支架二上与所述旋转支架一相连接，两对旋转轴二与旋转支架一上的旋转支架两对钻孔一通过添加滚动轴承相连接，形成转动副，旋转支架二可以实现传感器稳定装置在横荡方向上的补偿；

通过旋转支架一与旋转支架二，使得传感器稳定装置分别可以绕两条垂直的轴进行旋转，即在产生纵摇和横摇的运动，通过该被动式的旋转支架进而实现加速度传感器稳定装置内部参考系与世界坐标系恒一致，更精准的得到所测量物体在世界坐标系下的绝对数值。

所述圆台形配重装置在0°，180°两个方位角设置有两对弧形卡座，用于连接旋转支架二，所述圆台形配重装置与所述旋转支架二上的销轴孔通过销相连接，安置在旋转支架二下部；所述圆台形配重装置底面中心处设置有挂钩，用于连接砝码。通过改变砝码的个数，实现对圆台形配重装置的惯性力的改变，找到最适合本次测量设备升沉方向所需要的配重，满足不同的设备对加速度传感器稳定装置配重的需求。所述圆台形配重装置的圆台形主体部分，分为上部和下部，上部为空部，用于放置线缆，处理器，传感器电源,以及无线发射模块,无线发射模块与外部的无线接收模块相通讯；下部为实部，主要为加速度传感器稳定装置增加固定配重，与砝码共同作用，增加稳定装置的稳定性，同时尽可能使传感器稳定装置运动方向始终在升沉方向；所述圆台形配重装置上设置有矩形凸台，用于放置传感器放置台；

所述传感器放置台放置在圆台形配重装置上，与圆台形配重装置上端的矩形凸台大小相同，端面相互平行，作为加速度传感器稳定可靠的放置支撑所述传感器放置台侧边0°，90°，180°，270°四个方位角上设置4个方形卡座，与旋转支架二上的挂钩孔通过弹簧连接，用于稳定传感器放置台，降低外界扰动；传感器放置台为矩形，在四个角分别设置钻孔，用于固定设置；传感器放置台中部有线槽，用于线槽走线，放置线缆等；在测量设备发生转动时，旋转支架一旋转支架二可以消除转动得到干扰，圆台形配重装置及砝码为传感器放置台增加重力，实现其快速回到水平方向上；在测量设备发生耦合位移时，通过储能元件弹簧消除耦合位移过程中产生在纵荡和横荡方向的力、圆台形配重装置及砝码为传感器放置台增加重力，增加传感器稳定装置的惯性力，防摆能力增强；

本发明还包括：加速度传感器、线缆、处理器、电源、无线信号发生器以及无线信号接受器；

被动式加速度传感器稳定装置传感器测量方法信号处理过程，具体地，所述加速度传感器用于实时采集测量设备在传感器内部形成的三维的加速度信号，通过线缆将采集的加速度信号传递给处理器，通过所述处理器10中存在主动滤波器，过滤部分频段的干扰信号，其中滤波算法可以根据设备的产生的信号特点进行选择，满足不同设备需要过滤信号的要求；例如使用低通滤波算法，可以滤除高频信号干扰，进而通过无线模块发射器将测量信号发射给无线模块接收器，可以满足复杂环境中对加速度稳定测量的要求，用于实现工程中对设备在升沉方向的加速度测量。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.旋转支架共有两个，绕两条垂直的轴进行旋转，进而实现加速度传感器内部参考系与世界坐标系恒一致，精准的得到所测量物体在世界坐标系下的绝对数值；

2.在稳定装置中增加被动式储能元件弹簧，弹簧用于储能，实现被动式稳定，通过选择设定相应的弹性系数，可以过滤出特定频率的干扰；

3.通过增加圆台形配重装置，以及砝码，通过调节砝码增加加速度传感器稳定装置在升沉方向上重力，增加惯性力，找到最适合的配重，实现传感器稳定装置的稳定；

4.在测量方法中通过对采集到的加速度信号进行处理，通过处理器内的主动滤波器来过滤部分频段的干扰信号，其中滤波算法根据设备进行选择，满足不同设备产生不同频率扰动，需过滤的扰动频率也不相同的要求。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

图1为本发明被动式加速度传感器稳定装置整体结构示意图；

图2为本发明被动式加速度传感器稳定装置安装支座示意图；

图3为本发明被动式加速度传感器稳定装置运动坐标系示意图；

图4为本发明被动式加速度传感器稳定装置旋转支架一示意图；

图5为本发明被动式加速度传感器稳定装置旋转支架二示意图；

图6为本发明被动式加速度传感器稳定装置圆台形配重示意图；

图7为本发明被动式加速度传感器稳定装置传感器放置台示意图；

图8为本发明被动式加速度传感器稳定装置传感器圆台形配重内部布置图；

图9为本发明被动式加速度传感器稳定装置传感器测量方法信号处理流程图；

其中：1安装支座、2旋转支架一、3旋转支架二、4圆台形配重装置、5传感器放置台、6弹簧、7砝码、8加速度传感器、9线缆、10处理器、11电源、12无线信号发生器、13无线信号接收器、101螺纹孔、102支架钻孔、201旋转轴一、202旋转支架钻孔一、301挂钩孔、302销轴孔、303旋转轴二、401弧形卡座、402挂钩、403圆台主体部分、404矩形凸台、501方形卡座、502钻孔、503线槽

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种被动式加速度传感器稳定装置以及测量方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明提出一种被动式加速度传感器稳定装置以及测量方法能够作为加速度传感器稳定可靠的放置支撑，能够降低设备运动过程中平动和转动在加速度测量中带来的干扰，满足复杂环境中测量升沉方向加速度要求；同时结构简单，利用储能元件弹簧、圆台形配重装置以及处理器内设置的主动滤波器实现；并且结构可靠，能够实现测量的准确性。

一种被动式加速度传感器稳定装置以及测量方法，如图1至图5所示，包括：加速度传感器稳定装置安装支座1、旋转支架一2、旋转支架二3、圆台形配重装置4、传感器放置台5、弹簧6、砝码7、加速度传感器8、线缆9、处理器10、电源11、无线信号发生器12、无线信号接收器13以及测量方法；

所述被动式加速度传感器稳定装置安装支座1上部设置有两对螺纹孔一101，开孔的位置分别位于距两侧端面的1/4处，通过该孔与被测量物体进行安装；所述被动式加速度传感器稳定装置安装支座1下部设置有两对支座钻孔一102，分别位于所述安装支座1下部的左右两侧；

如图3所示，加速度传感器稳定装置六自由度运动方向的坐标系的建立示意图，物体在进行运动过程中，会发生产生三维平动和三维转动，在x、y、z方向产生的平动分别是横荡、纵荡和升沉；在x、y、z方向产生的转动分别是横摇、纵摇和艏摇运动。

所述旋转支架一2为圆环状，如图2所示，以逆时针为正方向，在0°和180°方位角上设置有两对连接旋转支架钻孔一202，用于连接所述旋转支架二3；在90°，270°两个方位角设置有两对旋转轴一201，所述旋转支座钻孔一102与所述旋转旋转轴202分别通过添加滚动轴承进行配合，形成转动副，旋转支架一可以实现传感器稳定装置在纵荡方向上的补偿；

所述旋转支架二3在0°，90°，180°，270°四个方位角上设置四对挂钩孔301，用于连接弹簧6，当稳定装置发生在纵荡、横荡等方向发生复合位移时，通过储能元件弹簧6产生纵荡和横荡方向的压力和拉力，来平衡设备在运动过程中的干扰力，实现被动式稳定，通过选择设定相应的弹性系数，可以过滤出特定频率的干扰；所述旋转支架二3在0°，180°两个方位角上设置两对旋转轴二303，在90°，270°两个方位角开两对转轴孔302，同时还在0°，90°，180°和270°四个方位角上开了四对孔，上孔为转轴孔301少标，下孔为销轴孔302，其中销轴孔用于定位；所述旋转支架二3上与所述旋转支架一2相连接，两对旋转轴二303与旋转支架一2上的旋转支架两对钻孔一201通过添加滚动轴承相连接，形成转动副，旋转支架二可以实现传感器稳定装置在横荡方向上的补偿；

通过旋转支架一与旋转支架二，使得传感器稳定装置分别可以绕两条垂直的轴进行旋转，即在产生纵摇和横摇的运动，通过该被动式的旋转支架进而实现加速度传感器稳定装置内部参考系与世界坐标系恒一致，更精准的得到所测量物体在世界坐标系下的绝对数值。

所述圆台形配重装置4在0°，180°两个方位角设置有两对弧形卡座401，用于连接旋转支架二3，所述圆台形配重装置4与所述旋转支架二3上的销轴孔302通过销相连接，安置在旋转支架二3下部；所述圆台形配重装置4底面中心处设置有挂钩402，用于连接砝码7。通过改变砝码的个数，实现对圆台形配重装置的惯性力的改变，找到最适合本次测量设备升沉方向所需要的配重，满足不同的设备对加速度传感器稳定装置配重的需求。所述圆台形配重装置4的圆台形主体部分403，分为上部和下部，上部为空部，用于放置线缆9，处理器10)，传感器电源11),以及无线发射模块12,无线发射模块12与外部的无线接收模块相通讯13；下部为实部，主要为加速度传感器稳定装置增加固定配重，与砝码共同作用，增加稳定装置的稳定性，同时尽可能使传感器稳定装置运动方向始终在升沉方向；所述圆台形配重装置4上设置有矩形凸台404，用于放置传感器放置台5；

所述传感器放置台5放置在圆台形配重装置4上，与圆台形配重装置4上端的矩形凸台404大小相同，端面相互平行，作为加速度传感器稳定可靠的放置支撑所述传感器放置台5侧边0°，90°，180°，270°四个方位角上设置4个方形卡座501，与旋转支架二3上的挂钩孔301通过弹簧6连接，用于稳定传感器放置台5，降低外界扰动；传感器放置台5为矩形，在四个角分别设置钻孔502，用于固定设置；传感器放置台5中部有线槽503，用于线槽走线，放置线缆等；在测量设备发生转动时，旋转支架一2旋转支架二3可以消除转动得到干扰，圆台形配重装置4及砝码7为传感器放置台5增加重力，实现其快速回到水平方向上；在测量设备发生耦合位移时，通过储能元件弹簧6消除耦合位移过程中产生在纵荡和横荡方向的力、圆台形配重装置4及砝码7为传感器放置台5增加重力，增加传感器稳定装置的惯性力，防摆能力增强；

如图8所示，本发明还包括：加速度传感器8、线缆9、处理器10、电源11、无线信号发生器12以及无线信号接受器13；

如图9所示，被动式加速度传感器稳定装置传感器测量方法信号处理过程，具体地，所述加速度传感器8用于实时采集测量设备在传感器内部形成的三维的加速度信号，通过线缆9将采集的加速度信号传递给处理器10，通过所述处理器10中存在主动滤波器，过滤部分频段的干扰信号，其中滤波算法可以根据设备的产生的信号特点进行选择，满足不同设备需要过滤信号的要求；例如使用低通滤波算法，可以滤除高频信号干扰，进而通过无线模块发射器12将测量信号发射给无线模块接收器13，可以满足复杂环境中对加速度稳定测量的要求，用于实现工程中对设备在升沉方向的加速度测量。

工作原理：

设备运动过程中会产生三维平动和三维转动，包括横荡、纵荡和升沉、横摇、纵摇和艏摇六自由度的运动，六个自由度运动过程中会发生耦合作用，为设备在测量加速度过程中产生干扰；当测量的物体进行三维平动时，传统的加速度传感器可以测量到横荡、纵荡和升沉方向三个方向的绝对加速度值；当测量的物体存在转动时，因为传感器内部的坐标系一直在发生变化，因此所测量到的加速度数值是相对的，无法得到所测量的物体在世界坐标系中的加速度值。传统的方法可以依据重力加速度为定值定方向这一特征，将相对方向上的加速度值转换为绝对方向上的加速度值，但由于传感器本身存在漂移和偏置的特性，频繁的进行运算会增强干扰信号。

当测量的物体进行三维平动，使得设备产生纵荡、横荡、升沉的耦合运动，由于设备重力的作用，会使得设备产生加速度，因此在3自由度上产生力，通过储能元件弹簧6可以吸收和释放在横荡、纵荡方向产生的力，实现力的平衡，使得传感器放置台5只保留升沉方向的加速度，其中，圆台形配重装置4及砝码7为传感器放置台5增加重力，实现其快速回到水平方向上；

当测量的物体进行三维转动时，设备发生纵摇和横摇运动，传感器稳定装置中的传感器放置台5)，通过旋转支架一2和旋转支架二3的作用，分别可以绕两条垂直的轴进行旋转，进而实现传感器放置台上的加速度传感器内部参考系与世界坐标系恒一致，通过圆台形配重装置的砝码的共同作用，使得传感器放置台只保留升沉方向的加速度；其中，圆台形配重装置4及砝码7为传感器放置台5增加重力，增加传感器稳定装置的惯性力，防摆能力增强。

因此，当测量物体发生耦合位移及产生加速度时，通过以上两种运动方式的补偿，使得该种被动式传感器稳定装置消除外界除升沉方向以外的转动和移动的干扰，使得测量设备只测量升沉方向的加速度。

设备在升沉方向上的加速度进行测量，加速度传感器通过被动式储能元件弹簧、可变式配重以及处理器内的主动滤波器共同作用，增加传感器放置的稳定性，精准的得到所测量物体在世界坐标系下的绝对数值，实现工程中对设备在升沉方向的加速度精准测量。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形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形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 (2)

1.一种被动式加速度传感器稳定装置以及测量方法，其特征在于，包括：加速度传感器稳定装置安装支座(1)、旋转支架一(2)、旋转支架二(3)、圆台形配重装置(4)、传感器放置台(5)、弹簧(6)、砝码(7)、加速度传感器(8)、线缆(9)、处理器(10)、电源(11)、无线信号发生器(12)、无线信号接收器(13)以及测量方法；

所述被动式加速度传感器稳定装置安装支座(1)上部设置有两对螺纹孔一(101)，开孔的位置分别位于距两侧端面的1/4处，通过该孔与被测量物体进行安装；所述被动式加速度传感器稳定装置安装支座(1)下部设置有两对支座钻孔一(102)，分别位于所述安装支座(1)下部的左右两侧；

所述旋转支架一(2)为圆环状，以逆时针为正方向，在0°和180°方位角上设置有两对连接旋转支架钻孔一(202)，用于连接所述旋转支架二(3)；在90°，270°两个方位角设置有两对旋转轴一(201)，所述旋转支座钻孔一(102)与所述旋转旋转轴(202)分别通过添加滚动轴承进行配合，形成转动副；

所述旋转支架二(3)在0°，90°，180°，270°四个方位角上设置四对挂钩孔(301)，用于连接弹簧(6)；所述旋转支架二(3)在0°，180°两个方位角上设置两对旋转轴二(303)，在90°，270°两个方位角开两对转轴孔(302)，同时还在0°，90°，180°和270°四个方位角上开了四对孔，上孔为转轴孔(301少标)，下孔为销轴孔(302)，其中销轴孔用于定位；所述旋转支架二(3)上与所述旋转支架一(2)相连接，通过两对旋转轴二(303)与旋转支架一(2)上的旋转支架两对钻孔一(201)通过添加滚动轴承相连接，形成转动副；

所述圆台形配重装置(4)在0°，180°两个方位角设置有两对弧形卡座(401)，用于连接旋转支架二(3)，所述圆台形配重装置(4)与所述旋转支架二(3)上的销轴孔(302)通过销相连接，安置在旋转支架二(3)下部；所述圆台形配重装置(4)底面中心处下部设置有挂钩(402)，用于连接砝码(7)；所述圆台形配重装置(4)存在圆台形主体部分(403)，分为上部和下部，上部为空部，用于放置线缆(9)，处理器(10)，传感器电源(11),以及无线发射模块(12),无线发射模块(12)与外部的无线接收模块相通讯(13)，下部为实部，主要为加速度传感器稳定装置增加固定配重；所述圆台形配重装置(4)上设置有矩形凸台(404)，用于放置传感器放置台(5)；

所述传感器放置台(5)放置在圆台形配重装置(4)上，与圆台形配重装置(4)上端的矩形凸台(404)大小相同，端面相互平行，作为加速度传感器稳定可靠的放置支撑；所述传感器放置台(5)侧边0°，90°，180°，270°四个方位角上设置4个方形卡座(501)，与旋转支架二(3)上的挂钩孔(301)通过弹簧(6)连接，用于稳定传感器放置台(5)；传感器放置台(5)为矩形，在四个角分别设置钻孔(502)，用于固定设置；传感器放置台(5)中部有线槽(503)，用于线槽走线，放置线缆等。

2.如权力要求1所述的一种被动式加速度传感器稳定装置以及测量方法，其特征在于，进一步还包括：加速度传感器(8)、线缆(9)、处理器(10)、电源(11)、无线信号发生器(12)以及无线信号接受器(13)；所述加速度传感器(8)用于实时采集测量设备在传感器内部形成的三维的加速度信号；通过线缆(9)将采集的加速度信号传递给处理器(10)，通过所述处理器(10)中存在主动滤波器，过滤部分频段的干扰信号，进而通过无线模块发射器(12)将测量信号发射给无线模块接收器(13)，可以满足复杂环境中对加速度稳定测量的要求，用于实现工程中对设备在升沉方向的加速度测量。

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