CN1776435A

CN1776435A - 具有实时校准的加速度计

Info

Publication number: CN1776435A
Application number: CN 200510107505
Authority: CN
Inventors: D·V·西蒙年科; A·E·苏普伦; Y·I·罗曼诺夫
Original assignee: Innalabs Technologies Inc
Current assignee: Innalabs Technologies Inc
Priority date: 2004-09-23
Filing date: 2005-09-23
Publication date: 2006-05-24
Also published as: CN1766647A; CN1776431A; CN1776433A

Abstract

一种校准加速度传感器的方法包括：使用一种磁性流体悬浮一个惯性体；在磁性流体内产生一个磁场；调制磁场，以引起惯性体的位移；测量惯性体对调制的响应；及基于测量校准加速度传感器。能驱动电流通过用来产生磁场的多个磁铁，从而创建调制。检测线圈能用来探测惯性体的响应。调制能是周期性的、脉冲或某种其它非周期性的函数。

Description

具有实时校准的加速度计

技术领域

本发明涉及一种加速度传感器，更具体地说，涉及在传感器处于使用中的同时加速度传感器的实时校准。

背景技术

在例如提交于2004年5月3日的美国专利申请No.10/836,624、提交于2004年5月3日的美国专利申请No.10/836,186、提交于2003年5月21日的美国专利申请No.10/422,170、提交于2002年8月1日的美国专利申请No.10/209,197(现在为美国专利No.6,731,268)、提交于2000年2月24日的美国专利申请No.09/511,831(现在为美国专利No.6,466,200)、及提交于1999年11月3日的俄罗斯专利申请No.99122838中描述了磁流体加速度计。这些加速度计利用磁流体原理和悬浮在一种磁性流体中的惯性体来测量加速度。这样一种加速度计常常包括一个传感器壳体(传感器外壳、或“容器”)，该传感器壳体填充有磁性流体。一个惯性体(“惯性物体”)悬浮在磁性流体中。加速度计通常包括在磁性流体中产生磁场的多个驱动线圈(动力线圈)、和探测由惯性体的相对运动造成的磁场变化的多个测量线圈。

当动力线圈被激励并且产生一个磁场时，磁性流体试图把本身定位得尽可能靠近动力线圈。实际上这样的结果是把惯性体悬浮在外壳的近似几何中心中。当一个力施加到加速度计上(或施加到安装在加速度计上的任何装置上)，从而引起角或线加速度时，惯性体试图保持到位。惯性体因此“靠压”磁性流体，干扰它和改变在磁性流体内的磁场分布。磁场分布的这种变化由测量线圈检测，然后电子转换成线和角加速度值。已知线和角加速度时，有可能通过直接的数学运算来计算线和角速度，并且如有必要，计算线和角位置。换句话说，加速度计提供关于六个自由度-三个线自由度(x，y，z)和三个角(或转动)自由度(α_x，α_y，α_z)的信息。

传感器特性的稳定性是系统设计的一个重要因素。传感器特性由于临时环境影响、或者由于各种传感器元件的特性的永久变化，可能随时间变化。例如，诸如温度和湿度之类的环境因素通过把误差引入到传感器的输出中能影响传感器性能。一旦特定环境参数(温度或湿度)复原到某一较窄工作范围，这样一种误差可能消失。

其它参数可能涉及关于传感器性能的永久变化。例如，磁性流体的性能可能随时间变化。诸如外壳或磁铁之类的各种机械元件的性能也能变化。尺寸公差由于重复的冲击和振动可能变坏。磁性流体的某些可能漏出，即使以微小量漏出，也在假定完全充满磁性流体的体积内产生气泡。所有这些因素使传感器性能下降。

常规校准手段典型地在制造之后、或在传感器已经安装在系统中之后校准传感器，但没有提供传感器的实时校准。因而，在现有技术中需要一种能被重复校准、包括在工作期间被校准的传感器。

发明内容

本发明涉及一种具有实时校准、基本上能消除相关技术的一种或多种缺点的加速度计。

更具体地说，在本发明的一个典型实施例中，一种校准加速度传感器的方法包括：使用一种磁性流体悬浮一个惯性体；在磁性流体内产生一个磁场；调制磁场，以引起惯性体的位移；测量惯性体对调制的响应；及基于测量校准加速度传感器。能驱动电流通过用来产生磁场的多个磁铁，从而创建调制。检测线圈、感应线圈、霍尔传感器、或其它装置能用来探测惯性体的响应。调制可是周期性的、脉冲或某种其它非周期性的函数。调制也能是超声波。

在另一个方面，一种用来校准加速度计的方法包括：把一个惯性体悬浮在一种流体中；向惯性体施加一个预定力；测量惯性体响应施加的力的动作；作为测量动作的函数实时校准加速度计。

在另一个方面，一种校准加速度计的方法包括：使用一种流体悬浮一个物体；在流体内产生一个磁场；把一种刺激传送到惯性体，以引起惯性体的位移；测量惯性体对刺激的响应；及基于测量校准加速度计。

在另一个方面，一种校准加速度传感器的方法包括：使用一种流体悬浮一个惯性体；在流体内产生一个磁场；基于磁场的变化连续地计算加速度；及实时校准加速度传感器而不中断传感器的正常功能。校准步骤引起惯性体的预定移动。一种超声波刺激能引起预定移动。可选择的是，驱动磁铁能被驱动，以引起预定移动。

在另一个方面，一种传感器包括一个惯性体、全体绕惯性体布置的多个磁铁、及在磁铁与惯性体之间的一种磁性流体。一个第一电路调制由磁铁产生的磁场以实时校准传感器。一个第二电路基于惯性体的位移而测量加速度。加速度能具有线和/或角加速度分量。

在另一个方面，一种传感器包括一个惯性体、产生作用在惯性体上的排斥力的多个磁铁、及一个控制器，该控制器调制由磁铁产生的磁场，从而移动惯性体。一个控制器基于位移而计算传感器对施加的加速度的响应，并且实时校准传感器。控制器导出加速度，作为为调制磁场由磁极所需要的电流的函数。惯性体是非磁性的或弱磁性的。控制器包括一个近似对中在调制的一个频率处的带通滤波器。当计算加速度时，一个低通滤波器能用来滤除调制的一个频率。

在另一个方面，一种校准加速度传感器的方法包括：使用一种磁性流体悬浮一个惯性体；在磁性流体内产生一个磁场；以预定方式调制磁场以移动惯性体；测量用来引起移动的要求的调制；及基于要求的调制校准加速度传感器。

在另一个方面，一种加速度传感器包括：一个惯性体；一种流体，把一个力施加在惯性体上；多个磁铁，在流体内产生磁场；位置传感器，探测由加速度造成的惯性体的位置变化；及一个控制器，它驱动磁铁，从而产生惯性体的预定运动。基于由位置传感器对预定运动的测量实时校准加速度传感器。

在另一个方面，一种校准加速度计的方法包括：使用一种流体悬浮一个物体；在流体内产生一个磁场；引起惯性体的预定移动；测量引起预定移动所必需的力；及基于测量校准加速度计。

本发明的另外特征和优点在随后的描述中叙述，并且部分由描述是显然的，或者可以通过本发明的实践了解。本发明的优点将通过在书写的描述和其权利要求书以及附图中具体指出的结构实现和得到。

要理解，以上一般性描述和如下详细描述都是示范和解释性的，并且打算提供所要求保护的本发明的进一步解释。

附图说明

被包括以提供本发明的进一步理解并且并入和构成本说明书的一部分的附图，表明本发明的实施例，并且与描述一起用来解释本发明的原理。在附图中：

图1表明本发明的一种组装磁流体加速度传感器的等轴测图。

图2表明使驱动磁铁组件之一被除去的传感器的侧视图。

图3表明部分剖视图，表示驱动磁铁线圈和检测线圈的布置。

图4表明传感器的分解侧视图。

图5表明图4的传感器的等轴测图，但是从不同的角度看。

图6表明对于加速度计的实时校准的一种手段。

图7表明用于传感器的实时校准的电子装置的布置。

具体实施方式

现在将对本发明的实施例详细地进行参考，本发明的例子表明在附图中。

图1表明本发明的一种磁流体加速度传感器的一个典型实施例。磁流体传感器的一般工作原理在美国专利No.6,466,200中描述，该专利包括在这里以供参考。传感器的动作一般由一组非线性偏微分方程描述，见提交于2004年9月30日、发明人为ROMANOV等、标题为METHOD OF CALCULATING LINEAR AND ANGULARACCELERATION INA MAGNETOFLUIDIC ACCELEROMETERWITH AN INERTIAL BODY的美国分案专利申请No.60/614,415，本申请要求该申请的优先权。

进一步参照图1，以组装形式表示在图1中的加速度计102包括一个外壳104、多个驱动磁铁组件106A-106E，驱动磁铁组件106A-106E的每一个使用对应导线110A-110E连接到一个电源上。注意在该视图中，只表示五个驱动磁铁组件106，但见图3，在图3中也表明一个第六驱动磁铁组件(指示为106F)。

图2表明使驱动磁铁组件之一被除去的图1的传感器102。由于驱动磁铁组件106C被除去，所以一个惯性体202在外壳104的近似几何中心中是可见的。磁性流体204填充在外壳内的适用体积的剩余部分。注意，磁性流体本身为了清楚起见在图中实际上没有画出，尽管大多数这样的流体的颜色是黑的，并且它们具有“油性”感。

图3表明部分剖视图，表示驱动磁铁线圈和检测线圈的布置。为了清楚起见，在图3中只有某些元件被标出。在图3中表示的是四个驱动线圈(或驱动磁铁)302A、302B、302E及302D，统称为驱动磁铁302(剩余的两个驱动磁铁在该图中未表示)。驱动磁铁302有时也称作悬浮磁铁、动力磁铁、或悬浮线圈(如果使用电磁铁的话)。

在一个实施例中，每个这样的驱动磁铁组件106具有由306和304指示的两个检测线圈(在图3中，306A、304A、306B、304B、306E、304E、306D、304D)。检测线圈306、304有时也称作“检测磁铁”或“测量线圈”。

还要注意，为了测量线和角加速度，“正方体”的每侧两个检测线圈是必需的。如果只有单个检测线圈被定位在“正方体”的每一侧的中心，则测量角加速度是不可能的。作为一个较不优选的选择例，有可能在正方体的每一侧只使用一个检测线圈，但使它离开中心。然而，在这种情况下，数学分析变得明显地更复杂。

图4和5表明传感器102的分解视图，从两个不同角度表示同一结构。具体地说，在图4和5中表示的是驱动磁铁组件之一106D的分解视图。如图中所示，驱动磁铁组件106D包括一个壳体402、一个后盖404、驱动线圈302D、两个检测线圈306D和304D、磁芯406(对于每个检测线圈306D和304D的一个)、及一个驱动磁芯408。在一个可选择实施例中，芯406和408能制造成单个公共件(基本上，作为单个“变压器芯”)。

在这个实施例中，检测线圈306D和304D位于驱动线圈302D的内侧，并且后盖404把驱动线圈302D及检测线圈306D和304D在驱动线圈组件106D中保持到位，或者可选择地，检测线圈306D和304D能部分或全部在驱动线圈302D的前面。

驱动磁铁302用来把悬浮的惯性体202保持到位。检测线圈306、304测量在外壳104内的磁通变化。磁性流体204试图流到磁场最强的位置。这导致对惯性体202的排斥力，惯性体202通常或者是非磁性的，或者是部分(弱)磁性的(例如基本上磁性比磁性流体204小)。

以上描述和说明的传感器102因而基于排斥磁性力的原理工作。磁性流体203是高磁性的，并且被吸引到驱动磁铁302。因此，通过设法尽可能靠近驱动磁铁302，磁性流体实际上“推出”或排斥惯性体202离开驱动磁铁302。在所有驱动磁铁302都相同、或者所有驱动磁铁302都施加相同的力、并且驱动磁铁302绕惯性体202对称布置的情况下，惯性体202往往会处于外壳104的几何中心中。这种效应可以认为是排斥磁性效应(尽管在实际中，惯性体202不受驱动磁铁302的直接影响，而是间接地通过磁性流体204而影响)。

图6表明对于传感器102的实时校准的一种手段。表示在图6中的是惯性体202和磁性流体204。为了清楚起见在该图中未表示外壳104。也表示在图6中的是四个驱动磁铁302A、302B、302D及302E。为了清楚起见在该图中仅表示六个驱动磁铁中的四个。在这种情况下，驱动磁铁302仅表示为电磁铁，尽管本发明不限于这个实施例，并且驱动磁铁302也能是电磁铁和永久磁铁的组合。每个驱动磁铁302由一个由I₀指示的直流电流驱动。如果传感器102是对称的，那么通过每个驱动磁铁302的电流I₀将相同。如果传感器102是非对称的(例如，砖状外壳104形状、或某种其它任意非对称形状)，那么名义直流电流I₀对于各个驱动磁铁302可以不同。

也表示在图6中的分别是用于对应驱动磁铁302A、302B、302D及302E的加法器602A、602B、602D及602E。加法器602把直流电流I₀和由一个周期函数(例如，具有频率f_t的正弦或余弦)调制的测试、或刺激电流I_tst求和。因而，每个驱动磁铁302由直流电流I₀和具有测试电流的相位的测试电流I_tst×sin(2πf_tt)驱动。

图7表明用于传感器102的实时校准的电子装置的布置。如图7中所示，在传感器102内的磁通密度Φ的变化

由检测线圈304、306探测。检测线圈304、306的输出通过一个低通滤波器704或通过一个带通滤波器702供给。是可选择的低通滤波器704能用来滤除任何多余的频率分量，如高频振动。它也能用来滤除校准的影响(即滤除在f_t下传感器102的响应)。带通滤波器702对中在测试频率f_t周围。给定具体用途，一般优选的是，尽管不是必须的，选择比传感器102需要探测的任何期望振动更高的测试频率f_t。例如，f_t可以比低通滤波器704允许通过它的高。

位置测量电子装置706基于检测线圈(或其它位置传感器)的输出计算惯性体202的位置，并且由惯性体202的位置导出线和角加速度。一个校准控制器708接收带通滤波器702的输出，该输出代表由施加的校准刺激I_tst造成的惯性体202的运动。校准控制器708也把输出控制信号输出到加法器602，从而以预计方式驱动所述驱动磁铁302。

通过知道刺激I_tst×sin(2πf_tt)对惯性体202的期望影响、并且把惯性体202的预计响应与实际响应相比较，能实时校准传感器102，而不用使传感器102(或使用传感器102的装置)脱线。注意，由于测试频率f_t比任何期望的输入频率高，所以施加的刺激I_tst没有理由影响借助于传感器102的加速度测量。也注意，刺激的优选振幅在传感器102的动态范围的5-10％的量级上。

尽管在以上描述中，驱动磁铁302用来把一个已知刺激输送到传感器102，但情况不必如此。例如，也能使用一种超声波刺激。一个超声波振动源能安装在外壳104上(在图中未表示)(或者甚至在外壳104内)，并且被控制成把一个已知刺激输送到惯性体202。以与以上讨论的类似的方式，使响应被测量和与期望的(或以前测量的)响应相比较，能校准传感器102。

尽管以上讨论了一种周期正弦波型刺激，但能使用其它的信号形状，如阶跃函数、脉冲函数、非周期函数、方波及其它。

校准控制器704的输出能由传感器电子装置的其余部分用来把一个校正系数施加到传感器102的输出上。可选择地或者另外地，响应校准能改变或调节直流电流I₀。作为一个选择例，校准控制器708能强迫惯性体202移动一个给定量，并且测量这样做所需要的“力量”(即要求的电流)(并且把该“力量”与期望的力量相比较)，由此导出校准系数。

已经如此描述了本发明的实施例，对于本领域的技术人员显然已经实现了描述的方法和设备的某些优点。也应该认识到，在本发明的范围和精神内能形成本发明的各种修改、修正、及可选择实施例。本发明进一步由如下权利要求书限定。

Claims

1.一种校准加速度传感器的方法，包括：

使用一种磁性流体使一个惯性体悬浮；

在磁性流体内产生一个磁场；

调制磁场，以引起惯性体的位移；

测量惯性体对调制的响应；及

基于所述测量校准加速度传感器。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括驱动电流通过用来产生磁场的多个磁铁。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括使用检测线圈来探测惯性体的响应。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，调制包括周期性调制。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，调制包括脉冲。

6.一种用来校准加速度计的方法，包括：

把一个惯性体悬浮在一种流体中；

向惯性体施加一个预定力；

测量惯性体响应施加的预定力的动作；及

作为被测量的动作的函数实时校准加速度计。

7.一种校准加速度计的方法，包括：

使用一种流体悬浮一个物体；

在流体内产生一个磁场；

把一种刺激传送到物体，以引起物体的位移；

测量物体对刺激的响应；及

基于所述测量校准加速度计。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，刺激是超声波刺激。

9.根据权利要求7所述的方法，其中，输送刺激的步骤包括调制多个驱动磁铁。

10.一种校准加速度传感器的方法，包括：

使用一种流体悬浮一个惯性体；

在流体内产生一个磁场；

基于磁场的变化连续地计算加速度；及

实时校准加速度传感器，而不中断传感器的正常功能。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，校准步骤向磁场提供一种预定变化。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，校准步骤引起惯性体的预定移动。

13.一种传感器，包括：

一个惯性体；

大体绕惯性体布置的多个磁铁；

在磁铁与惯性体之间的一种流体；

一个第一电路，它调制由磁铁产生的磁场，以实时校准传感器；及

一个第二电路，它基于惯性体的位移而测量加速度。

14.根据权利要求13所述的传感器，其中，第二电路基于多个检测线圈的输出而测量加速度。

15.根据权利要求13所述的传感器，其中，加速度包括角加速度。

16.根据权利要求13所述的传感器，其中，磁铁还包括永久磁铁。

17.根据权利要求13所述的传感器，其中，流体是一种磁性流体。

18.一种传感器，包括：

一个惯性体；

多个磁铁，产生作用在惯性体上的排斥力；

一个控制器，它调制由磁铁产生的磁场，从而移动惯性体；以及

一个电路，它基于位移而计算惯性体对施加的加速度的响应。

19.根据权利要求18所述的传感器，其中，控制器导出加速度，作为为调制磁场由磁铁所需要的电流的函数。

20.根据权利要求18所述的传感器，其中，电路包括一个近似对中在调制的一个频率处的带通滤波器。

21.根据权利要求18所述的传感器，还包括一个低通滤波器，以当计算由外部力造成的加速度时，滤除调制的一个频率。

22.根据权利要求21所述的传感器，其中，电路基于控制器的一个输出把一个校正系数施加到计算的加速度上。