CN1924590A

CN1924590A - 一种加速度传感器

Info

Publication number: CN1924590A
Application number: CN 200610004074
Authority: CN
Inventors: 刘桂雄; 曹东
Original assignee: MECHANICAL ENGINEERING COLLEGE OF SOUTH CHINA UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
Current assignee: MECHANICAL ENGINEERING COLLEGE OF SOUTH CHINA UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
Priority date: 2006-01-28
Filing date: 2006-01-28
Publication date: 2007-03-07
Anticipated expiration: 2026-01-28
Also published as: CN100432677C

Abstract

本发明所述的一种加速度传感器是将一磁性浮子放置于一非磁质材料组成的满磁性流体的非磁性腔体的内部，由于磁性浮子自身所具有的磁场梯度，磁性流体在该磁场梯度作用下，产生一作用力，使得磁性浮子悬浮在磁性流体中，并在非磁性腔体的径向上保持中间平衡位置；当存在加速度时，磁性浮子位置发生移动，通过检测装置检测磁性浮子的位移变化，输出加速度检测结果信号。具有高精度、宽量程、高可靠性、智能性、寿命长等特点。

Description

一种加速度传感器

技术领域

本发明涉及加速度传感器的生产及应用领域，尤其涉及一种基于磁性流体的加速度传感器。

背景技术

目前，在许多的技术领域均常用到加速度传感器，如汽车运动控制、汽车测试、家电、游戏产品、办公自动化、GPS、PDA、手机、震动检测、建筑仪器以及实验设备等等。

现有的加速度传感器通常有以下几种结构。

一种是将钢球以移动自如的状态安放在壳体内，根据从外部施加的机械性振动，钢球相对地移动，则根据该位移按预定配置而设计的开关部分产生通或断输出，该结构主要用作为一种加速度开关。

另一种加速度传感器基本上采用悬臂梁结构，包含以固定设置在基板上的支持部件的固定端为中心作往复动作的弹性变形运动的悬臂梁，用检测悬臂梁的位置的方式确定外界加速度大小。常用的检测方式有把悬臂梁做为电容电极的动极板，检测电容值的变化，得到悬臂梁的位置，从而得到外界加速度。

上述的加速度传感器都具有机械接触，存在机械变形和磨损，并一经制造后就不能改变材料的缺点。

发明内容

鉴于上述现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种加速度传感器，核心是基于磁性流体的加速度传感器，具有高精度、宽量程、高可靠性、智能性、寿命长等特点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种加速度传感器，包括：非磁性腔体、磁性流体、磁性浮子、磁性部件与检测装置，其中：

非磁性腔体：为非磁性材料构成的密闭容器，内部充满磁性流体；

磁性浮子：为磁性材料构成，由磁场作用悬浮于非磁性腔体内的磁性流体中；

磁性部件：由磁性材料构成，位于磁性浮子两磁极的外端，设于非磁性腔体外侧；

检测装置：设于非磁性腔体的外侧，用于检测磁性浮子的位移变化，输出加速度检测结果信号。

所述的加速度传感器还包括磁场控制装置，用于改变磁性流体的粘度，控制磁性浮子的位移量，具体包括：

控制线圈：缠绕于非磁性腔体外侧，通过外加电流产生磁场，改变磁性流体的粘度，控制磁性浮子的位移量；或者还包括，

线圈固定套：套于非磁性腔体外侧，控制线圈缠绕于线圈固定套外侧。

所述的检测装置包括：

轴端检测装置：设于磁性浮子磁极的两端非磁性腔体的外侧，用于检测磁性浮子的位移变化，输出加速度检测结果信号；和/或，

周向检测装置：设于磁性浮子非磁极方向的周向的非磁性腔体的外侧，用于检测磁性浮子的位移变化，输出加速度检测结果信号。

所述的轴端检测装置包括磁性位移检测元件：采用霍尔元件，位于磁性浮子两磁极的外端，设于非磁性腔体外侧，检测磁性浮子的位移，输出加速度检测结果信号；且所述的磁性位移检测元件与磁性部件间可以设有隔离元件；

或者，

所述的周向检测装置包括周向位移检测元件，所述的周向位移检测元件包括两组检测电容，轴向左右对称安装于非磁性腔体的外侧面；其中：

所述的每组检测电容包括两个半圆形或平板式的极板，两个极板轴向对称安装于非磁性腔体的外侧面。

所述的检测装置还包括信号处理模块，具体用于：

将磁性位移检测元件差动连接，对检测的加速度检测结果信号进行优化处理；或者，

将两组检测电容差动连接，对检测的加速度检测结果信号进行优化处理。

所述的非磁性腔体包括非磁性外筒与非磁性端盖，其中：

非磁性外筒两端开口，两端分别安装一个非磁性端盖组成非磁性腔体，内部充满磁性流体；或者，

非磁性外筒一端开口，开口处安装一个非磁性端盖组成非磁性腔体，内部充满磁性流体；或者，

所述的非磁性外筒与非磁性端盖之间还设有密封环。

所述的非磁性腔体两端外侧设有凹槽，如为非磁性端盖则设于非磁性端盖上，用于安装检测装置；或者，

所述的非磁性腔体为圆柱形，外壁轴向中部设有周向的环台，外壁沿轴线方向周向对称位置设有轴向凸台；将非磁性腔体的外侧面分隔成四个区域用于安装检测装置；或者，

所述的非磁性腔体为长方体，相对的两组外壁其中一组两面轴向中部设有周向凸台，将非磁性腔体的一对相对外侧面分隔成四个区域用于安装检测装置。

所述的磁性流体为磁流体、磁性复合流体或磁流变体中的一种或多种的组合；或者，

所述的磁性浮子为长圆柱形、球形、椭球形或长方形。

所述的加速度传感器还包括内夹套，所述的非磁性腔体、磁性流体、磁性浮子与检测装置均设于内夹套内；所述的磁场控制装置可设于内夹套内也可设于内夹套外；

所述的内夹套具体包括内夹套套筒与压盖，压盖与内夹套套筒由螺栓固定将检测装置固定安装于内夹套中；

所述的磁场控制装置设于于内夹套外时线圈固定套与内夹套套筒可为一体。

所述的加速度传感器还包括外壳体，所述的非磁性腔体、磁性流体、磁性浮子与检测装置均设于外壳体内腔中，外壳体具体包括外套筒与外端盖，外套筒与外端盖通过螺栓固定，所述的外端盖上设有安装支脚和/或安装孔。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的一种加速度传感器是将一磁性浮子放置于一非磁质材料组成的满磁性流体的非磁性腔体的内部，由于磁性浮子自身所具有的磁场梯度，磁性流体在该磁场梯度作用下，产生一作用力，使得磁性浮子悬浮在磁性流体中，并在非磁性腔体的径向上保持中间平衡位置；当存在加速度时，磁性浮子位置发生移动，通过检测装置检测磁性浮子的位移变化，输出加速度检测结果信号。本发明结构上新颖，避免了传统的悬臂梁结构，磁场的特性，将具有梯度磁场的磁性浮子悬浮起来，同时能够消除径向作用的影响；磁性浮子处于与其它机械部件无直接接触状态，使得其可靠性高、寿命长并且在检测中同时采取特殊多介质带缝隙组合检测电容和磁性位移检测元件，对磁性运动块位移检测，并均采取差动方式，消除各种干扰，具备高精度特点；另外本发明中利用磁性流体粘度可控性特点，通过对控制线圈电流进行改变，改变施加在磁性流体上的磁场强度，达到控制磁性流体粘度的目的，从而可以达到对加速度传感器量程的控制，实现宽量程的特点。具有高精度、宽量程、高可靠性、智能性、寿命长等特点。

附图说明

图1为本发明所述的一种加速度传感器的立体爆炸示意图；

图2为本发明所述的一种加速度传感器的结构示意图；

图3为本发明所述的一种加速度传感器的非磁性外筒的结构示意图；

图4为本发明所述的一种加速度传感器的一种工作状态图。

具体实施方式

本发明的核心是将一磁性运动部件(也就是磁性浮子1)放置于一非磁质材料组成的满磁性流体14的密闭容器(也就是非磁性腔体)的内部，由于磁性浮子1自身所具有的磁场梯度，磁性流体14在该磁场梯度作用下，产生一作用力，使得磁性浮子1悬浮在磁性流体14中，并在非磁性腔体的径向上保持中间平衡位置；当存在加速度时，磁性浮子1位置发生移动，通过检测装置检测磁性浮子的位移变化，输出加速度检测结果信号。

本发明的具体实施方式的结构如图1与图2所示：所述的加速度传感器最基本的结构包括：非磁性腔体、磁性流体14、磁性浮子1、磁性部件9与检测装置，其中：

非磁性腔体为非磁性材料构成的密闭容器，内部充满磁性流体14；非磁性腔体包括非磁性外筒4与非磁性端盖13，本例中的非磁性外筒4两端开口，两端分别安装一个非磁性端盖13组成非磁性腔体，内部充满磁性流体14。有时在加工工艺允许的情况下非磁性外筒4可以是一端开口，开口处安装一个非磁性端盖13组成非磁性腔体，内部充满磁性流体14。同时为了更好地实现非磁性腔体的密闭(主要是密封)，所述的非磁性外筒3与非磁性端盖13之间还设有密封环12，防止磁性流体14泄漏。

本例中的非磁性腔体两端外侧设有凹槽，也就是非磁性端盖13上设有凹槽，用于安装检测装置。

如图3所示本例中的非磁性腔体为圆柱形，也就是非磁性外筒3的形状为圆柱形，内空心，两端开口，且在非磁性外筒3的外壁轴向中部设有沿周向的环台16，在非磁性外筒3的外壁沿轴线方向周向对称位置设有轴向凸台17；将非磁性外筒3的外侧面分隔成四个区域用于安装检测装置。当然，不排除所述的非磁性腔体为长方体，也就是非磁性外筒3的形状为长方体，内空心，两端开口，长方体相对的两组外壁其中一组两面轴向中部设有沿周向的周向凸台；将非磁性外筒3的一对相对外侧面分隔成四个区域用于安装检测装置。

磁性浮子1为磁性材料构成，由磁场作用悬浮于非磁性腔体内的磁性流体14中；磁性浮子1形状为长圆柱形、球形、椭球形或长方形等。

磁性部件9由磁性材料构成，位于磁性浮子两磁极的外端，设于非磁性腔体外侧；

磁性流体14为磁流体、磁性复合流体或磁流变体等具备磁性的流体中的任何一种或是其中任何几种的组合。

检测装置：本例中的检测装置为轴端检测装置，设于磁性浮子1磁极的两端非磁性腔体的外侧，用于检测磁性浮子1的位移变化，输出加速度检测结果信号；所述的轴端检测装置包括磁性位移检测元件7采用霍尔元件，位于磁性浮子1两磁极的外端，设于非磁性腔体外侧，检测磁性浮子1的位移，输出加速度检测结果信号；且所述的磁性位移检测元件7与磁性部件9间可以设有隔离元件8；避免磁性部件9对磁性位移检测元件7造成干扰。

磁性位移检测元件7、隔离元件8与磁性部件9置于上述的非磁性端盖13上的凹槽中。

本例中的检测装置还可以采用周向检测装置，如为了更准确地测量加速度，除轴端检测装置外，还可同时设置轴端检测装置与周向检测装置。

所述的周向检测装置设于磁性浮子非磁极方向的周向的非磁性腔体的外侧，用于检测磁性浮子1的位移变化，输出加速度检测结果信号。

所述的周向检测装置包括周向位移检测元件，所述的周向位移检测元件包括两组检测电容6，本例中每组检测电容6包括两个半圆形极板，共四个半圆形极板，分别安装于圆柱形非磁性外筒3的外侧面被轴向凸台17与周向的环台16分隔成的四个区域，轴向凸台17与周向的环台16在这里起到定位与隔离的作用。

相对于上述的长方体形状的非磁性腔体，每组检测电容6包括两个平板式极板，共四个平板式极板，分别安装于非磁性外筒3的一对相对外侧面被周向凸台分隔成的四个区域，周向凸台在这里起到定位与隔离的作用。

所述的检测装置还包括信号处理模块，具体用于将磁性位移检测元件差动连接，对检测的加速度检测结果信号进行优化处理；或者，将两组检测电容差动连接，对检测的加速度检测结果信号进行优化处理。具体在原理部份进行论述。

为了更好地完成测量工作，在本例的基础上所述的加速度传感器还包括磁场控制装置，用于改变磁性流体的粘度，控制磁性浮子的位移量，具体包括控制线圈3缠绕于非磁性腔体外侧，通过外加电流产生磁场，改变磁性流体的粘度，控制磁性浮子的位移量；所述的控制线圈3缠绕于线圈固定套2外侧，线圈固定套2于非磁性腔体外侧。

当然所述的加速度传感器还包括内夹套，上述的非磁性腔体、磁性流体14、磁性浮子1、磁性部件9与检测装置均设于内夹套内；所述的内夹套具体包括内夹套套筒与压盖10，压盖10与内夹套套筒由螺栓固定，压盖10与磁性部件9接触将磁性位移检测元件7、隔离元件8与磁性部件9紧于非磁性端盖13上的凹槽中。所述的磁场控制装置可设于内夹套内也可设于内夹套外；本例中的的磁场控制装置设于于内夹套外，内夹套套筒也就是线圈固定套2。

为了方便安装，所述的加速度传感器还包括外壳体，所述的非磁性腔体、磁性流体14、磁性浮子1、磁性部件9与检测装置均设于外壳体内腔中，外壳体具体包括外套筒5与外端盖11，外套筒5与外端盖11通过螺栓固定，所述的外端盖11上设有安装支脚和/或安装孔。同时壳体由电磁屏蔽材料组成的，整个加速度传感器位于其中，避免外界磁场对其内部传感元件的干扰，以及消除内部磁场元件对外界环境的影响。

本发明所述的加速度传感器的工作原理如下：

磁性浮子1放置于非磁性腔体内部，磁性浮子1一方面受到重力以及磁性流体14的浮力；另一方面，由于磁性浮子1自身会产生磁场梯度，而磁性流体14在该磁场梯度作用下，有其独有特性，将产生一作用力，使得磁性浮子1悬浮在磁性流体14中，并在圆柱形非磁性腔体的径向上保持中间平衡位置；当存在径向的加速度时，使得磁性浮子1位置在径向发生偏移，从而其磁场梯度发生变化，就会产生一恢复力使得磁性浮子1立即恢复中间平衡位置，因而对径向加速度不敏感，消除径向加速度的影响。

非磁性端盖13中安放有磁性部件9，它们的极性与磁性浮子1的极性保持相反，左右分别有一块，它们使得磁性浮子1始终处于磁极相斥力的作用。在没受到外界轴向加速度作用时，磁性浮子1保持在圆柱形非磁性腔体轴向的中央位置。当受到外界轴向加速度作用时，由于惯性作用，磁性浮子1相对于圆柱形非磁性腔体在轴向具有运动趋势，并会产生一定的位移。磁性运动部件1的位移会引起磁性部件9对磁性运动部件1的作用力的改变，越靠近磁性部件9的一端受到排斥力将更大，而越远离磁性部件9的一端受到排斥力将更小，在图4中所示的状态下，左端受到的排斥力减小，右边受到的排斥力增大，因而会使得磁性浮子1有向中央位置运动的趋势，当外界加速度作用力等于磁性部件9对磁性浮子1排斥力时，达到一平衡位置。通过检测得到该位移将可以得知轴向外界加速度的大小。

本实例中，磁性位移检测元件7采用霍尔元件，磁性浮子1的运动位移将通过霍尔元件准确检测出来，采用将左右两边的霍尔元件差动连接，消除一些干扰信号，同时抵消磁性部件9产生的强磁场对霍尔元件产生的强信号，从而有利于弱信号的检测，提高检测精度。

本实例中，还采用特殊形状电容检测方式同时检测磁性浮子1的运动位移。在圆柱形非磁性腔体外层安装有两组多介质带缝隙半圆形组合检测电容6，两组电容之间以及电容极板间利用圆柱形非磁性腔体外壁的轴向凸台与周向的环台定位与隔离。当磁性浮子1在圆柱形非磁性腔体中运动时，将引起两检测电容6内部的电介质含量发生变化，从而改变检测电容的电容值。将左右两边的检测电容差动连接，消除一些干扰信号，提高检测精度。

在圆柱形非磁性腔体外壁嵌套有线圈固定套2，线圈固定套2上均匀缠绕控制线圈3，此控制线圈3将通过外加电流控制产生磁场，从而对磁性流体14的粘度起到控制作用，磁性流体14的粘度的控制将可以控制磁性浮子1的运动位移的大小，从而可以实现对测量量程的控制，达到宽量程效果。

因此本发明具有如下优点和有益效果：

1、本发明结构上新颖，避免了传统的悬臂梁结构，是对现有加速度传感器结构原理上的创新；

2、本发明采用磁性流体作为加速度传感器结构中的一重要部分，充分利用其独有特性，利用其在梯度磁场作用下，会产生作用力的特性，将具有梯度磁场的磁性运动部件悬浮起来，同时能够消除径向作用的影响；

3、本发明中的运动块为磁性浮子1，通过加速度传感器中在两端设置的磁性部件产生磁极相斥力，保持运动块在轴向的运动，运动块处于与其它机械部件无直接接触状态，使得其可靠性高、寿命长；

4、本发明中采取的原理，使得加速度传感器精度高，并且在检测中同时采取特殊多介质带缝隙组合检测电容和磁性位移检测元件，对磁性运动块位移检测，并均采取差动方式，消除各种干扰，具备高精度特点；

5、本发明中利用磁性流体粘度可控性特点，通过对线圈电流控制，改变施加在磁性流体上的磁场强度，达到控制磁性流体粘度的目的，从而可以达到对加速度传感器量程的控制，实现宽量程的特点。

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揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1、一种加速度传感器，其特征在于，包括：非磁性腔体、磁性流体、磁性浮子、磁性部件与检测装置，其中：

2、根据权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于，所述的加速度传感器还包括磁场控制装置，用于改变磁性流体的粘度，控制磁性浮子的位移量，具体包括：

控制线圈：缠绕于非磁性腔体外侧，通过外加电流产生磁场，改变磁性流体的粘度控制磁性浮子的位移量；或者还包括，

3、根据权利要求1或2所述的加速度传感器，其特征在于，所述的检测装置包括：

4、根据权利要求3所述的加速度传感器，其特征在于：

或者，

5、根据权利要求4所述的加速度传感器，其特征在于，所述的检测装置还包括信号处理模块，具体用于：

6、根据权利要求1或2所述的加速度传感器，其特征在于，所述的非磁性腔体包括非磁性外筒与非磁性端盖，其中：

所述的非磁性外筒与非磁性端盖之间还设有密封环。

7、根据权利要求6所述的加速度传感器，其特征在于，所述的非磁性腔体两端外侧设有凹槽，如为非磁性端盖则设于非磁性端盖上，用于安装检测装置；或者，

所述的非磁性腔体为长方体，相对的两组外壁其中一组两面轴向中部设有周向凸台；将非磁性腔体的一对相对外侧面分隔成四个区域用于安装检测装置。

8、根据权利要求1或2所述的加速度传感器，其特征在于，所述的磁性流体为磁流体、磁性复合流体或磁流变体中的一种或多种的组合；或者，

所述的磁性浮子为长圆柱形、球形、椭球形或长方形。

9、根据权利要求1或2所述的加速度传感器，其特征在于，所述的加速度传感器还包括内夹套，所述的非磁性腔体、磁性流体、磁性浮子与检测装置均设于内夹套内；所述的磁场控制装置可设于内夹套内也可设于内夹套外；

10、根据权利要求1或2所述的加速度传感器，其特征在于，所述的加速度传感器还包括外壳体，所述的非磁性腔体、磁性流体、磁性浮子与检测装置均设于外壳体内腔中，外壳体具体包括外套筒与外端盖，外套筒与外端盖通过螺栓固定，所述的外端盖上设有安装支脚和/或安装孔。