CN205301362U - 一种基于差分式红外位移传感器的伺服式加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于差分式红外位移传感器的伺服式加速度传感器，包括外壳以及位于外壳内部的圆柱形磁体，外壳内置有圆柱形质量块，质量块套于磁体外部并与磁体共轴，质量块的外侧面缠绕有线圈，线圈的两端通过设置于外壳上的通孔穿出作为电流输入输出端；外壳内壁下部设有红外发射管，外壳内壁底部设有2片红外硅光管；质量块底部安装开有方形孔的挡光片，挡光片位于红外发射管与红外硅光管之间。本实用新型结构简单、低频特性好、测量精度、灵敏度高，能够广泛地应用于地球物理勘探、地震测量、交通运输、航空航天等领域。

Description

一种基于差分式红外位移传感器的伺服式加速度传感器

技术领域

本实用新型涉及一种基于差分式红外位移传感器的伺服式加速度传感器，属于测量设备领域。

背景技术

加速度传感器(又称加速度计)是用于测量物体运动加速度的一种装置，广泛地应用于地球物理勘探、地震测量、交通运输、航空航天等领域。

加速度传感器是利用惯性原理进行工作的。通常有两种测量物体运动加速度的方法：(1)通过测量物体相对于惯性检测质量的位移或速度，并对其进行导数运算而得到加速度；(2)通过测量随被测物体一起运动的惯性检测质量所受到的惯性力的大小来获得物体运动的加速度。

加速度传感器的种类繁多，从纯机械式的逐渐发展到液浮、磁悬浮和气浮式，以及后来的挠性、激光、压电晶体谐振式等。不同类型的加速度计，优缺点各不相同，同时也决定了它们的应用场合的不同。如电容式的加速度计，具有温度系数小、稳定性好、灵敏度高的优点，但是缺点是加工精度要求太高且信号处理电路复杂；压电式加速度计具有较高的响应带宽和高的灵敏度，但是压电材料极化产生的是直流电荷，在低频的时候难以进行压电测量，影响传感器的低频特性。总体来看，加速度传感器性能的优劣，关键要看其在低频段的响应情况，然而，要获取物体作低频运动时的加速度是非常困难的，必须采用新的原理、特殊的方法和技术，保证其在低频段有良好的加速度响应曲线。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本实用新型提供了一种基于差分式红外位移传感器的伺服式加速度传感器，结构简单、低频特性好、测量精度、灵敏度高，能够广泛地应用于地球物理勘探、地震测量、交通运输、航空航天等领域。

本实用新型为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种基于差分式红外位移传感器的伺服式加速度传感器，包括外壳以及位于外壳内部的圆柱形磁体，外壳内置有圆柱形质量块，所述质量块设有直径大于磁体直径的圆柱形通孔，圆柱形通孔与质量块共轴，质量块套于磁体外部并与磁体共轴，质量块的顶部通过2根以上弹簧连接于外壳内壁的顶部，质量块的底部通过2根以上弹簧连接于外壳内壁的底部，质量块的外侧面缠绕有线圈，线圈的两端通过设置于外壳上的通孔穿出作为电流输入输出端；外壳内壁下部设有红外发射管，外壳内壁底部设有用于接收红外发射管发射出的红外光的2片红外硅光管，所述2片红外硅光管与导线连接，导线通过设置于外壳底部的通孔穿出作为差分信号输出端；质量块底部安装开有方形孔的挡光片，挡光片位于红外发射管与红外硅光管之间。

所述外壳采用软磁材料。

所述圆柱形磁体上底中心和下底中心均开有螺纹孔，外壳的顶部和顶部开有配套螺纹孔，圆柱形磁体通过分别位于上底和下底的螺栓与外壳连接。

质量块的顶部和底部各通过2根弹簧分别与外壳内壁的顶部和底部连接。

所述硅光管背对红外发射管的一面覆盖有金属膜。

所述差分信号输出端与串联的前置放大器、A\D转换器、控制器、输出电流控制芯片连接，输出电流控制芯片再与电流输入输出端连接。

所述控制器与显示器连接。

所述控制器为单片机或DSP。

本实用新型基于其技术方案所具有的有益效果在于：

(1)本实用新型的基于差分式红外位移传感器的伺服式加速度传感器安装于待测物体上，当质量块连同挡光片与外壳不发生位移时，红外发射管透过挡光片的方形槽所形成的光斑均匀分布在两片红外硅光管上，当质量块连同挡光片与外壳发生位移，由于照射在红外硅光管上的光斑位置发生变化，两片红外硅光管接收的红外光照面积不一样，两片硅光管的输出信号差分后不再为0，可以通过差分信号反应相对位移的变化，利用该差分信号进行处理产生反馈电流，该反馈电流从线圈的两端输入输出，圆柱形磁体产生均匀环形磁场，当质量块发生位移时，质量块外侧面缠绕的线圈能够产生感应电流，质量块由于洛伦兹力的作用向上或向下移动，保持与外壳的位置动态平衡，通过测试电流大小，能够求出质量块的受力，从而根据受力测得传感器外壳的加速度大小；

(2)本实用新型的基于差分式红外位移传感器的伺服式加速度传感器，其磁体和外壳通过螺栓连接，可以通过调节上下两个螺栓调节磁体在外壳内部的高度，进而调整磁场使其均匀分布；

(3)本实用新型的基于差分式红外位移传感器的伺服式加速度传感器，各弹簧大小、规格相同，不仅起到支撑质量块的作用，还起到隔振作用；

(4)本实用新型的基于差分式红外位移传感器的伺服式加速度传感器，硅光管的反面要用金属膜覆盖，能够避免其它红外线的影响，使结果更准确；

(5)本实用新型的基于差分式红外位移传感器的伺服式加速度传感器，由于加入了反馈环节，质量块与外壳始终保持在相对位置动态平衡状态，相对于其他类型的加速度传感器，动态响应范围大，低频特性好；

(6)本实用新型的基于差分式红外位移传感器的伺服式加速度传感器机械结构简单，制作方便，易于调节，便于安装，既可以竖直安装在物体的表面测量其竖直方向的加速度；也可以横向安装，测量物体水平方向的加速度；

(7)本实用新型的基于差分式红外位移传感器的伺服式加速度传感器，具有不受温度和气压影响的特点，造价低、体积小，适用于火箭、船舶、火车等一些列需要平衡控制的设备中。

附图说明

图1是本实用新型的外部结构示意图。

图2是本实用新型的内部结构示意图。

图3是本实用新型的电路原理图。

图中：1—外壳，2—磁体，3—质量块，4—线圈，5—挡光片，6—红外发射管，7—红外硅光管，8—弹簧，9—螺栓，10—差分信号输出端。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

参照图1、图2和图3，本实用新型提供了一种基于差分式红外位移传感器的伺服式加速度传感器，包括外壳1以及位于外壳内部的圆柱形磁体2，外壳内置有圆柱形质量块3，所述质量块设有直径大于磁体直径的圆柱形通孔，圆柱形通孔与质量块共轴，质量块套于磁体外部并与磁体共轴，质量块的顶部通过2根以上弹簧8连接于外壳内壁的顶部，质量块的底部通过2根以上弹簧连接于外壳内壁的底部，质量块的外侧面缠绕有多匝线圈4，线圈的两端通过设置于外壳上的通孔穿出作为电流输入输出端，即图中的a端和b端；外壳内壁下部设有红外发射管6，外壳内壁底部设有用于接收红外发射管发射出的红外光的2片红外硅光管7，所述2片红外硅光管与导线连接，导线通过设置于外壳底部的通孔穿出作为差分信号输出端10，即c端；质量块底部安装开有方形孔的挡光片5，挡光片位于红外发射管与红外硅光管之间。

所述外壳1采用软磁材料。

所述圆柱形磁体2上底中心和下底中心均开有螺纹孔，外壳的顶部和顶部开有配套螺纹孔，圆柱形磁体通过分别位于上底和下底的螺栓9与外壳连接。

质量块的顶部和底部各通过2根弹簧分别与外壳内壁的顶部和底部连接。

所述硅光管背对红外发射管的一面覆盖有金属膜。

所述差分信号输出端与串联的前置放大器、A\D转换器、控制器、输出电流控制芯片连接，输出电流控制芯片再与电流输入输出端连接。

所述控制器与显示器连接。

所述控制器为单片机或DSP。

红外发射管与两片红外硅光管的中心波长范围要匹配。红外发射角尽可能小，红外硅光管最好有较高的电流响应速度和较高的电流输出能力。在安装过程中，为了避免其它红外线的影响，硅光管的反面要用金属膜覆盖。

细软弹簧的性能优劣直接关系到整个加速度传感器的性能指标。在选择过程中，尽可能选择材质柔软，弹性好，隔振性能优的细软弹簧。安装时要注意对称均匀分布在质量块的周边。

本实用新型的基于差分式红外位移传感器的伺服式加速度传感器的原理为：采用均匀分布的弹簧悬挂和支撑一个圆柱形质量块，质量块的外面缠绕有多匝线圈，并置于一个由永久磁体产生的均匀磁场中。在位于质量块下方的传感器框架上安装红外线发射管和两片红外硅光管，并使发射管和两片硅光管芯片相对放置。其次，在质量块的下方安装一个开有方形孔的挡光片，其位置在红外发射管与两片硅光管之间，没有相对运动时，挡光片上的方形开孔可使发射管发出的光线可均匀照射到两片红外硅光管上。这样，当传感器的磁性外壳(框架)和中轴处的磁性柱体随被测量的物体运动时，由于惯性和细软弹簧的隔振作用，质量块对外界保持静止，而与之相连的挡光片将相对于红外发射管和红外硅光管作相对运动，从而改变了通过方形孔红外光线照射两片红外硅光管上的面积，由于光通量的不同，两片红外硅光管就输出一个差分信号，经过信号采集电路，即可测量质量块相对于传感器框架的位移。

如果以运动的物体作为参照系，由于加速度传感器固定在物体上，传感器框架相对于质量块的加速度就是物体运动的加速度；此时，质量块受到一个与物体运动的加速度成正比的惯性力的作用，测出惯性力即可得到物体运动的加速度。本发明采用伺服控制技术和力平衡的方法获得物体所受到的惯性力，即通过上述装置，测量质量块相对于传感器框架的位移，然后，通过一系列的信号处理和自动控制电路，加载一个反馈电流到缠绕在质量块上的线圈中，在磁场力的作用下，使质量块与传感器框架之间保持相对静止，这时质量块受到的电磁力刚好等于惯性力，而电磁力的大小是由反馈电流决定的，通过反馈电流的测量就可以得到固定于传感器框架上物体运动的加速度。

由于采用了差分式红外位移传感器进行质量块的位置测量，以及通过测量反馈电流来获得物体运动的加速度，该加速度传感器具有良好的线性性和较高的灵敏度。伺服控制技术和力平衡方法的应用保证质量块基本处于静止状态，从而使该加速度传感器具有很好的低频特性和很宽的频带范围。

Claims (8)

1.一种基于差分式红外位移传感器的伺服式加速度传感器，包括外壳以及位于外壳内部的圆柱形磁体，其特征在于：外壳内置有圆柱形质量块，所述质量块设有直径大于磁体直径的圆柱形通孔，圆柱形通孔与质量块共轴，质量块套于磁体外部并与磁体共轴，质量块的顶部通过2根以上弹簧连接于外壳内壁的顶部，质量块的底部通过2根以上弹簧连接于外壳内壁的底部，质量块的外侧面缠绕有线圈，线圈的两端通过设置于外壳上的通孔穿出作为电流输入输出端；外壳内壁下部设有红外发射管，外壳内壁底部设有用于接收红外发射管发射出的红外光的2片红外硅光管，所述2片红外硅光管与导线连接，导线通过设置于外壳底部的通孔穿出作为差分信号输出端；质量块底部安装开有方形孔的挡光片，挡光片位于红外发射管与红外硅光管之间。

2.根据权利要求1所述的基于差分式红外位移传感器的伺服式加速度传感器，其特征在于：所述外壳采用软磁材料。

3.根据权利要求1所述的基于差分式红外位移传感器的伺服式加速度传感器，其特征在于：所述圆柱形磁体上底中心和下底中心均开有螺纹孔，外壳的顶部和顶部开有配套螺纹孔，圆柱形磁体通过分别位于上底和下底的螺栓与外壳连接。

4.根据权利要求1所述的基于差分式红外位移传感器的伺服式加速度传感器，其特征在于：质量块的顶部和底部各通过2根弹簧分别与外壳内壁的顶部和底部连接。

5.根据权利要求1所述的基于差分式红外位移传感器的伺服式加速度传感器，其特征在于：所述硅光管背对红外发射管的一面覆盖有金属膜。

6.根据权利要求1所述的基于差分式红外位移传感器的伺服式加速度传感器，其特征在于：所述差分信号输出端与串联的前置放大器、A\D转换器、控制器、输出电流控制芯片连接，输出电流控制芯片再与电流输入输出端连接。

7.根据权利要求6所述的基于差分式红外位移传感器的伺服式加速度传感器，其特征在于：所述控制器与显示器连接。

8.根据权利要求6所述的基于差分式红外位移传感器的伺服式加速度传感器，其特征在于：所述控制器为单片机或DSP。