TWI470229B - 具有重力感測功能的加速度感測裝置 - Google Patents

Description

具有重力感測功能的加速度感測裝置

本發明是關於一種加速度感測裝置，特別是指一種具有電磁模組的加速度感測裝置。

按，一般加速度感測裝置依其種類可分為壓電式、壓阻式、電容式、及磁阻式加速度計，其中又以壓電式加速度計為較常被大眾使用於振動量測分析上，然採用壓電感測器所研製而成的加速度計需以壓電材料作為加速度感測器，導致成本較為昂貴。例如中華民國專利號碼第419839號的『振動量測裝置及其方法』中揭示一振動量測裝置及其方法，其包括一感應本體及一壓電感應層，該壓電感應層係以一均佈模態來形成，於實際應用上選擇一特定頻寬進行加速度之檢測，該『振動量測裝置及其方法』需以壓電材料作為加速度感測器，導致成本較為昂貴。

另外，也有使用光學的感測裝置來製作加速度感測器，其主要技術是採用偵測光功率之方式來完成，例如美國專利編號Pat.No.4,592,235的光學式加速度感測器( Optical accelerometer )是揭露將一懸臂樑末端支承的葉片置放於LED與光阻感測器之間，當受到加速度產生的外力時，懸臂樑末端的葉片將會產生擺動現象，進而阻斷LED光源射向光阻感測器的光量，經由該光阻感測器接收到的光功率，即可求得所對應的加速度值，然由於該光學式加速度計( Optical accelerometer )採用LED光的能量穩定度不高，所以容易造成該光阻感測器所接收的光功率產生飄移現象，故無法應用於精密測量上，並且該光學式加速度計( Optical accelerometer )內部得元件(葉片)龐大，造成光學式加速度計( Optical accelerometer )本身也需要很大的容置空間，導致攜帶使用上較為不便。

另外，上述所提到的加速度感測器無法測量或無法直接測量重力，當使用在航太設備時其在應用上會有所侷限。

因此，如何提供一種加速度感測裝置，讓加速度感測裝置本身有較小的體積和提高測量的精確度，便是值得本領域具有通常知識者去思量地。

本發明之目的是提供一種加速度感測裝置，加速度感測裝置包括一矩形殼體、一金屬球、多個電磁模組、多個投光陣列和多個受光陣列。金屬球位於該矩形殼體的內部之中央位置，電磁模組是設置在矩形殼體的內側壁面，投光陣列和受光陣列是設置在矩形殼體的內側壁面，且位於電磁模組與金屬球之間，受光陣列與該投光陣列是彼此相對。其中，金屬球是藉由電磁模組所施加的一磁力而保持在矩形殼體的內部之中央位置，且當金屬球離開矩形殼體的內部之中央位置後，電磁模組會調整磁力以使金屬球回到矩形殼體的內部之中央位置。

於上所述之加速度感測裝置，其中投光陣列包括多個投光器，受光陣列包括多個受光器，投光器具有一相對應的受光器，投光器發出光線時，相對應的受光器會立即偵測到，受光陣列感測到該金屬球的位置資訊。

於上所述之加速度感測裝置，其中投光器所發射出的光線為雷射光。

於上所述之加速度感測裝置，還包括一數據偵測模組，數據偵測模組包括一距離計算模組、一計時器，距離計算模組接收該金屬球的位置資訊，並產生一位置點的數據資料。當距離計算模組接收到該金屬球的位置資訊時，計時器會產生一個時間點，並將時間點給記錄下來產生一時間點的數據資料。其中，藉由距離計算模組和計時器產生的該數據資料便算出金屬球所移動的瞬間加速度。

於上所述之加速度感測裝置，數據偵測模組還包括一電流強度感測器，電磁模組的電流量產生變化時，電流強度感測器將電流變化的大小紀錄下來，並產生一電流量的數據資料。

於上所述之加速度感測裝置，數據偵測模組還包括一顯示螢幕，顯示螢幕顯示距離計算模組、計時器，和電流強度感測器的數據資料。

10．．．加速度感測裝置

101．．．主體

101A．．．充電孔

102．．．數據偵測模組

1021．．．顯示螢幕

1022．．．計時器

1023．．．距離計算模組

1024．．．電流強度感測器

12．．．金屬球

13．．．電磁模組

131．．．第一電磁模組

132．．．第二電磁模組

133．．．第三電磁模組

134．．．第四電磁模組

135．．．第五電磁模組

136．．．第六電磁模組

14．．．投光陣列

141．．．第一投光陣列

141a．．．投光器

142．．．第二投光陣列

143．．．第三投光陣列

15．．．受光陣列

151a．．．受光器

151．．．第一受光陣列

152．．．第二受光陣列

153．．．第三受光陣列

X1、X2．．．金屬球位置

t1、t2．．．時間點

M1．．．磁力

F1．．．重力

L1、L2．．．金屬球位置

Lt1、Lt2．．．時間點

A2．．．瞬間加速度

圖1所繪示為本實施例之加速度感測裝置。

圖2所繪示為加速度感測裝置10的主體101的A-A剖視圖。

圖3所繪示為加速度感測裝置10的主體101的B-B剖視圖。

圖4所繪示為第一投光陣列141和第一受光陣列151的立體圖。

圖5所繪示為第一受光陣列151偵測金屬球12所在位置的示意圖。

圖6所繪示為加速度感測裝置10的主體101的A-A剖視圖。

圖7所繪示為金屬球12的受力方向示意圖。

圖8至圖10所繪示為本實施力之加速度感測裝置10應用在測量加速度時的剖視圖。

請參閱圖1，圖1所繪示為本實施例之加速度感測裝置10。加速度感測裝置10包括一主體101與一數據偵測模組102所構成，主體101的外形為一矩形殼體，在主體101的其中一面有一充電孔101A，充電孔101A可連接外部電源來提供主體101與數據偵測模組102所需的電力。在較佳的實施例中，主體101為一長寬高都為10mm的矩形殼體，其體積所佔據的空間不大。在本實施例中，主體101為立方形殼體，但主體101的形狀並不限於立方形殼體，只要為矩形殼體即可。另外，數據偵測模組具有一顯示螢幕1021、一計時器1022、一距離計算模組1023和一電流強度感測器1024，顯示螢幕1021主要顯示計時器1022、距離計算模組1023和電流強度感測器1024所產生的數據資料。

請參閱圖2和圖3，圖2為加速度感測裝置10的主體101的A-A剖視圖，圖3為加速度感測裝置10的主體101的B-B剖視圖。加速度感測裝置10之主體101內部包括至少一金屬球12、多個電磁模組13、多個投光陣列14、和多個受光陣列15。而電磁模組13是頂靠著主體101的四周內壁，電磁模組13包括第一電磁模組131、第二電磁模組132、第三電磁模組133、第四電磁模組134、第五電磁模組135、和第六電磁模組136，電磁模組13是藉由外部的電力來產生磁力吸引金屬球12，當電磁模組的電流量產生變化時，電流強度感測器1024會將電流變化的大小紀錄下來，並產生一電流量的數據資料。此外，投光陣列14包括第一投光陣列141、第二投光陣列142和第三投光陣列143，而受光陣列15則包括第一受光陣列151、第二受光陣列152和第三受光陣列153。由圖2和圖3的剖視圖可看出，投光陣列14和受光陣列15位於該電磁模組13與金屬球12之間。在本實施例中，金屬球12的材質是由鐵所構成，但金屬球12的材質並不限於鐵，也可以是由其他可被磁力所吸引的物質所構成。另外，在電磁模組13外側還可設置有一金屬外壁16，此金屬外壁16可發揮金屬屏蔽的功效，以免電磁模組13受到外界電磁波的影響。

請參閱圖4，圖4為第一投光陣列141和第一受光陣列151的立體圖。第一投光陣列141是由多個投光器141a排成的矩形陣列，而第一受光陣列151是由多個受光器排列成的矩形陣列，每一個投光器141a都有一個相對應的受光器151a，也就是說第一投光陣列141與第一受光陣列151是彼此相對。當投光器141a發出光線時，相對應的受光器151a會立即偵測到。同理，當投光器141a的光線未被受光器151a偵測到時，相對應的受光器151a也會立即得知。

參閱圖5，圖5為第一受光陣列151偵測金屬球12所在位置的示意圖。金屬球12在主體101的內部會遮蔽住其中一個投光器141a所發射的光線，導致相對應的受光器151a會立即感測到，如此便可獲知金屬球12所在的橫向位置。同理，第二受光陣列152和第三受光陣列153也可獲得金屬球12所在縱向位置。也就是說，藉由受光陣列15所發出的感測信號，可得知金屬球12在主體101內部的正確位置。受光陣列15再將所感測到的位置資訊傳送給距離計算模組1023，讓距離計算模組1023算出金屬球12在主體101內的實際位置，並產生一位置點的數據資料。在本實施例中，投光器141a的光源為雷射光，這樣金屬球12被偵測出的位置可較為準確。此外，當金屬球12的位置資訊傳送給距離計算模組1023時，計時器1022會產生一個時間點，而計時器1022便會將該時間點給記錄下來，並產生一時間點的數據資料，例如：請參考圖6，金屬球12的位置從X1移動至X2時，距離計算模組1023接收到X1的位置資訊時，計時器1022獲得一時間點t1秒，另外距離計算模組1023接收到X2的位置資訊時，計時器1022也獲得一時間點t2秒，計時器會將t1和t2記錄下來，便可得知金屬球從X1移動置X2所花費的時間。

請參考圖7，圖7為金屬球12的受力方向示意圖。當加速度感測裝置10運作時，金屬球12受到電磁模組13的磁力吸引會停留在主體101內部的正中央位置，若當該金屬球12離開該矩形殼體的內部之中央位置後，電磁模組13會調整磁力以使該金屬球12回到主體101的內部之中央位置。因為金屬球12在主體101的內部之中央位置時，還是受到地心引力的影響，金屬球12會承受一個向下的重力F1，若要維持金屬球12停留在主體101的正中央位置，第一電磁模組131需提供向上的磁力M1吸住金屬球12，且磁力M1與重力F1相等，才能保持金屬球12停留在矩形殼體10a的正中央位置。相對的，第一電磁模組131會比其他電池模組多增加磁力M1，導致第一電磁模組131需提高電流的強度，而電流的強度所增加的量可利用數據偵測模組102的電流強度感測器1024偵測出來。經由第一電磁模組131增加的電流大小便可換算出磁力M1的大小，而磁力M1又等同於金屬球12所承受的重力F1，所以加速度感測裝置10在靜止時便可藉由第一電磁模組131增加的電流大小獲得所處環境的重力大小(也就是重力F1大小)。例如，若將加速度感測裝置10放置在航空器（未繪示，例如：飛機或太空梭）中，當航空器的高度提高時，金屬球12所承受的重力F1便會變小，為了使金屬球12保持在矩形殼體10a的正中央位置，第一電磁模組131便必須將磁力M1往下調整，藉由磁力M1的值便可以推知航空器於該位置的重力場大小。

請參考圖8至圖10，圖8至圖10為本實施力之加速度感測裝置10應用在測量加速度時的剖視圖。當加速度感測裝置10設置在一個等速移動的交通工具(例如火車)上時，啟動速度感測裝置10後，金屬球12會懸浮在矩形殼體10a內部的中央定點L1處(請參考圖8)，若火車瞬間加速產生一瞬間加速度A2，加速度感測裝置10的主體101也會被火車帶動具有瞬間加速度A2。然而，主體101內的金屬球12本身是受到電磁模組13的吸引而處於懸浮的狀態，不像主體101是設置在火車上(主體101與火車成為同一個體)，所以由於慣性作用金屬球12會往火車前進的反方向移動，而金屬球12反方向移動的瞬間加速度也會等同於火車的瞬間加速度A2(請參考圖9)，此種現象類似火車加速啟動的那一瞬間，車內的乘客會往火車前進的反方向傾斜或往椅背頂靠。在圖10中，金屬球12受到火車瞬間加速度A2的影響，其從中央定點L1移動至左方定點L2，第一受光陣列151會將中央定點L1和左方定點L2的位置資訊回報給距離計算模組1023，同時計時器1022也產生中央定點L1的時間點Lt1和左方定點L2的時間點Lt2。最後經由顯示螢幕1021獲得計時器1022和距離計算模組1023的數據之料，再經由加速度的位移公式 ( S=1/2at² )，便可求得金屬球從中央定點L1移動至左方定點L2的瞬間加速度，而金屬球的瞬間加速度也就是火車的瞬間加速度A2。相較於習知的加速度感測器，本實施例之加速度感測器10利用雷射光來偵測金屬球12的位置，所獲得的加速度資料會有較高的準確度，此外加速度感測裝置10的體積較不占空間，更便於攜帶使用。

另外，在上述的實施例中，加速度感測裝置10雖然包括數據偵測模組102中的計時器1022與距離計算模組1023，但本領域具有通常知識者應可明白在選擇不設置計時器1022與距離計算模組1023的情況下，也可以測得加速度，其是利用『F = ma』這條方程式所求得。詳細的說，在已知金屬球12的質量與其所受磁力的情況下，便可測得加速度。

除了測量加速度與重力之外，本發明之加速度感測裝置10還能用以感測飛機所受到的風向。例如，當飛機受到左側來風的吹襲時，位於主體101中的金屬球12便會往左移動，這樣加速度感測裝置10便會判斷飛機受到左側來風的吹襲。而且，藉由所量測到的加速度，也可以得知飛機所受的風力。

本發明以實施例說明如上，然其並非用以限定本發明所主張之專利權利範圍。其專利保護範圍當視後附之申請專利範圍及其等同領域而定。凡本領域具有通常知識者，在不脫離本專利精神或範圍內，所作之更動或潤飾，均屬於本發明所揭示精神下所完成之等效改變或設計，且應包含在下述之申請專利範圍內。

101．．．主體

12．．．金屬球

13．．．電磁模組

131．．．第一電磁模組

132．．．第二電磁模組

133．．．第三電磁模組

134．．．第四電磁模組

14．．．投光陣列

141．．．第一投光陣列

142．．．第二投光陣列

15．．．受光陣列

151．．．第一受光陣列

152．．．第二受光陣列

Claims (8)

1. 一種加速度感測裝置，包括：
   一矩形殼體；
   一金屬球，位於該矩形殼體的內部之中央位置，該金屬球可被磁力所吸引；
   多個電磁模組，是設置在該矩形殼體的內側壁面；
   多個投光陣列，是設置在該矩形殼體的內側壁面，且位於該電磁模組與該金屬球之間；
   多個受光陣列，是設置在該矩形殼體的內側壁面，且位於該電磁模組與該金屬球之間，該受光陣列與該投光陣列是彼此相對；
   其中，該金屬球是藉由該電磁模組所施加的一磁力而保持在該矩形殼體的內部之中央位置，且當該金屬球離開該矩形殼體的內部之中央位置後，該電磁模組會調整磁力以使該金屬球回到該矩形殼體的內部之中央位置。
   
2. 如申請專利範圍第1項所述之加速度感測裝置，其中該投光陣列包括多個投光器，該受光陣列包括多個受光器，該投光器具有一相對應的該受光器，該投光器發出光線時，相對應的該受光器會立即偵測到，該受光陣列感測到該金屬球位置資訊。
3. 如申請專利範圍第2項所述之加速度感測裝置，其中投光器所發射出的光線為雷射光。
4. 如申請專利範圍第2項所述之加速度感測裝置，還包括一數據偵測模組，該數據偵測模組包括：
   　 一距離計算模組，該距離計算模組接收該金屬球的位置資訊，並產生一位置點的數據資料；
   　 一計時器，該距離計算模組接收到該金屬球的位置資訊時，該計時器會產生一個時間點，並將該時間點給記錄下來產生一時間點的數據資料；
   　 其中，藉由該距離計算模組和該計時器產生的該數據資料便算出該金屬球所移動的瞬間加速度。
5. 如申請專利範圍第4項所述之加速度感測裝置，其中該數據偵測模組還包括一電流強度感測器，該電磁模組的電流量產生變化時，該電流強度感測器將電流變化的大小紀錄下來，並產生一電流量的數據資料。
6. 如申請專利範圍第5項所述之加速度感測裝置，其中該數據偵測模組還包括一顯示螢幕，該顯示螢幕顯示該距離計算模組、該計時器，和該電流強度感測器的數據資料。
7. 如申請專利範圍第1項所述之加速度感測裝置，其中該金屬球的材質是由鐵所構成。
8. 如申請專利範圍第1項所述之加速度感測裝置，其中該矩形殼體為立方形殼體。