[發明專利]六維加速度傳感器

無效

• 申請號: 201010188882.0
• 申請日: 2010-05-17
• 公開（公告）號: CN101858932A
• 公開（公告）日: 2010-10-13
• 發明（設計）人: 于春戰;張新義
• 申請（專利權）人: 山東理工大學
• 主分類號: G01P15/18
• 分類號: G01P15/18
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種六維加速度傳感器，具體地說是一種基于新型并聯結構，并引入應力集中系數法的六維加速度傳感器，屬于測試技術與控制領域。

背景技術

六維加速度傳感器是傳感器研究領域的難點，國內外文獻報導和專利申請的很少是因為很難構造能同時測量三維線加速度和三維角加速度的彈性元件，目前主要集中在三維以下加速度傳感器的研制上，而且技術成熟已經產品化。

六維加速度傳感器的研究國內外還處于探索研究階段，典型的彈性元件結構有美國Maryland大學研制的超導六維加速度傳感器，用于軌道空間，研制成本高；日本Ritsumeikan大學采用MEMS技術研究的雙質量塊和四懸臂梁結構，中科院合肥智能所研究的雙膜片十字梁結構，其結構參數的設計以有限元仿真為主要的方法，缺乏成熟的設計理論；重慶大學研究的組合式六維加速度傳感器，封裝體積相對較大，單軸加速度傳感器的累積誤差和安裝誤差需要校正；也有采用并聯機構作為彈性元件研制六維加速度傳感器(專利申請號CN200710061723.2，CN200710061724.7，CN200910025673.1，CN200910025674.6)，有一整套成熟的設計理論，有良好的各向同性，標定解耦效果明顯，但是以并聯機構作為彈性元件必須解決以下2個主要問題：1.理論模型實體化的過程中，帶來的結構誤差影響各連接桿上的應力和應變值，最終影響傳感器的測量精度。2.并聯機構的特點是剛度大，承載力大，但是對于彈性元件來講，剛度大必然導致各連接桿上的應變值很小，會大大降低測量電路的信噪比，最終也會影響到傳感器的測量精度。而上述基于并聯機構的六維加速度傳感器或者在解決理論模型實體化的過程中沒有解決并聯機構剛度大帶來的影響，或者在解決第二個問題時使機構結構復雜，增加了加工難度，導致加工精度不高也會影響到傳感器的測量精度。

發明內容

本專利的目的是提供一種能克服上述缺陷、設計誤差小、體積小、動態特性好，響應快、精度高的六維加速度傳感器。其技術方案為：

包括慣性質量球平臺、下平臺、貼片、連接于慣性質量球平臺和下平臺的六根支鏈，其中慣性質量球平臺的中心與下平臺的中心的連線垂直于下平臺，六根支鏈等分成三組，三組支鏈與慣性質量球平臺的連接點均位于慣性質量球平臺最大直徑的水平圓周上、且均勻分布，每組中的兩根支鏈與慣性質量球平臺的連接點之間夾角為α，三組支鏈與下平臺的連接點位于同一圓周上、且均勻分布，每組中的兩根支鏈與下平臺的連接點之間夾角為β，每根支鏈均包括一彈性連接桿和位于彈性連接桿兩端的圓柱型鉸鏈，圓柱型鉸鏈與彈性連接桿共軸心線，圓柱型鉸鏈對應經凸臺與慣性質量球平臺或下平臺連接，凸臺與圓柱型鉸鏈連接的端面與圓柱型鉸鏈的軸心線垂直，慣性質量球平臺、下平臺、六根支鏈、凸臺采用一體化加工，其特征在于：在每個彈性連接桿上開設一貫穿的孔，孔的軸心線與六根彈性連接桿軸心線所在的圓臺側面垂直，對應于每個孔均設置兩個對稱的貼片，每個貼片均沿彈性連接桿的軸心線方向附著在孔的內壁上，且貼片的中心位于孔深的1/2處、兩貼片關于慣性質量球平臺中心、下平臺中心和孔軸線構成的平面對稱。

所述的六維加速度傳感器，孔的橫截面可為圓形、正方形、長方形、橢圓形或卵圓形，孔是為了引入應力集中而開設的，只要能保證彈性連接桿在彈性范圍內產生應力集中，工藝可行，貼片方便，任何形狀的孔或者凹槽均可。

所述的六維加速度傳感器，孔的軸心線過彈性連接桿軸心線的中點。

所述的六維加速度傳感器，六維加速度傳感器通常采用的材料有：鈹青銅、鈦合金、聚丙烯、鋁青銅、錫青銅、硅青銅、黃銅或者鋁合金，材料的強度和剛度比越大，材料的彈性就越好且不易破壞，就越適合做傳感器的彈性元件。

其工作原理是：下平臺固定在被檢測件上，當被檢測件運動帶來的加速度，使慣性質量球平臺在質心處產生廣義慣性力，通過圓柱型鉸鏈的變形加在彈性連接桿上，此時彈性連接桿上會因為變形而產生應變，并聯機構剛度大的特點使得彈性連接桿上的應變值很小，導致測量電橋電路的信噪比很低，嚴重影響了傳感器的測量精度，所以本發明引入應力集中系數能有效克服此缺陷。

構件上的應力分布不均，在部分區域會產生應力峰值的情況，稱為應力集中，用應力集中系數表示，是防止構件失效，計算應力集中處的最大應力而采用的。本發明通過在彈性連接桿上開設孔，將應力集中引入到彈性連接桿的設計上來，正是利用應力集中處應力增大的原理，來減小并聯機構大剛度對各彈性桿的影響，增大連接桿上的局部應力，從而達到增大應變值，改善輸出信號信噪比的目的，為標定系統提供可靠的信號源。