CN102121943B - 基于微型单轴加速度敏感元件/传感器的六维加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微型单轴加速度敏感元件/传感器的六维加速度传感器，包括基座、特性一致的三块分别安装两个微型单轴加速度敏感元件/传感器的传感器电路板、数据采集与处理电路板和与基座相连的盖板，所述安装两个微型单轴加速度敏感元件/传感器的传感器电路板上安装两个微型单轴加速度敏感元件/传感器，保证每块电路板上的两个微型单轴加速度敏感元件/传感器关于传感器电路板的中心轴线对称且敏感轴线相互垂直；所述基座为在一块实体上加工出的三个相互垂直的表面作为传感器电路板的安装基面。由于采用了微型单轴加速度传感器作为敏感器件，同时有机集成了数据处理电路板，本发明具有结构紧凑、体积小、集成度高的优点。

Description

基于微型单轴加速度敏感元件/传感器的六维加速度传感器

技术领域

本发明涉及一种基于微型单轴加速度敏感元件/传感器的六维加速度传感器，通过安装在基座表面上的六个微型单轴加速度敏感元件/传感器结合数据采集与处理电路实现基座运动的六维加速度的传感，属于惯性技术和传感器技术领域。本发明名称“基于微型单轴加速度敏感元件/传感器的六维加速度传感器”前面的定语中的敏感元件和传感器为两个对等的概念。

背景技术

机器人和空间机构的运动情况可以通过对其六维加速度(包括三维角加速度和三维线加速度)的传感得到。由于传统的加速度传感器只能实现三维线加速度或单轴角加速度的传感，能够同时实现三维角加速度和三维线加速度传感的六维加速度传感器的研究便成了惯性技术和传感器技术领域研究的一个热点问题。

目前，利用获取单一惯性质量相对壳体的位移或弹性单元的应变实现六维加速度的传感原理人们研究了多种基于电容式、压阻式和光电式原理的六维加速度传感器。如Canavan等人(IEEE Transactions on Magnetics，Vol.27，No.2，3253-3256，1992)设计了一种通过获取悬浮在通有持续电流的一组超导线圈上的超导质量块的位移实现六维加速度传感的六维加速度传感器；Amarasinghe等人(Sensors and Actuators A：Physical，Vol.134，No.2，310-320，2007)提出了一种通过获取支撑惯性质量的悬臂梁的应变实现六维加速度传感的六维加速度传感器；Chapsky等人(Sensors and Actuators A：Physical，Vol.135，No.2，558-569，2007)研究了一种采用6个光学位移传感器获取由24个弹簧支撑的立方体惯性质量的位移实现六维加速度传感的六维加速度传感器。上述六维加速度传感器均存在结构复杂和制作工艺要求高等缺点。

此外，还可以通过将多个单轴加速度敏感单元按照特定的布局结构固定在一起实现六维加速度传感。如发明人本人发明的发明专利《一种六轴加速度传感器的敏感元件的布局方法》(专利号：ZL 200610095028.3)给出了一种基于六个单轴加速度敏感单元的六维加速度传感器的敏感单元布局方法。发明人本人发明的发明专利《基于九加速度敏感单元的六轴加速度传感器的布局方法》(专利号：ZL 200810237023.9)给出了一种基于九个单轴加速度敏感单元的六维加速度传感器的敏感单元布局方法。上述两种方法均能够有效获取六维加速度，具有结构简单、成本低和易于实现等优点，但由于其结构决定了利用该布局方法加工的六维加速度传感器的敏感单元尺寸相对较大，难以利用现有的基于MEMS工艺的微型单轴加速度敏感元件/传感器实现六维加速度传感器的微型化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构紧凑、体积小、集成度高的基于微型单轴加速度敏感元件/传感器的六维加速度传感器。

本发明的技术方案如下：

本发明中所述基于微型单轴加速度敏感元件/传感器的六维加速度传感器包括基座、特性一致的三块分别安装两个微型单轴加速度敏感元件/传感器的传感器电路板、数据采集与处理电路板和与基座相连的盖板。特性一致的三块传感器电路板上各安装有两个微型单轴加速度敏感元件/传感器及其外围电路，并保证两个微型单轴加速度敏感元件/传感器关于传感器电路板表面中线对称且敏感轴线相互垂直，各自敏感质心到垂足的距离均为l(六维加速度传感器的尺度参数)；三块传感器电路板分别固定在基座的三个相互垂直的表面上，通过定位孔或与安装平面垂直的面定位，保证在不同传感器电路板上且相邻两微型单轴加速度敏感单元/传感器的敏感轴线相互垂直且共面，同时各自敏感质心到垂足的距离均为l；基座通过在一块矩形实体上加工出的三个相互垂直的表面作为传感器电路板的安装基面；基座可以是内陷式或外凸式基座，加工基座的实体可以是其它轴对称形状；数据采集与处理电路板直接固定在壳体上，并通过线缆与三块传感器电路板相连。当壳体与被测物体一起运动时，六个微型单轴加速度敏感元件/传感器将感受到的运动转换为六通道电信号输出，数据采集与处理电路板对六个微型单轴加速度敏感元件/传感器的输出进行放大、滤波，并转换为数字信号读入到数据处理芯片中进行解算，得到的六维加速度通过DA输出模块转换成模拟信号输出或者通过USB/蓝牙/RS232等接口输出给外部数字设备。

本发明具有下述优点：

1.本发明在基座上加工出的三个相互垂直的表面作为传感器电路板的安装平面，并使每个传感器电路板上的两个微型单轴加速度敏感元件/传感器关于传感器电路板表面中线对称且敏感轴线相互垂直，各自敏感质心到垂足的距离均为l，同时在不同传感器电路板上且相邻两微型单轴加速度敏感单元传感器的敏感轴线相互垂直且共面，且各自敏感质心到垂足的距离均为l，这种结构的安装平面能方便安装传感器电路板，并实现微型单轴加速度敏感元件/传感器的有机布置，使六维加速度传感器结构紧凑、体积小、集成度高。

2、利用微型单轴加速度敏感元件/传感器作为敏感单元，具有易于实现、体积小和集成度高的优点。

3.基座结构简单，对制造的工艺要求和生产成本低。

4.数据采集与处理电路利用数字信号处理芯片实现六维加速度的解算，快速、准确、实时性好。

5.测量结果通过USB/DA输出/蓝牙/RS232等方式输出至外部设备，易于使用、且方便接口。

附图说明

图1为本发明中涉及的基于微型单轴加速度敏感元件/传感器的六维加速度传感器的三维装配示意图。

图2(a)为本发明中涉及的基于微型单轴加速度敏感元件/传感器的六维加速度传感器的基座的三维结构示意图。

图2(b)为本发明中涉及的基于微型单轴加速度敏感元件/传感器的六维加速度传感器的基座的主视图。

图2(c)为本发明中涉及的基于微型单轴加速度敏感元件/传感器的六维加速度传感器的基座的A-A剖视图。

图3(a)为本发明中涉及的基于微型单轴加速度敏感元件/传感器的六维加速度传感器的传感器电路板装配图的主视图。

图3(b)为本发明中涉及的基于微型单轴加速度敏感元件/传感器的六维加速度传感器的传感器电路板装配图的侧视图。

图4为本发明中涉及的基于微型单轴加速度敏感元件/传感器的数据采集与处理电路板的电路原理框图。

图5为本发明中涉及的基于微型单轴加速度敏感元件/传感器的六维加速度传感器采用外置数据采集与处理电路板的实施例的三维装配示意图。

图6为本发明中涉及的基于微型单轴加速度敏感元件/传感器的六维加速度传感器采用外凸式基座的实施例的三维装配示意图。

图7(a)为本发明中涉及的基于微型单轴加速度敏感元件/传感器的六维加速度传感器采用外凸式基座的实施例中外凸式基座的三维结构示意图。

图7(b)为本发明中涉及的基于微型单轴加速度敏感元件/传感器的六维加速度传感器采用外凸式基座的实施例中外凸式基座的主视图。

图8为本发明中涉及的基于微型单轴加速度敏感元件/传感器的六维加速度传感器采用外凸式基座和外置数据采集与处理电路板的实施例的三维装配示意图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图具体说明本发明的结构：

如图1所示，基于微型单轴加速度敏感元件/传感器的六维加速度传感器由盖板1、数据采集与处理电路板2、三块特性相同的安装了两个微型单轴加速度敏感元件/传感器9的传感器电路板3和基座4组成，其中基座4同时作为传感器的壳体。安装了两个微型单轴加速度敏感元件/传感器9的传感器电路板3通过安装孔10或者胶水粘接固定在基座4的三个安装平面上，由传感器电路板上的定位孔或与安装平面垂直的面保证定位，使得传感器电路板3的下边缘与安装平面的下平面重合且在安装平面的水平方向居中。数据采集与处理电路板2由数据处理电路6和输出接口8组成，并通过螺钉、安装孔7和11固定在基座4上。传感器电路板3和数据采集与处理电路板2之间通过导线连接。

如图2(a)和2(b)所示，基座4为内陷式基座，通过在截面为正方形的长方体或截面为正方形的其他柱体上保留柱体侧面从顶面朝柱体内部切削出三个相互垂直且关于长方体中心轴线对称的安装平面12、13和14得到，三个安装平面12、13和14相对于柱体侧面内陷。如图2(c)所示，O为安装平面12、13和14所在平面的交点。安装平面14与长方体一侧面的夹角为125.3°，其下边缘到O点的距离为c。基座4的底部和两个正交的侧面中央均加工有用于与被测对象的连接的安装凸台15和安装孔16。

如图3(a)所示，两个微型单轴加速度敏感元件/传感器9关于传感器电路板3表面中线对称且敏感轴线相互垂直的固定在传感器电路板3的上表面，各自敏感质心到垂足和传感器电路板3下表面的距离分别为l和h(如图3(b)所示)，两微型单轴加速度敏感元件/传感器9的敏感轴线的垂足到传感器电路板3下边缘的距离为d，同时位于不同传感器电路板3上且相邻的两微型单轴加速度敏感单元传感器的敏感轴线相互垂直且共面，且各自敏感质心到垂足的距离均为l，满足

$d=2\sqrt{2}l+h-c$

如图4所示，数据采集与处理电路板2由数据采集模块、数据处理模块和输出接口模块三部分组成。其中数据采集模块通过六路的A/D转换将微型单轴加速度敏感元件/传感器9输出的模拟信号转换为数字信号读入到数据处理模块中，数据处理模块利用运行在DSP或单片机中的六维加速度求解程序解算得到六维加速度，通过输出接口模块的DA输出模块转换成模拟信号输出或者通过USB/蓝牙/RS232等接口输出给外部数字设备。

如图5所示，基于微型单轴加速度敏感元件/传感器的六维加速度传感器中数据采集与处理电路板可以采用外置式结构。接口板17通过螺钉、安装孔18和11固定在基座4上，并通过接口19将三块传感器电路板3的输出引出并通过线缆与外置的数据采集与处理板2相连。数据采集与处理板2读入三块传感器电路板3的输出并进行处理。

如图6所示为基于微型单轴加速度敏感元件/传感器的六维加速度传感器的另一种实施例，由盖板20、数据采集与处理电路板2、安装了两个微型单轴加速度敏感元件/传感器9的传感器电路板3和外凸式基座21组成。安装了两个微型单轴加速度敏感元件/传感器9的传感器电路板3通过安装孔或者胶水粘接固定在外凸式基座21的三个安装平面上。通过传感器电路板上的定位孔保证定位，使得传感器电路板3的下边缘与外凸式基座21的安装平面的上边缘重合且在安装平面水平方向居中。外凸式基座21和数据采集与处理电路板2均通过安装孔固定在由截面为正方形的长方体加工出的壳体上。传感器电路板3和数据采集与处理电路板2之间通过导线连接。

如图7(a)所示，外凸式基座21通过在一块截面为正方形的长方体柱体上从柱体侧面向中心削出与截面夹125.3°角且关于长方体轴对称的三个相互垂直的安装平面23、24和25得到，各安装平面上加工有用于传感器电路板3安装定位的定位孔22。传感器电路板3上微型单轴加速度敏感元件/传感器的安装和各传感器电路板3上相邻微型单轴加速度敏感元件/传感器的关系与前面实施例的要求相同。外凸式基座21底部加工有用于被测载体相连的定位孔和安装面26。

如图7(b)所示，P为安装平面23、24和25所在平面的交点。安装平面23、24和25上边缘到P点的距离为e，满足

$e=2\sqrt{2}l-\sqrt{2}h-d$

如图8所示，基于微型单轴加速度敏感元件/传感器的外凸式基座的六维加速度传感器中数据采集与处理电路板也可以采用外置式结构。接口板17通过螺钉、安装孔18固定在基座21上，并通过接口19将三块传感器电路板3的输出引出并通过线缆将与外置的数据采集与处理板2相连。数据采集与处理板2读入三块传感器电路板3的输出并进行处理。

Claims (10)

1.一种基于微型单轴加速度敏感元件/传感器的六维加速度传感器，包括基座(4)、特性一致的三块分别安装两个微型单轴加速度敏感元件/传感器(9)的传感器电路板(3)、数据采集与处理电路板(2)和盖板(1)，其特征在于：基座(4)上有三个相互垂直的表面作为三块传感器电路板(3)的安装平面；每块传感器电路板(3)上表面安装两个微型单轴加速度敏感元件/传感器(9)，并保证两个微型单轴加速度敏感元件/传感器(9)关于传感器电路板(3)表面中线对称且敏感轴线相互垂直，各自敏感质心到垂足的距离均为l，l为六维加速度传感器的尺度参数；各传感器电路板(3)固定在所述安装平面上并与所述安装平面定位，保证在不同传感器电路板上且相邻两微型单轴加速度敏感单元/传感器的敏感轴线相互垂直且共面，同时各自敏感质心到垂足的距离均为l。

2.根据权利要求1所述的基于微型单轴加速度敏感元件/传感器的六维加速度传感器，其特征在于：所述各传感器电路板(3)与所述安装平面的定位通过各传感器电路板(3)定位孔或与所述安装平面垂直的面保证。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于微型单轴加速度敏感元件/传感器的六维加速度传感器，其特征在于：所述相互垂直的安装平面通过在一块实体的基座(4)上切削出与基座水平底面夹角125.3°且关于实体中心轴对称的三个平面得到。

4.根据权利要求3所述的一种基于微型单轴加速度敏感元件/传感器的六维加速度传感器，其特征在于：所述切削为保留柱体侧面从顶面朝柱体内部切削，使形成的三个安装平面为相对于柱体侧面内陷的平面。

5.根据权利要求3所述的一种基于微型单轴加速度敏感元件/传感器的六维加速度传感器，其特征在于：所述切削为从柱体侧面向中心的切削，使形成的三个安装平面为相对于柱体底面外凸的平面。

6.根据权利要求1-3之一所述的一种基于微型单轴加速度敏感元件/传感器的六维加速度传感器，其特征在于：微型单轴加速度敏感元件/传感器(9)为基于MEMS技术的微型单轴加速度敏感元件或基于MEMS技术的微加速度传感器。

7.根据权利要求4所述的一种基于微型单轴加速度敏感元件/传感器的六维加速度传感器，其特征在于：微型单轴加速度敏感元件/传感器(9)为基于MEMS技术的微型单轴加速度敏感元件或基于MEMS技术的微加速度传感器。

8.根据权利要求5所述的一种基于微型单轴加速度敏感元件/传感器的六维加速度传感器，其特征在于：微型单轴加速度敏感元件/传感器(9)为基于MEMS技术的微型单轴加速度敏感元件或基于MEMS技术的微加速度传感器。

9.根据权利要求4或7所述的一种基于微型单轴加速度敏感元件/传感器的六维加速度传感器，其特征在于：所述微型单轴加速度敏感元件/传感器(9)的敏感质心到传感器电路板(3)下表面的距离为h，两微型单轴加速度敏感元件/传感器(9)的敏感轴线的垂足到传感器电路板(3)下边缘的距离为d，各安装平面下边缘到三个安装平面的交点O点的距离为c，满足： $d=2\sqrt{2}l+h-c.$

10.根据权利要求5或8所述的一种基于微型单轴加速度敏感元件/传感器的六维加速度传感器，其特征在于：所述微型单轴加速度敏感元件/传感器(9)的敏感质心到传感器电路板(3)下表面的距离为h，两微型单轴加速度敏感元件/传感器(9)的敏感轴线的垂足到传感器电路板(3)下边缘的距离为d，各安装平面上边缘到三个安装平面的交点P点的距离为e，满足 $e=2\sqrt{2}l-\sqrt{2}h-d.$

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