[发明专利]高速自适应加速度及坡度测量传感器

说明书

本发明涉及一种根据平衡力学及惯性原理设汁的加速度及坡度测量的机械装置。

目前的现有技术中，加速度传感器一般只能测量基于载体某一方向上的变速信号，而且要保持一致的坡度稳定性，因此不宜用于空间坐标状态多变的场合，即使加上自修正装置也只能用于空间坐标状态变化平缓的场合，如飞机和火箭的自感传感器，根本不能用于诸如汽车及野外探测作业机器人等轻型陆地移动设备的智能自动控制器的精确加速度测试，这就是限制汽车自动控制系统中没有使用此类传感器，以及机器人的环境自适应能力得不到突破性进展的技术障碍之一，另一方面对汽车的动力系统控制而言，即刻了解车身的空间坐标状态，推算出所处路面坡度，对不同路面状况下发动机的动力特性调节有一定帮助，但目前的坡度量角器一般只能用与非变速领域，也不能适应汽车及机器人的工作环境条件；因此有环境自适应能力的加速度及坡度传感器，可靠精度和环境自适应能力的综合性能，对智能自动控制系统的发展前景有极其重要的联系。

本发明的目的就是设计一种有高速自修正能力，测量方向以水平面为基准的加速度传感器及能克服变速干扰的坡度量角器。

本发明采用的方案是根据平衡力学及惯性力学原理，以空间坐标三轴轴心为基准，以x轴和y轴为轴心作成对称的十字节状均匀的两条导轨，在两导轨上分别安装一组滑块，使其能沿着轴线滑动，但不能绕着转轴转动，滑块与导轨的两端用弹簧连接，三者结合组成的重心在两轴的轴心线上，并使之形成在十字节处于水平状态时，在没有外力作用的情况下弹簧的作用力使滑块位于导轨的中心，形成其组合重心在两轴心的交点上；在两轴心线交点的中垂线z轴的一侧有一根末稍带重平衡小球的固定轴；在y轴两端各有一个以轴心为圆心的小圆孔，与一个圆环上的一对固定孔通过转轴连接，圆环也是由质地均匀的型材做成，圆环上有两对柱心在圆环中心平面上相互垂直的小圆孔分别用于与十字节y轴的两端和基座的定位孔联接，使之形成一对相互垂直，可分别沿其轴线转动的转动机构；其工作原理的力学平衡公式为am₁＝P’L(1)；mgL＝am₂h(2)；公式中m₁为滑块的质量，m₂为重平衡块的质量；a为被测加速度；L为滑块和弹簧及导轨即刻组合重心与转轴轴心的距离，g为重力加速度；h为重平衡块重心与y轴轴心的中心距离；P’为弹簧的弹力系数；公式(1)为导轨上加速度测量的基本平衡公式，(2)为自适应的修正基本平衡公式。以上两公式成立的前提条件是加速度方向在水平线上，且在其导轨的轴向上，当其不在轴向上时运用合成力学公式将两轴上的信号强度进行运算后便能计算出其水平线上加速度的强度及方位角度，其自适应原理是当有加速度信号输入时，导轨上的滑块产生加速势能，克服弹簧的作用力产生位移，两者作用力平衡时滑块停止滑动，其平衡关系式为公式(1)；而滑块滑动促使整个导轨的重心偏离导轨中心，产生下垂趋势，与此同时因重平衡块的重心不在转动轴的轴心上，其产生的加速势能要产生一个趋向加速度方向的作用力，与导轨上滑块的位移方向相同，两者的关系满足公式(2)时其自适应能力与惯性结合便能将导轨始终维持在水平线上，两平衡公式中只有加速度和平衡块的位移为变量，其余均为常量，因此平衡块的位移量便是加速度的参数。自适应装置中两转轴的旋转角度便是载体基座与水平线的相对坡度参数，因此通过测量旋转角度便能得到较准确的坡度值，经过运算处理后可了解载体的具体空间坐标状态，有效利用该装置的功能，并能通过计算处理得出空间加速度的具体方位和强度，得到有自适应能力的加速度及坡度测量能力的复合传感器装置。

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

图1是本发明的一种实施方法的特征部分的立体视图，如图所示，本发明是由一个同心圆环的环条(2)的中心线确定的平面上钻两对相互垂直，交点在圆环圆心的小圆孔，其中一对通过固定圆销(4)与十字节状平衡导轨(1)的y轴上的定位孔套接，另一对通过固定圆销(5)与基座(3)上的定位孔套接；十字节状平衡是以共交点的立体坐标三轴的轴心线为中心，在x轴和y轴为轴心的均匀对称形十字节的四端分别安置一个可沿轴滑动但不能转动的滑块(6)，并通过两小条(7)分别把同轴向的两滑块固定连接。通过往复弹簧将滑块与导轨两端相连，将光电编码条(盘)或滑动阻容器件安装在适当位置，最后两点图中未示出。

图2是图1所示中十字节状平衡导轨的立体视图，图中所示(1)为x轴、是平衡导轨，(2)为y轴、是平衡导轨，(3)为z轴、是重平衡块，三者的中心线共交点，且两两相互垂直。