[发明专利]一种压电式六维加速度传感器

说明书

技术领域

本发明涉及加速度传感器，特别涉及六维加速度传感器。

背景技术

六维加速度传感器，也称为六轴加速度传感器，它用于测量空间的三维线加速度和三维角加速度，在机器人学、航空航天等多个领域都有广泛的应用。公告号为CN 1227535 C的《一种双E型圆膜片十字梁结构的六轴加速度传感器》和公告号为CN 1908674 A的《一种六轴加速度传感器的敏感元件的布局结构》就是两类六维加速度传感器的典型代表。前者属弹性体式，它主要由弹性体(双E型圆膜片十字梁结构)、测力计(厚膜力敏电阻)和转换电路构成。后者属组合式结构，它主要由六个特性相同的单轴加速度传感器和安装它们的有六条棱边的基座构成。在优越性方面，两者各有千秋。然而，前者的弹性体结构复杂，测力计的安装工艺要求高，各向耦合程度较高，在设计和使用中的计算量较大，无法精确定位测力计的安装位置。后者的体积较大、对各只单轴加速度传感器的一致性要求很高、它们的安装位置精度要求也较高，最后也还需要进行复杂的解耦运算。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种结构简单、易于小型化和微型化、制造成本低，无维间耦合、无需解耦运算、动态特性好的压电式六维加速度传感器。

解决所述技术问题的方案，是这样一种压电式六维加速度传感器。该传感器包括带安装盘的基座，罩装在该基座上的带插座的壳体，通过预紧螺栓固定地安装在该壳体内的基座安装盘之上的测力计、绝缘电极板和位于最上面的惯性质量块，以及连接绝缘电极板与插座的信号引线。本发明中的安装盘为圆盘，该安装盘与基座之间通过一段圆柱以三者同轴的状态联为一个整体，三者的公共轴线与预紧螺栓的轴线均与传感器的工作三维直角坐标系的Z轴共线。本发明的测力计由十六片石英晶片构成，这十六片石英晶片在所述传感器的工作三维直角坐标系的X、Y平面中，均匀布置于一个Z轴通过其圆心的参考圆的圆周上——其中，在该参考圆与X、Y轴所成夹角的角平分线交点处，安置的是四片X0°切型石英晶片，其余的十二片石英晶片为Y0°切型石英晶片。四片X0°切型石英晶片的敏感轴垂直于该参考圆、且其敏感轴的方向一致；每一X0°切型石英晶片两侧紧邻的Y0°切型石英晶片的敏感轴与该参考圆相切、且其敏感轴的方向均按顺时针或者均按逆时针排列；在该参考圆与X、Y轴交点处的四片Y0°切型石英晶片的敏感轴对应重叠在所在的X轴或Y轴上、且这四片Y0°切型石英晶片的敏感轴的方向均与所对应的X轴或Y轴同向或者反向。本发明的绝缘电极板上，有与这十六片石英晶片一一对应的十六个电极——其中，与在X轴上的两片Y0°切型石英晶片所对应的电极连通、构成X向线加速度值的信号输出端；与在Y轴上的两片Y0°切型石英晶片所对应的电极连通、构成Y向的线加速度值的信号输出端；与每一X0°切型石英晶片两侧紧邻的Y0°切型石英晶片所对应的电极，以靠近X轴负向一侧的两片电极为首尾、依次串联构成Z向的角加速度值的信号输出端。与四片X0°切型石英晶片所对应的四个电极各自为一个待算信号输出端，这四个待算信号输出端的输出值通过加法运算，为Z向的线加速度值；位于Y轴负向一侧两个待算信号输出端的输出值之和，减去另两个待算信号输出端的输出值，为X向的角加速度值；位于X轴正向一侧两个待算信号输出端的输出值之和，减去另两个待算信号输出端的输出值，为Y向的角加速度值。

从方案中可以看出，由于本发明没有现有技术中的那种弹性体、也并非组合式结构，所以，与现有技术相比较，本发明具有结构简单、易于小型化和微型化、制造成本低优点。由于各石英晶片均采用在同一平面上对称布置，所以，与现有技术相比较，本发明不存在维间耦合，也就无需解耦运算，是刚度高、动态特性好的直接输出型的六维加速度传感器。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1——本发明中测力计的石英晶片布局图

图2——本发明中的绝缘电极板及其信号输出端连接图

图3——本发明的结构示意图

图4——图3的俯视图

图5——本发明输出信号处理框图

具体实施方式