專利名稱：六維加速度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型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(lián)結(jié)構(gòu)，并 引入應力集中系數(shù)法的六維加速度傳感器，屬于測試技術(shù)與控制領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
六維加速度傳感器是傳感器研究領(lǐng)域的難點，國內(nèi)外文獻報導和專利申請的很少 是因為很難構(gòu)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(shù)成熟已經(jīng)產(chǎn)品化。六維加速度傳感器的研究國內(nèi)外還處于探索研究階段，典型的彈性元件結(jié)構(gòu) 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(shù)研究的雙質(zhì)量塊和四懸臂梁結(jié)構(gòu)，中科院合肥智能所研究 的雙膜片十字梁結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)參數(shù)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(lián)機構(gòu)作為彈性元件研制六維加速度傳感器(專 利申請?zhí)?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(lián)機構(gòu)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(jié)構(gòu)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(lián)機構(gòu)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(lián)機構(gòu)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(lián)機構(gòu)剛度大帶來的影響，或者在解 決第二個問題時使機構(gòu)結(jié)構(gòu)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。

實用新型內(nèi)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(tài)特性好，響 應快、精度高的六維加速度傳感器。其技術(shù)方案為包括慣性質(zhì)量球平臺、下平臺、貼片、連接于慣性質(zhì)量球平臺和下平臺的六根支 鏈，其中慣性質(zhì)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(zhì)量球平臺的連接點均位于慣性質(zhì)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(zhì)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(jīng)凸臺與慣性質(zhì)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(zhì)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(cè)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(nèi)壁上，且貼片的中心位于孔深的1/2處、兩 貼片關(guān)于慣性質(zhì)量球平臺中心、下平臺中心和孔軸線構(gòu)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(nèi)產(chǎn)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(zhì)量球平臺在質(zhì)心處產(chǎn)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(chǎn)生應變，并聯(lián)機構(gòu)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，所以本實用新型引入 應力集中系數(shù)能有效克服此缺陷。構(gòu)件上的應力分布不均，在部分區(qū)域會產(chǎn)生應力峰值的情況，稱為應力集中，用應 力集中系數(shù)表示，是防止構(gòu)件失效，計算應力集中處的最大應力而采用的。本實用新型通過 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(lián)機構(gòu)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(tǒng)提供可靠的信號源。本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點是1、本實用新型在重新設計柔性鉸鏈的基礎上，使彈性元件的實體模型和理論模型 更趨于一致，理論設計誤差小。2、本實用新型采用一體化加工，可以小型化甚至微型化，動態(tài)特性好，響應快。3、本實用新型將應力集中系數(shù)法引入到傳感器彈性元件的機構(gòu)設計上來，保證彈 性連接桿在線彈性的范圍內(nèi)，增大了連接桿上的應力應變值，克服了并聯(lián)機構(gòu)用作傳感器 彈性元件，其剛度大的特點導致連接桿上應變值小的弊端，增加了測量電路的信噪比，提高 了傳感器的測量精度。

圖1是本實用新型實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1所示實施例中A部分放大的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是圖1所示實施例中B部分放大的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本實用新型支鏈實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是圖4所示實施例中支鏈在位于孔軸心線處的橫截面示意圖；圖6是本實用新型設有孔的彈性連接桿實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7、圖8是本實用新型設有孔的彈性連接桿另外實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1慣性質(zhì)量球平臺 2、下平臺 3、貼片 4、彈性連接桿 5圓柱 型鉸鏈 6、凸臺 7、孔具體實施方式
在圖1 5所示的實施例中慣性質(zhì)量球平臺1的中心與下平臺2的中心的連線 垂直于下平臺2，六根支鏈等分成三組，三組支鏈與慣性質(zhì)量球平臺1的連接點均位于慣性 質(zhì)量球平臺1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(zhì)量球平臺1 的連接點之間夾角為30°，三組支鏈與下平臺2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2的連接點之間夾角為90°，每根支鏈均包括一彈性連接桿4和 位于彈性連接桿4兩端的圓柱型鉸鏈5，彈性連接桿4的橫截面呈矩形，圓柱型鉸鏈5與彈 性連接桿4共軸心線，圓柱型鉸鏈5對應經(jīng)凸臺6與慣性質(zhì)量球平臺1或下平臺2連接，凸 臺6與圓柱型鉸鏈5連接的端面與圓柱型鉸鏈5的軸心線垂直，慣性質(zhì)量球平臺1、下平臺 2、六根支鏈、凸臺6采用一體化加工，材質(zhì)選用銅，在每個彈性連接桿4上開設一貫穿的圓 柱形的孔7，孔7的軸心線位于彈性連接桿4軸心線的中心，且與六根彈性連接桿4的軸心 線所在的圓臺側(cè)面垂直，對應于每個孔7均設置兩個對稱的貼片3，每個貼片3均沿彈性連 接桿4的軸心線方向附著在孔7的內(nèi)壁上，且貼片3的中心位于孔7深的1/2處、兩貼片3 關(guān)于慣性質(zhì)量球平臺1中心、下平臺2中心和孔7軸線構(gòu)成的平面對稱。結(jié)合本實施例和圖6具體說明應力集中系數(shù)的選取方法，并給出引入應力集中系 數(shù)的效果。應力集中系數(shù)a= σω/σ。，其中σ m表示最大應力或者峰值應力，ο Q表示基準 應力其選取方法不同，應力集中系數(shù)的值不同，結(jié)合圖6說明本專利應力集中系數(shù)的選取 方法。圖6中彈性連接桿長1，寬度B，厚度t，圓柱孔的直徑d，且1 >> t。應力集中系數(shù)的選取方法有兩種1、取σ Q = P/Bt為基準應力，此時應力集中系 數(shù)a= omBt/P0 2、考慮應力集中因素引起的基體截面減小，選取在圓孔中心處截面去掉圓 孔部分之后的最小截面上拉應力(假設均勻分布)而得到的基準應力為ο' 0 = P/(B-d) t，此時的應力集中系數(shù)a' = om(B-d)t/P0根據(jù)日本西田正孝的研究，在d小于B的極限 情況下，兩者的應力集中系數(shù)相等，其值為3，隨著d相對于B增大則a增大，在d — B的極 限下，a成為無窮大，與此相反，a'隨d的增加反而減小，在d — B時下降到2，在考慮構(gòu)件 安全的情況下，有限值的a'更為合適，但是本專利在理論計算和有限元模擬時發(fā)現(xiàn)，各彈 性桿上所承受的最大應力在沒有應力集中時只有IMPa左右，對于銅來講變形一定是在彈 性范圍內(nèi)進行的，所以只考慮應力集中帶來的最大應力引起的應變增加情況，選取a對本 專利更合適。對于各向同性且質(zhì)量均勻的彈性體，二維應力分布僅決定于構(gòu)件形狀，與材料的 彈性常數(shù)無關(guān)，所以充分研究B、t、d對應力集中系數(shù)a的影響。d/B越大，a越大，彈性連 接桿的最大應力越大，產(chǎn)生的應變也越大，還要考慮彈性元件的結(jié)構(gòu)和加工工藝的可行性 等因素，保證材料在線彈性的范圍內(nèi)d的值越大越好。厚度t對應力集中系數(shù)的影響，可知 道最大應力發(fā)生的較具體的位置在內(nèi)圓柱面的A點沿圓柱軸向附近，根據(jù)厚度t的取值僅 在幾個毫米范圍內(nèi)且遠小于桿長，應變片的寬度完全可以覆蓋此區(qū)域。為了說明引入應力集中系數(shù)的效果，給出一種六維加速度傳感器彈性元件慣性質(zhì)量球平臺半徑0. 025m,彈性連接桿長0. 043m、橫截面為矩形，面 積1. 2E-5m2，安裝平臺半徑0. 052m,材料彈性模量1. 17EllPa,質(zhì)量密度8900kg/m3，泊松 比0. 31，加在慣性質(zhì)量球平臺的外界加速度[9. 800000](線加速度單位m/s2，角加速度單
5位rad/s2)，未引入應力集中系數(shù)各彈性連接桿上的應變ε和引入應力集中系數(shù)a(d/B =
7. 5，t/d = 1，a = 8. 5)后各連接桿上的應變ε a見下表 在圖7、圖8所示的實施例中彈性連接桿4的橫截面呈矩形，孔7的橫截面呈矩 形分別呈卵圓形和矩形。
權(quán)利要求一種六維加速度傳感器，包括慣性質(zhì)量球平臺(1)、下平臺(2)、貼片(3)、連接于慣性質(zhì)量球平臺(1)和下平臺(2)的六根支鏈，其中慣性質(zhì)量球平臺(1)的中心與下平臺(2)的中心的連線垂直于下平臺(2)，六根支鏈等分成三組，三組支鏈與慣性質(zhì)量球平臺(1)的連接點均位于慣性質(zhì)量球平臺(1)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(zhì)量球平臺(1)的連接點之間夾角為α，三組支鏈與下平臺(2)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(2)的連接點之間夾角為β，每根支鏈均包括一彈性連接桿(4)和位于彈性連接桿(4)兩端的圓柱型鉸鏈(5)，圓柱型鉸鏈(5)與彈性連接桿(4)共軸心線，圓柱型鉸鏈(5)對應經(jīng)凸臺(6)與慣性質(zhì)量球平臺(1)或下平臺(2)連接，凸臺(6)與圓柱型鉸鏈(5)連接的端面與圓柱型鉸鏈(5)的軸心線垂直，慣性質(zhì)量球平臺(1)、下平臺(2)、六根支鏈、凸臺(6)采用一體化加工，其特征在于在每個彈性連接桿(4)上開設一貫穿的孔(7)，孔(7)的軸心線與六根彈性連接桿(4)所在的圓臺側(cè)面垂直，對應于每個孔(7)均設置兩個對稱的貼片(3)，每個貼片(3)均沿彈性連接桿(4)的軸心線方向附著在孔(7)的內(nèi)壁上，且貼片(3)的中心位于孔(7)深的1/2處、兩貼片(3)關(guān)于慣性質(zhì)量球平臺(1)中心、下平臺(2)中心和孔(7)軸線構(gòu)成的平面對稱。
2.如權(quán)利要求1所述的六維加速度傳感器，其特征在于孔(7)橫截面形狀可為圓形、 正方形、長方形、橢圓形或者卵圓形孔。
3.如權(quán)利要求1所述的六維加速度傳感器，其特征在于孔(7)的軸心線過彈性連接 桿(4)軸心線的中點。
4.如權(quán)利要求1所述的六維加速度傳感器，其特征在于六維加速度傳感器選用的材 料包括鈹青銅、鈦合金、聚丙烯、鋁青銅、錫青銅、硅青銅、黃銅或鋁合金。
專利摘要本實用新型涉及一種六維加速度傳感器，包括慣性質(zhì)量球平臺、下平臺、貼片和六根支鏈，六根支鏈等分成三組，三組支鏈與慣性質(zhì)量球平臺的連接點均位于慣性質(zhì)量球平臺最大直徑的水平圓周上、且均勻分布，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，慣性質(zhì)量球平臺、下平臺、六根支鏈、凸臺采用一體化加工，特征是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所在的圓臺側(cè)面垂直，孔內(nèi)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(nèi)壁上。本傳感器設計誤差小、動態(tài)特性好，響應快、精度高。
文檔編號G01P15/18GK201673170SQ20102020704
公開日2010年12月15日 申請日期2010年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月17日
發(fā)明者于春戰(zhàn), 張新義 申請人:山東理工大學