專利名稱：準(zhǔn)二維磁性流體加速度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及加速度傳感器的生產(chǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域，尤其涉及一種基于磁性流體的準(zhǔn)二維加 速度傳感器。
背景技術(shù)：
目前，在諸多的技術(shù)領(lǐng)域均常用到加速度傳感器，如汽車運動控制、建筑機(jī)械運動控 制、機(jī)械振動檢測、航天航空、家電產(chǎn)品性能檢測等等。 現(xiàn)有的加速度傳感器通常有以下幾種結(jié)構(gòu)。一種加速度傳感器是采用懸臂梁結(jié)構(gòu)，包含固定端設(shè)置在基板上作往復(fù)彈性變形運動 的懸臂梁，通過檢測懸臂梁位置的方式確定外界加速度大小。常用的檢測方式有設(shè)置一端 固定、另一端自由運動的懸臂梁，在懸臂梁的根部粘貼應(yīng)變片，通過應(yīng)變片檢測懸臂梁根 部的位移值，從而確定外界輸入加速度。另一種加速度傳感器是將壓電元件設(shè)置于傳感器底部，在壓電元件上方設(shè)置質(zhì)量塊， 質(zhì)量塊與壓電元件在法向上緊密接觸，接觸面法線平行于所測加速度的方向，工作時質(zhì)量 塊產(chǎn)生一定的位移量，使得與之相接觸的壓電元件產(chǎn)生輸出信號，通過檢測輸出信號，即 可檢測相應(yīng)的輸入加速度。上述的加速度傳感器一旦安裝之后，只能檢測同一個方向的輸入加速度，而對于其他 方向的加速度則無法檢測，即其檢測方向具有一維性，同時， 一經(jīng)制造后就不能改變加速 度傳感器內(nèi)部的材料，這些都是它們的缺點。發(fā)明內(nèi)容鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的問題，本發(fā)明的目的是提供準(zhǔn)二維磁性流體加速度傳感 器，核心是基于磁性流體的斜接觸壓電式加速度傳感器，具有檢測方向二維性、大量程、 量程可控性、高靈敏度、高可靠性、智能性、工作壽命長等特點。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種準(zhǔn)二維磁性流體加速度傳感器，包括非磁性腔體、質(zhì)量塊、檢測裝置與磁性流 體，其中-非磁性腔體由非磁性材料構(gòu)成的密閉容器；質(zhì)量塊設(shè)于非磁性腔體中部，質(zhì)量塊的兩端面與非磁性腔體的接觸面的法向與質(zhì)量 塊的軸線成一定傾斜角度；且在接觸面間設(shè)有檢測裝置，并在質(zhì)量塊、檢測裝置與非磁性 腔體之間保持設(shè)定的預(yù)緊壓力；且非磁性腔體與質(zhì)量塊形成的空腔中充滿磁性流體；檢測裝置用于檢測質(zhì)量塊與非磁性腔體之間壓力的變化，輸出加速度檢測結(jié)果信號。所述的準(zhǔn)二維磁性流體加速度傳感器，還包括磁場控制裝置，用于改變磁性流體的粘 度，控制質(zhì)量塊軸向的位移量，具體包括勵磁線圈纏繞于非磁性腔體的外部，通過輸入電流產(chǎn)生均勻磁場，改變磁性流體的 粘度，控制質(zhì)量塊軸向的位移量。所述的準(zhǔn)二維磁性流體加速度傳感器，還包括檢測控制裝置，用于根據(jù)檢測裝置輸出 的加速度檢測結(jié)果信號，控制勵磁線圈的輸入電流，從而控制勵磁線圈的內(nèi)部磁場。所述的檢測裝置包括一塊或者多塊壓電片通過串連方式或者并聯(lián)方式組成的壓電元 件，壓電元件設(shè)于質(zhì)量塊與非磁性腔體之間，用于檢測質(zhì)量塊的位移量變化，輸出可供后 續(xù)檢測電路檢測的信號。所述的質(zhì)量塊的一端與非磁性腔體的接觸面包括成一定角度的兩個接觸面，且每個接 觸面間均設(shè)有壓電元件。所述的質(zhì)量塊端面為外定位棱錐面，非磁性腔體設(shè)有內(nèi)棱錐凹槽，質(zhì)量塊的外定位棱 錐面設(shè)于非磁性腔體的內(nèi)棱錐凹槽中實現(xiàn)周向定位。所述的質(zhì)量塊以高比重材料制成，且所述的質(zhì)量塊是圓柱體或棱柱體，且在質(zhì)量塊周 向設(shè)置有多道凹槽或葉片，用于增加與磁性流體的有效接觸面積。所述的非磁性腔體包括非磁性內(nèi)筒與非磁性壓蓋，其中-所述的非磁性內(nèi)筒兩端開口，兩端分別通過螺釘固定安裝一個非磁性壓蓋壓緊質(zhì)量 塊，組成非磁性腔體，并在質(zhì)量塊、檢測裝置與非磁性腔體之間產(chǎn)生保持設(shè)定的預(yù)緊壓 力；或者，所述的非磁性內(nèi)筒一端開口，開口處安裝一個非磁性壓蓋壓緊質(zhì)量塊，組成非磁性腔 體，并在質(zhì)量塊、檢測裝置與非磁性腔體之間產(chǎn)生保持設(shè)定的預(yù)緊壓力；或者， 所述的非磁性內(nèi)筒與非磁性壓蓋之間還設(shè)置有非磁性密封圈。所述的非磁性腔體為圓柱體或棱柱體，外壁沿軸向方向設(shè)置有周向凹槽，用于安裝勵 磁線圈。所述的磁性流體加速度傳感器，還包括外殼體，所述的非磁性腔體、磁性流體、質(zhì)量 塊、檢測裝置或磁場控制裝置設(shè)置于外殼體內(nèi)腔中，外殼體具體包括外套筒、上端蓋與下 端蓋，外套筒與上端蓋與下端蓋通過螺栓固定，所述的下端蓋上設(shè)有安裝支腳和/或安裝 孔，或者；所述的外殼體與非磁性腔體間設(shè)有隔離套，用于隔離磁場控制裝置與外部磁場的聯(lián) 系，抑制外界磁場干擾。由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明所述的一種準(zhǔn)二維磁性流體加速度傳 感器包括非磁性腔體、質(zhì)量塊、檢測裝置與磁性流體，非磁性腔體是由非磁性材料構(gòu)成的 密閉容器；質(zhì)量塊設(shè)于非磁性腔體中部，質(zhì)量塊的兩端面與非磁性腔體的接觸面的法向與 質(zhì)量塊的軸線成一定傾斜角度；且在接觸面間設(shè)有檢測裝置，并在質(zhì)量塊、檢測裝置與非 磁性腔體之間保持設(shè)定的預(yù)緊壓力；且非磁性腔體與質(zhì)量塊形成的空腔中充滿磁性流體； 檢測裝置用于檢測質(zhì)量塊與非磁性腔體之間壓力的變化，輸出加速度檢測結(jié)果信號。具體可將一質(zhì)量塊和多塊壓電元件放置于一非磁性材料組成的滿磁性流體的非磁性腔 體的內(nèi)部，通過非磁性壓蓋的周向定位作用，使質(zhì)量塊與非磁性腔體保持同軸，在非磁性 壓蓋的內(nèi)棱錐凹槽的兩傾斜相對平面上粘貼壓電元件，兩片壓電元件的接觸面法線以一傾 斜角度相交，每個壓電元件的接觸面法線與質(zhì)量塊的軸線成一傾斜角度，非磁性壓蓋除了 起到定位的作用，還提供了預(yù)緊力，當(dāng)非磁性壓蓋鎖緊的時候，產(chǎn)生的預(yù)緊力將壓電元件 和質(zhì)量塊壓緊，使壓電元件和質(zhì)量塊在壓電元件的接觸面緊密接觸；當(dāng)存在外界加速度 時，質(zhì)量塊由于慣性作用，將對壓電元件產(chǎn)生拉伸或者壓縮的效果，通過檢測壓電元件的 輸出信號，即可確定質(zhì)量塊的位移量，進(jìn)而確定外界加速度的值，同時，質(zhì)量塊還將受到 磁性流體的阻尼力作用，通過控制磁性流體的阻尼力，可以控制質(zhì)量塊的位移量，從而實 現(xiàn)檢測量程范圍的改變。本發(fā)明結(jié)構(gòu)上新穎，避免了傳統(tǒng)的懸臂梁結(jié)構(gòu)，引入了壓電元件，通過非磁性壓蓋提 供的預(yù)緊力，使質(zhì)量塊和壓電元件緊密接觸， 一方面增強(qiáng)了所述加速度傳感器的靈敏度， 另一方面有效增加了加速度傳感器的剛度，能夠提高加速度傳感器的量程，實現(xiàn)加速度傳 感器大量程檢測；在每個非磁性壓蓋的內(nèi)棱錐凹槽的傾斜相對平面上設(shè)置兩塊壓電元件， 質(zhì)量塊兩端設(shè)置了相應(yīng)的棱錐面，用于實現(xiàn)質(zhì)量塊與壓電元件的面接觸；兩塊壓電元件的接觸面法線以一傾斜角度相交，同時，每個壓電元件的接觸面法線與質(zhì)量塊的軸線成一傾 斜角度，當(dāng)所述的加速度傳感器承受水平加速度或豎直加速度時，質(zhì)量塊由于慣性而產(chǎn)生 水平位移量或者豎直位移量，這兩種位移量都可以被分解成平行于壓電元件接觸面的位移 量和垂直于壓電元件接觸面的位移量，從而使得輸入的水平加速度或者豎直加速度都在壓 電元件上有了相應(yīng)的輸出量，因此所述的加速度傳感器可以檢測二維方向的輸入加速度 質(zhì)量塊上設(shè)置斜凹槽，增大了質(zhì)量塊與磁性流體的有效接觸面積，可以同時在水平方向或 豎直方向感受磁性流體的阻尼力，控制質(zhì)量塊在水平方向或豎直方向的位移量；在質(zhì)量塊 的每個端面設(shè)置兩塊壓電元件，當(dāng)輸入水平加速度時，同一軸側(cè)的兩塊壓電元件受壓，另 外一側(cè)的兩塊壓電元件則被放松，當(dāng)輸入豎直加速度時，位于同一端面的兩塊壓電元件將 受壓、另一端面的兩塊壓電元件被放松，這種差動檢測方式可有效消除各種干擾，提高了 質(zhì)量塊位移量檢測的準(zhǔn)確度；另外本發(fā)明中利用磁性流體粘度可控性特點，通過對勵磁線 圈電流進(jìn)行改變，改變施加在磁性流體上的磁場強(qiáng)度，達(dá)到控制磁性流體粘度的目的，從 而可以達(dá)到對加速度傳感器量程的控制，實現(xiàn)大量程的特點。具有檢測方向二維性、大量 程、量程可控性、高靈敏度、高可靠性、智能性、工作壽命長等特點。


圖1為本發(fā)明所述的準(zhǔn)二維磁性流體加速度傳感器的立體爆炸示意圖；圖2為本發(fā)明所述的準(zhǔn)二維磁性流體加速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明所述的準(zhǔn)二維磁性流體加速度傳感器的局部放大結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
本發(fā)明所述的準(zhǔn)二維磁性流體加速度傳感器包括非磁性腔體、質(zhì)量塊、檢測裝置與磁 性流體，非磁性腔體是由非磁性材料構(gòu)成的密閉容器；質(zhì)量塊設(shè)于非磁性腔體中部，質(zhì)量 塊的兩端面與非磁性腔體的接觸面的法向與質(zhì)量塊的軸線成一定傾斜角度；且在接觸面間 設(shè)有檢測裝置，并在質(zhì)量塊、檢測裝置與非磁性腔體之間保持設(shè)定的預(yù)緊壓力；且非磁性 腔體與質(zhì)量塊形成的空腔中充滿磁性流體；檢測裝置用于檢測質(zhì)量塊與非磁性腔體之間壓 力的變化，輸出加速度檢測結(jié)果信號。具體是將一質(zhì)量塊和多塊壓電元件放置于一非磁性材料組成的滿磁性流體的非磁性腔 體的內(nèi)部，通過非磁性壓蓋的內(nèi)棱錐凹槽的周向定位作用，使質(zhì)量塊與非磁性腔體保持同軸，在非磁性壓蓋的內(nèi)棱錐凹槽的兩傾斜相對平面上粘貼壓電元件，兩片壓電元件的接觸面法線以一傾斜角度相交，每個壓電元件的接觸面法線與質(zhì)量塊的軸線成一傾斜角度，非 磁性壓蓋除了對質(zhì)量塊和壓電元件起到周向定位的作用，還提供了必要的預(yù)緊力，當(dāng)非磁 性壓蓋鎖緊的時候，產(chǎn)生的預(yù)緊力將壓電元件和質(zhì)量塊壓緊，使壓電元件和質(zhì)量塊緊密接 觸，用于增大所述加速度傳感器的剛度，還能增大加速度的測量靈敏度；當(dāng)存在外界加速 度時，質(zhì)量塊由于慣性作用，對與之緊密接觸的壓電元件產(chǎn)生拉伸或者壓縮的效果當(dāng)輸 入水平加速度時，同一軸側(cè)的兩塊壓電元件受壓，另外一側(cè)的兩塊壓電元件則被放松，當(dāng) 輸入豎直加速度時，位于同一端面的兩塊壓電元件將受壓、另一端面的兩塊壓電元件被放 松，這種差動檢測方式可有效消除各種干擾，提高了質(zhì)量塊位移量檢測的準(zhǔn)確度，通過檢 測壓電元件的輸出信號，可確定質(zhì)量塊的位移量，從而確定外界的二維加速度的值，同 時，質(zhì)量塊外壁設(shè)置了多道斜凹槽，可有效增質(zhì)量塊與磁性流體的有效接觸面積，可以同 時在水平方向或豎直方向感受磁性流體的阻尼力，控制質(zhì)量塊在水平方向或豎直方向的位 移量；通過控制勵磁線圈的輸入電流，可控制勵磁線圈的磁場，勵磁線圈的磁場可改變磁 性流體的粘度，磁性流體粘度的改變將改變磁性流體對質(zhì)量塊的阻尼力，從而可控制質(zhì)量 塊的位移量，實現(xiàn)加速度傳感器大量程檢測，還可動態(tài)控制量程范圍大小。本發(fā)明的具體實施方式
的結(jié)構(gòu)如圖1與圖2所示，所述的準(zhǔn)二維加速度傳感器最基本的 結(jié)構(gòu)包括非磁性腔體、磁性流體10、質(zhì)量塊12與檢測裝置，其中非磁性腔體為非磁性材料構(gòu)成的密閉容器，內(nèi)部充滿磁性流體10，非磁性腔體包括非磁性內(nèi)筒9與非磁性壓蓋3，本例中的非磁性內(nèi)筒9兩端開口，兩端通過第一螺釘13安裝非磁性壓蓋3，鎖緊后組成密閉的非磁性腔體，內(nèi)部充滿磁性流體10;有時在加工工藝允許的情況下，非磁性內(nèi)筒9可以是一端開口，開口處通過第一螺釘13安裝一個非磁性壓蓋壓 緊質(zhì)量塊3組成非磁性腔體，內(nèi)部充滿磁性流體10。同時，為了更好地實現(xiàn)非磁性腔體的 密閉(主要是磁性流體的密封)，所述的非磁性內(nèi)筒9與非磁性壓蓋3之間可設(shè)置非磁性密 封圈5,防止磁性流體10發(fā)生泄漏。本例中的非磁性腔體外壁沿軸向方向設(shè)置有周向凹槽，也就是非磁性內(nèi)筒9的外壁沿 軸向方向設(shè)置有周向凹槽，用于安裝勵磁線圈8，在非磁性內(nèi)筒9的兩個端面沿軸向方向預(yù) 留壁厚，用于固定非磁性壓蓋3。本例中的非磁性腔體為圓柱形，也就是非磁性內(nèi)筒9的形狀為圓柱形，內(nèi)部幵通孔， 兩端面預(yù)留安裝壁厚，且在非磁性內(nèi)筒9的外壁沿軸向方向設(shè)有周向凹槽，用于安裝勵磁線 圈8;當(dāng)然，非磁性腔體也可以是棱柱體，也就是非磁性內(nèi)筒9的形狀為棱柱體，內(nèi)部開通孔，兩端面處預(yù)留壁厚，在非磁性內(nèi)筒9的外壁沿軸向方向設(shè)有周向凹槽，凹槽處用于設(shè)置線圈固定套，勵磁線圏8可纏繞在線圈固定套上。磁性流體10為磁流體、磁性復(fù)合流體或磁流變體等具備磁性的流體中的任何一種或是 其中任何幾種的組合。所述加速度傳感器的非磁性內(nèi)筒9中充滿磁性流體10，質(zhì)量塊12設(shè) 置于磁性流體10中，受到磁性流體10的阻尼力作用。改變磁性流體10的粘度，可以改變磁 性流體10對質(zhì)量塊12的阻尼力大小，從而改變質(zhì)量塊12在豎直方向或水平方向的位移量。所述的檢測裝置包括一塊或者多塊壓電片通過串連方式或者并聯(lián)方式組成的壓電元件 4,壓電元件4設(shè)于質(zhì)量塊12與非磁性腔體之間，用于檢測質(zhì)量塊12的位移量變化，輸出可 供后續(xù)檢測電路檢測的信號。所述的質(zhì)量塊12的一端與非磁性腔體的接觸面包括成一定角度的兩個接觸面，且每個 接觸面間均設(shè)有壓電元件4。實際中質(zhì)量塊12端面為外定位棱錐面，非磁性腔體設(shè)有內(nèi)棱 錐凹槽，質(zhì)量塊12的外定位棱錐面設(shè)于非磁性腔體的內(nèi)棱錐凹槽中實現(xiàn)周向定位。具體 為壓電元件4由石英晶體、壓電陶瓷、壓電薄膜或其他新型壓電材料等具備壓電效應(yīng)的 材料構(gòu)成。本例中的壓電元件4為長方體薄片形，粘貼于非磁性壓蓋3的內(nèi)棱錐凹槽的傾斜 相對的兩個表面；當(dāng)然，不排除壓電元件4為棱形、柱形等其他可替換的形狀。當(dāng)鎖緊非磁 性壓蓋3時，壓電元件4受到預(yù)緊力的作用而與質(zhì)量塊12在接觸面上緊密接觸，確保壓電元 件4能夠正常感應(yīng)質(zhì)量塊12的位移量。質(zhì)量塊12為高比重材料制成， 一般要求比重為14-19克/立方厘米，質(zhì)量塊可以為金屬 如由鎢合金、銅鎢合金等高比重合金構(gòu)成。質(zhì)量塊也可以為非金屬，只要滿足上述比重范 圍即可。質(zhì)量塊12的兩個端面處設(shè)置有定位錐面，通過非磁性壓蓋3的內(nèi)棱錐凹槽的表面 進(jìn)行定位，本例中的質(zhì)量塊12為長方體，在長方體周向設(shè)置有斜凹槽，這里的斜凹槽可以 是螺旋狀的，用于增質(zhì)量塊12與磁性流體10的有效接觸面積，可以同時在水平方向或豎直 方向感受磁性流體的阻尼力；當(dāng)然，質(zhì)量塊12也可以是圓柱體，在兩個端面處設(shè)置圓錐 面，在圓柱體周向設(shè)置斜凹槽，可以實現(xiàn)同樣的功能。當(dāng)鎖緊非磁性壓蓋3時，產(chǎn)生的預(yù)緊 力使得質(zhì)量塊12和壓電元件4緊密接觸，可以增大所述加速度傳感器的靈敏度，同時由于 壓電元件4的材料特性，能夠增大加速度傳感器的剛度；當(dāng)存在外界加速度時，質(zhì)量塊12 由于自身慣性的作用，輸出相應(yīng)的位移量，由于壓電元件4與質(zhì)量塊12緊密接觸，質(zhì)量塊 12的位移量便成為壓電元件4的輸入量；由于質(zhì)量塊12周向設(shè)置了斜凹槽，可以同時在水平方向或豎直方向感受磁性流體的阻尼力，當(dāng)改變磁性流體10的粘度時，質(zhì)量塊12受到磁 性流體10的阻尼力將發(fā)生變化，從而其輸出位移量也發(fā)生變化相同的加速度輸入時，若 增大磁性流體10的粘度，質(zhì)量塊12受到磁性流體10的阻尼力將相對增大，質(zhì)量塊12的輸出位移量相對減小，此時所述的加速度傳感器適合測量數(shù)值比較大的輸入加速度；若減小磁 性流體10的粘度，質(zhì)量塊12受到磁性流體10的阻尼力將相對減小，質(zhì)量塊12的輸出位移量相對增大，此時所述的加速度傳感器適合測量數(shù)值比較小的輸入加速度。因此，通過控制磁性流體10的粘度，可以控制所述加速度傳感器的量程范圍，同時，通過大幅度增大磁性 流體10的粘度，所述加速度傳感器可實現(xiàn)大量程測量。本例中的質(zhì)量塊12周向設(shè)置有斜凹槽也可以用環(huán)狀的葉片來代替，同樣滿足上述要求。為了更好地完成測量工作，在本例的基礎(chǔ)上所述的加速度傳感器還包括磁場控制裝 置，用于改變磁性流體的粘度，控制質(zhì)量塊軸向的位移量。勵磁線圈8設(shè)置于非磁性內(nèi)筒9 和非磁性套筒7之間，線圈纏繞在非磁性內(nèi)筒9的凹槽之上，保持與非磁性內(nèi)筒9同軸；也 可以設(shè)置同軸線圈固定套于非磁性內(nèi)筒9上，勵磁線圈8纏繞在線圈固定套中。勵磁線圈8 用于在非磁性內(nèi)筒9的內(nèi)部產(chǎn)生均勻磁場，改變勵磁線圈8的通電電流，可以改變非磁性內(nèi) 筒9內(nèi)部的磁場增大勵磁線圈8的通電電流，將增大非磁性內(nèi)筒9內(nèi)部的磁場；減小勵磁 線圈8的通電電流，將減小非磁性內(nèi)筒9內(nèi)部的磁場。非磁性套筒7、非磁性墊圈2和非磁性 壓蓋3用于隔絕勵磁線圈8產(chǎn)生的磁場和外界磁場之間的聯(lián)系，防止外磁場干擾。所述的加速度傳感器還包括外殼體，所述的非磁性腔體、磁性流體10、質(zhì)量塊12、檢 測裝置或磁場控制裝置設(shè)置于外殼體內(nèi)腔中，外殼體具體包括外套筒6、上端蓋11與下端 蓋1，外套筒6與上端蓋11與下端蓋1通過第二螺釘14固定，所述的下端蓋1上設(shè)有安裝支腳 15和/或安裝孔16。所述的外殼體與非磁性腔體間設(shè)有隔離套，用于隔離磁場控制裝置與外部磁場的聯(lián) 系，抑制外界磁場干擾。隔離套包括非磁性套筒7與非磁性墊圈2。所述的加速度傳感器還包括檢測控制裝置，用于根據(jù)檢測裝置輸出的加速度檢測結(jié)果 信號，控制勵磁線圈的輸入電流，從而控制勵磁線圈的內(nèi)部磁場。本發(fā)明所述的加速度傳感器的工作原理如下-如圖1、圖2與圖3所示，在非磁性內(nèi)筒9中充滿了磁性流體10,在磁性流體10里，質(zhì) 量塊12和壓電元件4通過非磁性壓蓋3的內(nèi)棱錐凹槽定位，當(dāng)鎖緊非磁性壓蓋3時，產(chǎn)生的預(yù)緊力使得質(zhì)量塊12和壓電元件4緊密接觸，質(zhì)量塊12還受到磁性流體10的阻尼力作用， 質(zhì)量塊12設(shè)置有斜凹槽，增加與磁性流體10的有效接觸面積，可以同時在水平方向或豎直 方向感受磁性流體的阻尼力，由于非磁性壓蓋3設(shè)置了密封圈5，使得磁性流體10不會溢 出；在非磁性內(nèi)筒9的外壁沿軸向方向設(shè)有周向凹槽，勵磁線圈8設(shè)置于周向凹槽內(nèi)，用于 提供均勻的磁場，勵磁線圈8外部設(shè)置了非磁性套筒9、非磁性壓蓋3設(shè)置了非磁性墊圈， 用于隔絕勵磁線圈8的磁場和外界磁場的聯(lián)系，防止外磁場干擾。當(dāng)存在外界加速度時，質(zhì)量塊12由于自身慣性的作用，輸出相應(yīng)的位移量，由于壓電 元件4與質(zhì)量塊12緊密接觸，質(zhì)量塊12的位移量便成為壓電元件4的輸入量當(dāng)豎直加速度 輸入時，質(zhì)量塊12由于慣性作用在豎直方向產(chǎn)生位移量，此時位于同一端面的兩塊壓電元 件4被壓縮，位于另外一個端面的壓電元件4被放松，質(zhì)量塊12在豎直方向產(chǎn)生的位移量將 被分解為垂直于壓電元件4接觸面的分量和平行于壓電元件4接觸面的分量，此時位于同一 端面的兩塊壓電元件4的輸出信號的符號相同，位于不同端面的壓電元件的輸出信號符號相 反，因此，通過檢測壓電元件4的輸出量，即可確定豎直加速度的值；當(dāng)水平加速度輸入 時，質(zhì)量塊12由于慣性作用在水平方向產(chǎn)生位移量，此時位于同一軸側(cè)的兩塊壓電元件4 被壓縮，位于另一軸側(cè)的兩塊壓電元件4被放松，質(zhì)量塊12的水平方向產(chǎn)生的位移量將被 分解為垂直于壓電元件4接觸面的分量和平行于壓電元件4接觸面的分量，此時位于同一軸 側(cè)的兩塊壓電元件4的輸出信號的符號相同，位于不同軸側(cè)的壓電元件的輸出信號符號相 反。壓電元件4的輸出信號大小可確定輸入加速度的值，而對比不同壓電元件輸出信號的符 號，可確定輸入加速度是豎直加速度或是水平加速度，從而實現(xiàn)檢測方向的二維性。通過控制勵磁線圈8的通電電流，改變產(chǎn)生的磁場大小，能改變磁性流體10的粘度， 由于質(zhì)量塊12受到磁性流體10的阻尼力作用，因此可改變質(zhì)量塊12受到的阻尼力作用，進(jìn) 而改變質(zhì)量塊12的輸出位移量。在相同的外界加速度輸入時，改變勵磁線圈8的通電電 流，改變磁性流體10的粘度，即可改變質(zhì)量塊12的位移量，從而可實現(xiàn)所述加速度傳感器 的量程可控性，同時，由于質(zhì)量塊12周向設(shè)置斜凹槽，可以同時在水平方向或豎直方向感 受磁性流體的阻尼力，因此可實現(xiàn)所述加速度傳感器在二維方向的量程可控性；若大幅度 提高磁性流體10的粘度，在相同的外界加速度輸入時，質(zhì)量塊12的位移量將會降低。因 此，可以實現(xiàn)大量程加速度的測量。若進(jìn)一步將壓電元件4的輸出量以反饋的形式輸入到勵磁線圈8的控制電路，控制電路 可以自動根據(jù)壓電元#4的輸出量來調(diào)整勵磁線圈8的通電電流，則可實現(xiàn)所述加速度傳感器的智能性。本例所述加速度傳感器結(jié)構(gòu)中不再采用傳統(tǒng)的懸臂梁工作方式，轉(zhuǎn)而引入了壓電元件 作為彈性元件，提高了所述加速度傳感器的測量靈敏度，在工作過程中彈性元件不再出現(xiàn) 彎曲、扭轉(zhuǎn)等物理變形，也提高了加速度傳感器的工作壽命和可靠性。因此本發(fā)明具有如下優(yōu)點和有益效果1、 本發(fā)明結(jié)構(gòu)上新穎，避免了傳統(tǒng)的懸臂梁結(jié)構(gòu)，改變了質(zhì)量塊的工作原理，是對 現(xiàn)有加速度傳感器原理上的創(chuàng)新；2、 本發(fā)明中采用了質(zhì)量塊與壓電元件斜接觸式結(jié)構(gòu)，改變了傳統(tǒng)一維壓電式加速度 傳感器中采取的質(zhì)量塊軸線與壓電元件接觸面法線平行的工作原理，達(dá)到檢測二維方向輸 入加速度的目的，從而實現(xiàn)了檢測方向的二維性；3、 本發(fā)明中采用磁性流體粘度可控性特點，通過控制勵磁線圈的通電電流，改變施 加在磁性流體上的磁場強(qiáng)度，達(dá)到控制磁性流體粘度的目的，從而實現(xiàn)了加速度傳感器量 程可控性；4、 本發(fā)明引入多凹槽質(zhì)量塊和壓電元件，通過提高磁性流體的粘度，可以實現(xiàn)大量 程輸入加速度的檢測5、 本發(fā)明中采取了壓電元件輸出信號的差動連接，能夠有效消除各種干擾，提高了 檢測準(zhǔn)確度；6、 本發(fā)明消除了彈性元件在運動過程中產(chǎn)生彎曲、扭轉(zhuǎn)的彈性形變，提高了所述加 速度傳感器的工作可靠性；以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任 何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都 應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為 準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1. 一種準(zhǔn)二維磁性流體加速度傳感器，其特征在于，包括非磁性腔體、質(zhì)量塊、檢測裝置與磁性流體，其中非磁性腔體由非磁性材料構(gòu)成的密閉容器；質(zhì)量塊設(shè)于非磁性腔體中部，質(zhì)量塊的兩端面與非磁性腔體的接觸面的法向與質(zhì)量塊的軸線成一定傾斜角度；且在接觸面間設(shè)有檢測裝置，并在質(zhì)量塊、檢測裝置與非磁性腔體之間保持設(shè)定的預(yù)緊壓力；且非磁性腔體與質(zhì)量塊形成的空腔中充滿磁性流體；檢測裝置用于檢測質(zhì)量塊與非磁性腔體之間壓力的變化，輸出加速度檢測結(jié)果信號。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的準(zhǔn)二維磁性流體加速度傳感器，其特征在于，還包括磁場控 制裝置，用于改變磁性流體的粘度，控制質(zhì)量塊軸向的位移量，具體包括-勵磁線圈纏繞于非磁性腔體的外部，通過輸入電流產(chǎn)生均勻磁場，改變磁性流體的 粘度，控制質(zhì)量塊軸向的位移量。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的準(zhǔn)二維磁性流體加速度傳感器，其特征在于，還包括檢測控 制裝置，用于根據(jù)檢測裝置輸出的加速度檢測結(jié)果信號，控制勵磁線圈的輸入電流，從而 控制勵磁線圈的內(nèi)部磁場。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的準(zhǔn)二維磁性流體加速度傳感器，其特征在于，所述的檢 測裝置包括一塊或者多塊壓電片通過串連方式或者并聯(lián)方式組成的壓電元件，壓電元件設(shè) 于質(zhì)量塊與非磁性腔體之間，用于檢測質(zhì)量塊的位移量變化，輸出可供后續(xù)檢測電路檢測 的信號。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的準(zhǔn)二維磁性流體加速度傳感器，其特征在于，所述的質(zhì)量塊的一端與非磁性腔體的接觸面包括成一定角度的兩個接觸面，且每個接觸面間均設(shè)有壓電 元件。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的準(zhǔn)二維磁性流體加速度傳感器，其特征在于，所述的質(zhì)量塊端面為外定位棱錐面，非磁性腔體設(shè)有內(nèi)棱錐凹槽，質(zhì)量塊的外定位棱錐面設(shè)于非磁性腔 體的內(nèi)棱錐凹槽中實現(xiàn)周向定位。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的準(zhǔn)二維磁性流體加速度傳感器，其特征在于，所述的質(zhì) 量塊以高比重材料制成，且所述的質(zhì)量塊是圓柱體或棱柱體，且在質(zhì)量塊周向設(shè)置有多道凹槽或葉片，用于增加與磁性流體的有效接觸面積。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的準(zhǔn)二維磁性流體加速度傳感器，其特征在于，所述的非磁性腔體包括非磁性內(nèi)筒與非磁性壓蓋，其中所述的非磁性內(nèi)筒兩端開口，兩端分別通過螺釘固定安裝一個非磁性壓蓋壓緊質(zhì)量 塊，組成非磁性腔體，并在質(zhì)量塊、檢測裝置與非磁性腔體之間產(chǎn)生保持設(shè)定的預(yù)緊壓力；或者，所述的非磁性內(nèi)筒一端開口，開口處安裝一個非磁性壓蓋壓緊質(zhì)量塊，組成非磁性腔 體，并在質(zhì)量塊、檢測裝置與非磁性腔體之間產(chǎn)生保持設(shè)定的預(yù)緊壓力；或者， 所述的非磁性內(nèi)筒與非磁性壓蓋之間還設(shè)置有非磁性密封圈。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的準(zhǔn)二維磁性流體加速度傳感器，其特征在于，所述的非磁性 腔體為圓柱體或棱柱體，外壁沿軸向方向設(shè)置有周向凹槽，用于安裝勵磁線圈。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的磁性流體加速度傳感器，其特征在于，還包括外殼體， 所述的非磁性腔體、磁性流體、質(zhì)量塊、檢測裝置或磁場控制裝置設(shè)置于外殼體內(nèi)腔中， 外殼體具體包括外套筒、上端蓋與下端蓋，外套筒與上端蓋與下端蓋通過螺栓固定，所述 的下端蓋上設(shè)有安裝支腳和/或安裝孔，或者；所述的外殼體與非磁性腔體間設(shè)有隔離套，用于隔離磁場控制裝置與外部磁場的聯(lián) 系，抑制外界磁場干擾。
全文摘要
本發(fā)明所述的一種準(zhǔn)二維磁性流體加速度傳感器包括非磁性腔體、質(zhì)量塊、檢測裝置與磁性流體，非磁性腔體是由非磁性材料構(gòu)成的密閉容器；質(zhì)量塊設(shè)于非磁性腔體中部，質(zhì)量塊的兩端面與非磁性腔體的接觸面的法向與質(zhì)量塊的軸線成一定傾斜角度；且在接觸面間設(shè)有檢測裝置，并在質(zhì)量塊、檢測裝置與非磁性腔體之間保持設(shè)定的預(yù)緊壓力；且非磁性腔體與質(zhì)量塊形成的空腔中充滿磁性流體；檢測裝置用于檢測質(zhì)量塊與非磁性腔體之間壓力的變化，輸出加速度檢測結(jié)果信號。具有檢測方向二維性、大量程、量程可控性、高靈敏度、智能性、高可靠性、工作壽命長等特點。
文檔編號G01P15/08GK101246184SQ20071006399
公開日2008年8月20日 申請日期2007年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月15日
發(fā)明者劉桂雄, 晨 徐, 程韜波, 邱東勇 申請人:華南理工大學(xué)