专利名称：加速度计中压力传感器的排列的制作方法
技术领域：
本发明涉及包括以下组件的装置在装置的操作使用中经历加速度的物理组件；被配置以提供表示加速度的信号的加速度计。本发明还涉及ー种被配置成供装置使用并且在该装置的操作性使用中经历加速度的物理组件，其中，该物理组件容纳加速度计，本发明还涉及ー种加速度计以及制造加速度计的方法。
背景技术：
加速度计是熟知的器件，其被配 置为测量它们所附着的物理对象相对于自由下落(freefall)的加速度或减速度。特定类型的加速度计的操作是基于压电传感器的运行。物理对象的加速度和减速度使得机械应カ被施加到压电传感器的压电元件。该机械应カ转而引起跨过压电元件的电压。所引起的电压被用作表示加速度或减速度的信号，并可以被用于控制例如依赖于所感测到的加速度或减速度的致动器。
发明内容
考虑加速度计，它的操作是基于感测作为加速度结果而在压电元件中引起的电压。在这样的加速度计中使用的电子电路的典型配置使用差分放大器，该差分放大器在放大器的输出端和放大器的反相输入端之间具有电阻反馈路径，并经由压电元件和偏置电阻器的并行排列将放大器的非反相输入端连接到信号地。压电传感器可以被建模为与电容量Cp的电容串联的电压源。该电压源供应的电压是表示所感测的速度的变化率。由电容的值Cp和偏置电阻器的阻值Rb确定传感器的频率响应特性的平坦部分的低频极限。截止频率(或低频极限，或3dB截止频率)具有等于I/ (2π -Cp-Rb )的量值。实际的偏置电阻器不是理想电阻器，从该意义上说，该偏置电阻器引入了作为电荷载体的热扰动结果的噪声电压。该噪声电压由放大器放大并影响该放大器的输出电压。对于给定的频宽Af，其中希望考虑热噪声的影响，实际偏置电阻器可以被建模为噪声电压源和具有电阻值Rb的理想偏置电阻器的串联排列，该噪声电压源供应等于4-kB-T-Rb*Af的平方根的平均噪声电压。減少热噪声的ー种方式是降低电阻值Rb。但是，这在以上典型配置中具有増加截止频率的不期待的影响。因此发明人提出以下构想。如果阻值Rb被改变X倍，则噪声电平改变V X倍并且截止频率改变1/X倍。如果压电传感器的电容Cp改变1/X倍，则可以維持截止频率的水平。通常，压电传感器以単元销售，它们的电特性无法调整。作为压电传感器存在的结果，放大器的非反相输入端的电容值仍然可以通过在非反相输入端使用两个或更多个压电传感器来调整。例如，电阻值Rb降低1/2倍，热噪声降低V (1/2)倍。为了维持截止频率的水平，可以彼此并且与偏置电阻器并联两个压电传感器。更具体地，本发明的实施例涉及包括ー种装置，该装置包括物理组件，经历所述装置的操作使用时的加速度；以及加速度计，被配置为用于提供表示该加速度的信号。加速度计包括具有以下部件的电子电路电压放大器，具有输入端和输出端；多个基本相同的压电传感器；和偏置电阻器，连接在所述输入端和信号地之间。多个压电传感器中的每ー个各自具有相应的第一电极、相应的第二电极，以及相应的主灵敏度的第一轴。安装多个压电传感器使其第一轴彼此对准。安装多个压电传感器中的每ー个以响应于具有平行于各自第ー轴的特定极性的矢量分量的加速度，在各自的第一电极处生成相应的正电压并在各自的第二电极处生成相应的负电压。多个压电传感器中的姆ー个各自电连接在电并联在输入端和信号地之间的多个电流路径中相应的ー个中。多个压电传感器中的每ー个使其相应的第ー电极电连接于输入端。考虑N个数量的电流路径的平行排列，N是大于一的整数，其中，电流路径中每一个各自容纳相应的ー个压电传感器。偏置电阻器的阻值则可以降低N倍，结果，在維持相同的截止频率等级的同时，相对于加速度计中仅使用单个压电传感器的配置中的热噪声，热噪声可以被降低V N倍。下面将进ー步讨论根据发明的装置的示例。在本发明的装置的进ー步实施例中，多个电流路径中的至少ー个包括另ー压电传感器。加速度计的输入网络的电气配置是这样的不管每个平行的电流路径是否包括一个或多个压电传感器，由多个压电传感器产生的电压都在放大器的输入端处被求和。在特 定电流路径中串联排列的压电传感器使得能够使用热噪声效应的分数调整(fractionaladjustment)。例如，考虑M个数量的平行电流路径，每个都包括K个相同的压电传感器的串联排列，其中M和K是正整数。为了维持截止频率，偏置电阻器的阻值则被改变Κ/M倍且热噪声电压将被改变V Κ/M倍。为了使得热噪声电压降低，数量K要小于数量M。在发明的装置的进ー步实施例中，多个压电传感器的第一个具有对加速度的辅助灵敏度的第一辅助轴。该第一辅助轴朝向不同于第一压电传感器的主灵敏度的主轴。多个压电传感器的第二个具有辅助灵敏度的第二辅助轴。该第二辅助轴朝向不同于第二压电传感器的主灵敏度的主轴。安装第一压电传感器和第二压电传感器使得第一压电传感器响应于平行于第一压电传感器的第一辅助轴的加速度的另一矢量分量，在第一压电传感器的第一电极和第一压电传感器的第二电极之间生成另ー第一电压；第二压电传感器响应于加速度的该另一矢量分量，在第二压电传感器的第一电极和第二压电传感器的第二电极之间生成另ー第二电压；且该另一第一电压和另ー第二电压具有相反的极性。鉴于以下，进ー步的实施例是相关的。在加速度计中容纳的每个压电传感器可以响应于不平行于压电传感器的灵敏度的主轴的方向上的加速度的另一矢量分量，生成寄生信号。记住，压电传感器是基本相同的，压电传感器使其主轴对准，且安装压电传感器使得它们响应于平行于主轴的加速度的矢量分量，在其第一电极都生成相同极性的电压。现在考虑成对地组织压电传感器，并考虑由第一压电传感器和第二压电传感器组成的特定对。在一方向上安装第一压电传感器从而使第一压电传感器响应于具有与第一压电传感器的第一辅助轴对准的另一矢量分量的加速度，在第一电极生成特定极性的另ー第一电压。如果在一方向上安装第二压电传感器从而使第二压电传感器在其第一电极生成与该另ー第一电压的特定极性相反的极性的另ー第二电压，则第一和第二压电传感器的寄生信号基本上彼此抵消。考虑以下实施例，其中第一压电传感器和第二压电传感器中特定的每ー个的灵敏度的辅助轴的朝向相对于该特定的压电传感器的灵敏度的主轴基本垂直。则安装第一压电传感器和第二压电传感器从而使它们的辅助轴对准，但是指向相反的方向，导致抵消由加速度的另一矢量分量引起的对放大器的输入端的电压的贡献。如果以上述方式使压电传感器按对定向，则压电传感器产生的寄生信号被抵消。这适用于任意对的压电传感器，不论它们被安装在平行电流路径或是相同的电流路径中的不同电流路径中。本发明也涉及适于在上面所指定的装置中使用的加速度计。本发明也涉及ー种物理组件，该物理组件被配置用于上面所指定的装置中，并被配置为经历该装置的操作使用时的加速度，其中，该物理组件包括被配置以提供表示加速度的信号的加速度计。在下面进ー步讨论该物理组件的示例。该加速度计可以在物理上与该物理组件集成或者以其它方式与该物理组件组合。组合体则可以被作为单独的实体销售，例如，作为售后附件或对现存装置的升级，以便使得能够作为现有装置的备用部件，或作为装置制造商的模块测量物理组件的加速度。
本发明还涉及制造加速度计的方法。配置加速度计以提供表示加速度的信号。该加速度计包括具有以下部件的电子电路电压放大器，具有输入端和输出端；基本相同的多个压电传感器；在输入端和信号地之间连接的偏置电阻器。多个压电传感器中的每ー个各自具有相应的第一电极、相应的第二电极和相应的主灵敏度的主轴。所述方法包括选择期望的截止频率；确定指示偏置电阻器的热噪声的、输入端处的可接受功率密度；取决于期望的截止频率和可接受的功率密度，确定多个压电传感器的数量；安装多个压电传感器中的每ー个以响应于具有平行于各自主轴的特定极性的矢量分量的加速度，在各自的第一电极生成相应的正电压并在各自的第二电极生成相应的负电压；安装多个压电传感器使其主灵敏度的主轴彼此对准；并将多个压电传感器中的每ー个各自电连接在电并联于输入端和信号地之间的多电流路径中相应的ー个中；并且将多个压电传感器中的每ー个各自的第ー电极电连接到输入端。本发明的方法的实施例包括在多电流路径中的至少ー个中电连接至少ー个另ー压电传感器。在本发明的方法的进ー步实施例中，多个压电传感器的第一个具有加速度的辅助灵敏度的第一辅助轴。该第一辅助轴朝向不同于第一压电传感器的主灵敏度的主轴。多个压电传感器的第二个具有辅助灵敏度的第二辅助轴。该第二辅助轴朝向不同于第二压电传感器的主灵敏度的主轴。该方法包括安装第一压电传感器和第二压电传感器使得该第一压电传感器响应于平行于第一压电传感器的第一辅助轴的加速度的另一矢量分量，在第一压电传感器的第一电极和第一压电传感器的第二电极之间生成另ー第一电压；第二压电传感器响应于加速度的该另一矢量分量，在第二压电传感器的第一电极和第二压电传感器的第二电极之间生成另ー第二电压；且该另一第一电压和另ー第二电压具有相反的极性。
以举例的方式并參考附图，更详细地说明本发明，其中图I是装置的已知实施例的框图；图2是用于建模压电传感器的电路的示图；图3是本发明中的装置的第一实施例的框图；图4是本发明中的装置的第二实施例的框图5是本发明中的装置的第三实施例的框图；图6、7、8、9、10和11是图示取决于加速度的朝向的、由压电传感器产生的电压的极性的示图。贯穿各图，类似或对应的特征由相同的附图标记表示。
具体实施例方式本发明涉及包括物理组件和加速度计的装置。该物理组件在装置的操作使用时经历加速度。该加速度计被配置为用于供应表示加速度的信号。例如，该装置是机器，例如，固定エ业装备，诸如桥梁或房屋之类的建筑物，诸如汽车、火车之类的车辆，诸如起重机或翻斗车之类的建筑装备，诸如拖拉机或联合收割机之类的农业装备等。该物理组件例如包括滚动元件轴承、轮子或轴，轮子或轴的悬架的一部分，车辆的底盘(chassis)，桥梁或房屋的梁，等等。来自加速度计的信号可以被用于机器的物 理组件的状态监控，例如，在物理组件的正确操作对机器的操作是关键的。例如，加速度计被用于测量机器中的滚动元件轴承的震动、或承载铁路或公路的桥梁的梁的震动。替代地，加速度计可以是自动控制系统的集成功能部分。这样的控制系统取决于该物理组件所经历的加速度来控制机器的操作使用。例如，加速度计是汽车的主动悬架系统、防抱死制动系统或牵引控制系统的功能部分。该加速度计测量汽车的轴、轮子或悬架的另一部分的加速度。替代地，该装置是形成与数据处理系统的人机接ロ的一部分的手持视频游戏控制器。该视频游戏控制器使用户能基于移动该控制器来控制视频游戏。图I是装置的已知实施例100的示图。该已知实施例100包括加速度计102，该加速度计102用于感测已知实施例100的物理组件(未示出)的加速度或减速度。加速度计102操作性地在该加速度计102的输出端104供应输出信号。该输出信号表示由加速度计102感测的物理组件的加速度或该物理组件的减速度。加速度计102的输出端104连接到信号处理系统106。信号处理系统106操作性地处理该输出信号。例如，信号处理系统保持已知实施例100的操作使用中由加速度计102感测的加速度和减速度的历史。然后，表示输出信号的数据被存储在存储器(未示出)中。替代地，信号处理系统106操作性地例如传送无线电信号到外部接收器(未示出)，其中该无线电信号表示从输出端104接收到的输出信号。然后该接收器可能保存在已知实施例100的操作使用中、由加速度计102感测的加速度和/或减速度的历史日志，或取决于输出信号通过控制致动器(未示出)来触发动作。替代地，该信号处理系统106操作性地例如在软件的控制下处理接收的输出信号以便于控制致动器(未示出)。加速度计102包括放大器108。在所示示例中，放大器108包括差分电压放大器，该差分电压放大器放大第一输入端110处的第一电压和第二输入端112处的第二电压之间的差，并供应所放大的差作为输出端104的输出信号。第一输入端110经由第一压电传感器114连接到信号地。该第一输入端110也经由偏置电阻器116连接到信号地。第二输入端112经由第一电阻器118连接到输出端104，并经由第二电阻器116连接到信号地。第一电阻器112和第二电阻器124形成输出端104和信号地之间的电阻网络，提供从输出端104到第二输入端112的反馈。注意，在放大器配置中连接已知为“非反相放大器”的电压放大器108。对所有实际目的，这样的非反相放大器的输入阻抗可以被认为是无穷大的。该非反相放大器配置很好地适用于放大从高阻抗源接收的信号的目的，因为非反相放大器在其输入端(这里是第一输入端110)不汲取任何电流。非反相放大器在其输入端汲取任何电流都将影响要被放大的信号的精度。现在參考图2。图2是用于建模压电传感器114的电路的图示。如同已知的，第一压电传感器114使用诸如石英、钛酸钡(BaTiOs)和锆钛酸铅(PZT)之类的某些材料的压电效应来操作性地感测速度的改变率。第一压电传感器114可以被建模为与电容量Cp的电容204串联的电压源202。该电压源202提供的电压表示所感测的速度的改变率。如果偏置电阻器116是理想电阻器，则由电容204的值Cp和偏置电阻器116的电阻值Rb确定加速度计102的频率响应特性的平坦部分的低频极限。截止频率(或低频极限，或3dB截止频率)具有等于1/(2 π ·(；·&)的量值。该偏置电阻器116不是理想电阻器。例如，该偏置电阻器116的阻值实际上取决于偏置电阻器116的温度。假定偏置电阻器116的温度可以被视为在偏置电阻116上基本均匀，从而可以确实谈及偏置电阻器116的温度。产生通过偏置电阻器116的电流的流动的电子经历热扰动。由电子的热扰动产生的电子噪声被称为 “约翰逊噪声”或“约翰逊-奈奎斯特噪声”。由表达式4-kB -T-Rb给出热噪声的功率的频谱密度(即，热噪声的带宽的每赫兹功率或带宽的每赫兹电压的均方值)。这里，kB代表波尔兹曼常数，T代表温度(以开尔文为単位)，如果偏置电阻器116是理想的，则Rb代表偏置电阻器116的以欧姆为单位的阻值。对于给定的频率带宽Af，其中希望考虑热噪声的电效应，实际的偏置电阻器116可以被建模为噪声电压源和具有阻值Rb的理想偏置电阻器106的串联排列，该噪声电压源供应等于4 · kB · T · Rb · Af的平方根的平均噪声电压。为了降低由于偏置电阻器116的存在引起的热噪声效应，可以将阻值降低P3/4。但是，降低阻值Rb具有増加由表达式I/ (2 π · Cp · Rt )给定的截止频率的不期待的影响。现在參考图3。图3是本发明中的装置的第一实施例300的示图，该第一实施例300的配置不同于图I中的装置的已知实施例100的配置。该第一实施例300包括加速度计102中的多个压电传感器。该多个压电传感器被电并联。更具体地，该第一实施例300包括第一压电传感器114并包括例如，第二压电传感器302和第三压电传感器304。安装第一压电传感器114、第二压电传感器302和第三压电传感器304使得第一实施例300的物理对象的加速度或减速度在第一压电传感器114、第二压电传感器302和第三压电传感器304上施加应カ或压力。结果，第一压电传感器114、第二压电传感器302和第三压电传感器304经历变形，使得跨过第一压电传感器114、第二压电传感器302和第三压电传感器304的相应的姆ー个的压电材料而产生各自的电场。该电场又经由偏置电阻器116产生电流，结果，在第一输入端110生成电压。做出以下假设。第一压电传感器114、第二压电传感器302和第三压电传感器304关于它们的电特性是基本相同的。此外，已经将第一压电传感器114、第二压电传感器302和第三压电传感器304紧凑地安装在一起以便在第一实施例300的操作使用中经历物理对象的基本相同的速度的变化率。此外，已经安装第一压电传感器114、第二压电传感器302和第三压电传感器304以便在空间上基本平行地排列它们的主朝向，即，它们主灵敏度的方向。也就是，安装第一压电传感器114、第二压电传感器302和第三压电传感器304以便响应于加速度计102所经历的加速度和减速度而产生通过偏置电阻器116的基本相同的电流。在以上表达“基本相同”、“基本相同”和“基本平行”中使用限定词“基本”。该限定词“基本”意图传达以下意义，小偏差是可接受的，但是对于本发明的内容中考虑的所有实际目的，第一压电传感器114、第二压电传感器302和第三压电传感器304被认为具有相同的配置，经历相同的加速度和减速度，并具有指向相同方向的主朝向。现在，电气地平行排列第一压电传感器114、第二压电传感器302和第三压电传感器304的结果是，在第一输入端110的电容假定是值3CP。如果偏置电阻器116的阻值も现在減少3倍，则截止频率保持不变且偏置电阻器116的热噪声減少V 3倍。图3图示了电气地平行排列第一压电传感器114、第二压电传感器302和第三压电传感器304的第一实施例300。參考在图3中平行排列三个压电传感器图示的，应用到平行排列的任何实际数目N的压电传感器。鉴于在操作使用时要经历基本相同的加速度或減速 度的压电传感器的要求，可以由例如任一对压电传感器之间的可接受最大距离来限制该数目N。因此，如果在第一输入端110和信号地之间电气地平行连接数量N的压电传感器，则可以将偏置电阻器116的阻值Rb降低N倍，从而维持如同參考在板上仅有单ー压电传感器的第一实施例100讨论的截止频率,并相对于第一实施例100中的热噪声水平将热噪声电压降低V N倍。现在參考带有本发明的装置的第二实施例400的框图的图4。第二实施例400不同于第一实施例300在于第一输入端110经由电气地平行排列的第一路径、第二路径和第三路径连接到信号地。该第一路径包括第一压电传感器114和第四压电传感器402的串联排列。第二路径包括第二压电传感器302和第五压电传感器404的串联排列。第三路径包括第三压电传感器304和第六压电传感器406。应用关于第一实施例300的如上所述的相同的假设。即，第一压电传感器114、第二压电传感器302和第三压电传感器304、第四压电传感器402、第五压电传感器404和第六压电传感器406具有基本相同的配置，经历基本相同的加速度和减速度，并且使它们的主朝向指向基本相同的方向。在第一输入端处的电容现在具有3/2Cp的值。现在可以向偏置电阻器116给出2/3Rb的阻值，以便于维持截止频率并便于将热噪声电压降低V (2/3)倍。类似地，如果使用数量M的平行路径，每个包括K个相同的压电传感器的串联排列，则在第一输入端110处的电容值将是M/K Cp。为了维持已知实施例100的截止频率，偏置电阻器116的阻值则将变为K/M Rb并且热噪声电压将改变V(K/M)倍。为了使得热噪声电压的降低，数量K将小于数量M。如上所说明的，加速度计102被配置为测量在特定方向上的物理组件的加速度或减速度。出于此原因，第一实施例300中的第一压电传感器114、第二压电传感器302和第三压电传感器304以这样的方式定位使得它们对加速度或减速度的各自的主灵敏度的方向与该特定方向对准。类似地，在第二实施例400中的第一压电传感器114、第二压电传感器302、第三压电传感器304、第四压电传感器402、第五压电传感器404和第六压电传感器406已经将它们各自的主灵敏度的方向对准到加速度或减速度的特定方向。但是，第一压电传感器114、第二压电传感器302、第三压电传感器304、第四压电传感器402、第五压电传感器404和第六压电传感器406的每个相应的也对于除了该特定方向之外的方向上的加速度或减速度灵敏。这些其他方向上，期望抑制第一压电传感器114、第二压电传感器302、第三压电传感器304、第四压电传感器402、第五压电传感器404和第六压电传感器406对加速度计102的加速度和减速度的寄生响应(spurious response)。现在參考本发明中的装置的第三实施例500的框图的图5。现在加速度计102包括偶数个压电传感器的平行排列第一压电传感器114、第二压电传感器302、第三压电传感器304和第七压电传感器502。如同在第一实施例300和在第二实施例400中，第一压电传感器114、第二压电传感器302、第三压电传感器304和第七压电传感器502是基本相同的配置并且使它们对加速度或减速度的主灵敏度的方向互相对准。可以成对地组织偶数个的压电传感器。例如，第一压电传感器114和第二压电传感器302形成第一对504。第三压电传感器304和第七压电传感器502形成第二对506。现在，第一对504和第二对506的每ー对的压电传感器以这样的方式安装使得当加速度计102经历除了它们主灵敏度的特定方向之外的方向上的加速度或减速度时，它们生成相反极性的响应。为了说明这个，參考图6、图7、图8、图9、图10和图11。现在參考图6、图7、图8、图9、图10和图11。图6_11的示示了取决于关于參考压电传感器600的加速度的朝向，由參考压电传感器600产生的电压的依赖性。如已 知的，用具有大小和方向的矢量表示加速度。关于一起跨越三维空间的第一轴602、第二轴604和第三轴606指定加速度矢量的方向。注意第一轴602、第二轴604和第三轴606的方向性。第一轴602、第二轴604和第三轴606的特定ー个的方向性使得能够指定沿着特定轴的矢量分量的极性是正还是负。假定參考压电传感器600的灵敏度的主轴是第二轴604。在图6中，用沿着第三轴606指向上方的矢量608表不加速度。參考压电传感器600的第一端A的第一电位则是正的且第二端B的第二电位则是负的。方便起见，第一端A和第二端B之间的合成电压被定义为当从第一电位减去第二电位时得出的标量。图6的情形下的合成电压是正的。在图7中，用沿着第三轴606指向下方的矢量702表示加速度。參考压电传感器600的第一端A的第一电位则是负的且第二端B的第二电位则是正。图7的情形下的合成电压则是负的。在图8中，用沿着第二轴604指向并远离观察者的矢量802表示加速度。參考压电传感器600的第一端A的第一电位则是负的且第二端B的第二电位则是正的。图8的情形下的合成电压则是负的。在图9中，用沿着第二轴604指向并朝向观察者的矢量902表示加速度。參考压电传感器600的第一端A的第一电位则是正的且第二端B的第二电位则是负的。图9的情形下的合成电压则是正的。在图10中，用沿着第一轴602指向并指向右边的矢量1002表示加速度。參考压电传感器600的第一端A的第一电位则是负的且第二端B的第二电位则是正的。图10的情形下的合成电压则是负的。在图11中，用沿着第一轴602指向并指向右边的矢量1102表示加速度。參考压电传感器600的第一端A的第一电位则是正的且第二端B的第二电位则是负的。图11的情形下的合成电压则是正的。參考图5、图8-11,现在考虑第三实施例500中的第一压电传感器114和第二压电传感器302形成的第一对504。第一压电传感器114和第二压电传感器302实际上是相同的。假定第一压电传感器114和第二压电传感器302的每个的特性与參考压电传感器600的特性相同，如同參考该參考压电传感器600的图6-11所讨论的。进ー步假定，第一压电传感器114和第二压电传感器302的每个的特性是反対称的。即，当经历某个大小和在某个方向上的加速度时，第一压电传感器114和第二压电传感器302的每个产生某个大小和某个极性的第一电压，并当经历相反方向上相同大小的加速度时，产生相同大小但是相反极性的第二电压。进ー步假定，例如在PCB上第一压电传感器114和第二压电传感器302被安装地彼此靠近并且它们的灵敏度的主轴平行。还假定，第一压电传感器114的主轴和第二压电传感器302的主轴姆个都对应于图6中的參考压电传感器600的第二轴604。进一步假定，沿着第一轴602的加速度被认为与加速度计102的操作无关并产生第一端A和第二端B之间的寄生电压。现在考虑以下情况，安装第一压电传感器114和第二压电传感器302使其各自的第一轴602、各自的第二轴604和各自的第三轴606处于相同的各自的朝向和方向性。即，第一压电传感器114的第一轴602的朝向和方向性与第二压电传感器302的第一轴602的朝向和方向性相同；第一压电传感器114的第二轴604的朝向和方向性与第二压电传感器 302的第二轴604的朝向和方向性相同；第一压电传感器114的第三轴606的朝向和方向性与第二压电传感器302的第三轴606的朝向和方向性相同。当经历具有沿着第一压电传感器114的第一轴602的矢量分量以及具有沿着第二压电传感器302的第一轴的相同的矢量分量的加速度时，第一压电传感器114和第二压电传感器302在它们的各自的第一电极A和它们各自的第二电极B之间产生相同电压。在加速度计102中，第一压电传感器114的第ー电极A和第二压电传感器302的第一电极A则被彼此连接。同样地，在加速度计102中，第一压电传感器114的第二电极B和第二压电传感器302的第二电极B则被彼此连接。结果，响应于具有沿着第一轴602的矢量分量的加速度，第一压电传感器114和第二压电传感器302产生寄生电压。该寄生电压具有相同的极性并叠加在放大器108的第一输出端110并将被放大。现在，想象如下情形，其中在PCB上安装第一压电传感器114和第二压电传感器302以便相对于彼此绕第二轴604旋转180°。该旋转使得第一压电传感器114的第一轴的方向性和第二压电传感器302的方向性彼此相反。結果，响应于具有沿着第一轴602的矢量分量的加速度，第一压电传感器114和第二压电传感器302产生相反极性的寄生电压。因此，第一压电传感器114和第二压电传感器302产生的寄生电压在放大器108的第一输入端110处彼此抵消。类似的考虑应用于图5的第三实施例500中的第三压电传感器304和第七压电传感器502的安装。同样的，类似的考虑应用于包括放大器108的第一输入端110之间的多个平行路径的任何加速度计102，其中每个相应的路径包括相应的单个压电传感器或两个或更多个压电传感器的相应的串联排列。 压电传感器的示例是Murata Manufacturing Co. , Ltd制造的冲击传感器PKGS-25NB-R 和冲击传感器 PKGS-90-LD。该 PKGS-25NB-R 和 PKGS-90-LD 是回流焊接的 SMD(表面安装器件)型，并且每个都具有主灵敏度的首要轴。这些PKGS系列的冲击传感器是包括具有压电陶瓷盘的隔膜(diaphragm)(未示出)的压电传感器，该压电陶瓷盘与金属盘形成叠层并在其外围被支撑。该压电传感器产生该传感器经历的撞击或震动成比例的电信号。该PKGS-90-LD具有下列电特性0. 28pC/G的典型灵敏度；755pF的典型电容值Cp ；22kHz的典型谐振频率。考虑落在例如5Hz-10Hz范围内的截止频率作为实际示例。如同图I的已知实施例100中的，如果在加速度计102中仅使用单个压电传感器114，则偏置电阻器116则可能具有100M欧姆的阻值Rb。在ΙΗζ-ΙΟΟΗζ的频带中的热噪声则约是I. 97 μ V(rms)0当使用两个平行排列的压电传感器时，可以将偏置电阻器116的阻值Rb设为50M欧姆，并降低热噪声到约1.4yV (rms)。如图3的第一实施例300,使用平行排列的三个压电 传感器，可以将偏置电阻116的阻值P3/4设为33M欧姆，并降低热噪声到约I. 14μ V(rms)。如图5的第三实施例500，使用平行排列的四个压电传感器，可以将偏置电阻器116的阻值 Rb设为25M欧姆，并降低热噪声到约O. 99 μ V (rms)。
权利要求
1.ー种装置(300 ；400 ；500)包括物理组件，经历所述装置的操作使用时的加速度；以及加速度计(102)，被配置为用于提供表示该加速度的信号； 其中 所述加速度计包括具有以下部件的电子电路 -电压放大器(108)，具有输入端(110)和输出端(104)；-基本相同的多个压电传感器(I 14，302，304，502);和 -偏置电阻器(116)，连接在所述输入端和信号地之间； 所述多个压电传感器中的每ー个各自具有相应的第一电极、相应的第二电极，以及相应的主灵敏度的主轴(604)； 安装所述多个压电传感器中的每ー个以响应于具有平行于各自主轴的特定极性的矢量分量的加速度，在各自的第一电极处生成相应的正电压并在各自的第二电极处生成相应的负电压； 安装所述多个压电传感器使其主灵敏度的主轴彼此对准； 所述多个压电传感器中每ー个各自电连接在所述输入端和信号地之间电并联的多个电流路径中相应的ー个中；以及 所述多个压电传感器中每ー个各自使其相应的第一电极电连接到所述输入端。
2.根据权利要求I所述的装置，其中所述多个电流路径中的至少ー个包括至少另ー压电传感器(402，404，406)。
3.根据权利要求I或2所述的装置，其中 所述多个压电传感器中的第一个(114 ;304)具有对所述加速度的辅助灵敏度的第一辅助轴(602)； 所述第一辅助轴朝向与所述第一压电传感器的主灵敏度的主轴不同； 所述多个压电传感器中的第二个(302 ；502)具有辅助灵敏度的第二辅助轴(602)； 所述第二辅助轴朝向与所述第二压电传感器的主灵敏度的主轴不同； 安装所述第一压电传感器和所述第二压电传感器使得 -所述第一压电传感器响应于与所述第一压电传感器的第一辅助轴平行的加速度的另一矢量分量，在所述第一压电传感器的第一电极和所述第一压电传感器的第二电极之间生成另ー第一电压； -所述第二压电传感器响应于所述加速度的该另一矢量分量，在所述第二压电传感器的第一电极和所述第二压电传感器的第二电极之间生成另ー第二电压；以及-所述另ー第一电压和所述另ー第二电压具有相反的极性。
4.ー种物理组件，被配置以在ー装置(300 ；400 ;500)中使用并经历所述装置的操作使用时的加速度，其中 所述物理组件包括加速度计(102)，所述加速度计(102)被配置为提供表示加速度的信号; 所述加速度计包括具有以下部件的电子电路 -电压放大器(108)，具有输入端(110)和输出端(104)； -基本相同的多个压电传感器(114，302，304，502 )；以及 -偏置电阻器(116)，连接在所述输入端和信号地之间；所述多个压电传感器中的每ー个各自具有相应的第一电极、相应的第二电极，以及相应的主灵敏度的主轴(604)； 安装所述多个压电传感器中的每ー个以响应于具有平行于各自主轴的特定极性的矢量分量的加速度，在各自的第一电极处生成相应的正电压并在各自的第二电极处生成相应的负电压； 安装所述多个压电传感器使其主灵敏度的主轴彼此对准； 所述多个压电传感器中的每ー个各自电连接在所述输入端和信号地之间电并联的多个电流路径的相应的ー个中；以及 所述多个压电传感器中的每ー个各自使相应的第一电极电连接到所述输入端。
5.根据权利要求4所述的物理组件，其中所述多个电流路径的至少ー个包括至少另ー压电传感器(402，404，406)。
6.根据权利要求4或5所述的物理组件，其中 所述多个压电传感器中的第一个(114 ;304)具有对所述加速度的辅助灵敏度的第一辅助轴(602)； 所述第一辅助轴朝向与所述第一压电传感器的主灵敏度的主轴不同； 所述多个压电传感器中的第二个(302 ;502)具有辅助灵敏度的第二辅助轴(602)； 所述第二辅助轴朝向与所述第二压电传感器的主灵敏度的主轴不同； 安装所述第一压电传感器和所述第二压电传感器使得 -所述第一压电传感器响应于平行于所述第一压电传感器的第一辅助轴的加速度的另一矢量分量，在所述第一压电传感器的第一电极和所述第一压电传感器的第二电极之间生成另ー第一电压； -所述第二压电传感器响应于所述加速度的该另一矢量分量，在所述第二压电传感器的第一电极和所述第二压电传感器的第二电极之间生成另ー第二电压；以及-所述另ー第一电压和所述另ー第二电压具有相反的极性。
7.ー种加速度计(102)，被配置为提供表示加速度的信号，其中 所述加速度计包括具有以下部件的电子电路 -电压放大器(108)，具有输入端(110)和输出端(104)； -基本相同的多个压电传感器(I 14，302，304，502);和 -偏置电阻器(116)，连接在所述输入端和信号地之间； 所述多个压电传感器中的姆ー个各自具有相应的第一电极、相应的第二电极，和相应的主灵敏度的主轴(604)； 安装所述多个压电传感器中的每ー个以响应于具有平行于各自主轴的特定极性的矢量分量的加速度，在各自的第一电极处生成相应的正电压并在各自的第二电极处生成相应的负电压； 安装所述多个压电传感器使其主灵敏度的主轴彼此对准； 所述多个压电传感器中的每ー个各自电连接在所述输入端和信号地之间电并联的多个电流路径中相应的ー个中；以及 所述多个压电传感器中的每ー个各自使得相应的第一电极电连接到所述输入端。
8.根据权利要求7所述的加速度计，其中多个电流路径中的至少ー个包括至少另ー压电传感器(402，404，406)。
9.根据权利要求7或8所述的加速度计，其中 所述多个压电传感器中的第一个(114)具有对所述加速度的辅助灵敏度的第一辅助轴(602)； 所述第一辅助轴朝向与所述第一压电传感器的主灵敏度的主轴不同； 所述多个压电传感器中的第二个(302)具有辅助灵敏度的第二辅助轴(602); 所述第二辅助轴朝向与所述第二压电传感器的主灵敏度的主轴不同； 安装所述第一压电传感器和所述第二压电传感器使得 -所述第一压电传感器响应于平行于所述第一压电传感器的第一辅助轴的所述加速度的另一矢量分量，在所述第一压电传感器的第一电极和所述第一压电传感器的第二电极之间生成另ー第一电压； -所述第二压电传感器响应于加速度的该另一矢量分量，在所述第二压电传感器的第ー电极和所述第二压电传感器的第二电极之间生成另ー第二电压；以及-所述另ー第一电压和所述另ー第二电压具有相反的极性。
10.一种制造加速度计(102)的方法，其中 所述加速度计被配置以提供表示加速度的信号 所述加速度计包括具有以下部件的电子电路 -电压放大器(108)，具有输入端(110)和输出端(104)； -基本相同的多个压电传感器(I 14，302，304，502);以及 -偏置电阻器(116)，连接在输入端和信号地之间； 所述多个压电传感器中的姆ー个各自具有相应的第一电极、相应的第二电极，和相应的主灵敏度的主轴(604)； 所述方法包括 选择期望的截止频率； 确定在所述输入端可接受的指示偏置电阻器的热噪声的功率密度等级； 依赖于所期望的截止频率和可接受的功率密度，确定所述多个压电传感器的数量； 安装所述多个压电传感器中的每ー个以响应于具有平行于各自的主轴的特定极性的矢量分量的加速度，在各自的第一电极处生成相应的正电压并在各自的第二电极处生成相应的负电压； 安装所述多个压电传感器使其主灵敏度的主轴彼此对准； 将所述多个压电传感器中的每ー个各自电连接在所述输入端和信号地之间电并联的多个电流路径相应的ー个中；以及 将所述多个压电传感器中的姆ー个相应的第一电极电连接到输入端。
11.根据权利要求10所述的方法，包括在所述多个电流路径中的至少ー个中电连接至少另ー压电传感器(402，404, 406)。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中 所述多个压电传感器中的第一个(114)具有对所述加速度的辅助灵敏度的第一辅助轴(602)； 所述第一辅助轴朝向与所述第一压电传感器的主灵敏度的主轴不同；所述多个压电传感器中的第二个(302)具有辅助灵敏度的第二辅助轴(602); 所述第二辅助轴朝向与所述第二压电传感器的主灵敏度的主轴不同； 所述方法包括安装所述第一压电传感器和所述第二压电传感器使得 -所述第一压电传感器响应于平行于所述第一压电传感器的第一辅助轴的加速度的另一矢量分量，在所述第一压电传感器的第一电极和所述第一压电传感器的第二电极之间生成另ー第一电压； -所述第二压电传感器响应于所述加速度的另一矢量分量，在所述第二压电传感器的第一电极和所述第二压电传感器的第二电极之间生成另ー第二电压；以及-所述另ー第一电压和所述另ー第二电压具有相反的极性。
全文摘要
一种加速度计(102)，通过电平行排列的多个压电传感器(114，302，304)响应于加速度而产生的电压来感测特定方向上的加速度。压电传感器的灵敏度的主轴被对准并指向相同的方向。平行排列使得能够控制源自并联到压电传感器的平行排列的偏置电阻器(116)的、加速度计的输出信号的热噪声电平。
文档编号G01P15/09GK102859369SQ201080065963
公开日2013年1月2日 申请日期2010年2月2日 优先权日2010年2月2日
发明者H.A.莫尔, L.戈莫斯 申请人:Skf公司