一种压电式六维加速度传感器的制作方法

本实用新型涉及一种加速度传感器，具体涉及一种压电式、并联式六维加速度传感器，属于传感器技术领域。

背景技术：

六维加速度传感器能够同时检测空间物体的三维线运动和三维角运动，在各种动态力、加速度、机械振动的测量，以及机器人、虚拟现实、航空航天等领域都得到了非常广泛的应用。

六维加速度传感器涉及到的很多关键技术问题尚未完全解决，因此，其仍然停留在实验室原理论证阶段。发明专利《一种六轴加速度传感器的敏感元件的布局方法》(专利号：zl200610095028.3)提出了一种基于6只共面的单轴加速度传感器的六维加速度传感器原理与结构；发明专利《基于九加速度敏感单元的六轴加速度传感器的布局方法》(专利号：zl200810237023.9)给出了一种基于九个单轴加速度敏感单元的六维加速度传感器的敏感单元布置方法；zoutian等人(sensorsandactuators,a:physical,vol.251,no.11,167-178,2016)提出基于圆柱体的8个双轴加速度传感器布局方式。上述方法具有结构简单，成本低等优点，但由于其结构决定了该布局方法加工的敏感单元尺寸相对较大，难以实现微型化，同时加速度敏感单元的安装精度要求较高，并且每个敏感单元容易发生测量信息不同步现象，导致传感器测量精度较低。发明专利《冗余并联式六维加速度传感器及其测量方法》(专利号：zl201010249900.1)提出一种基于9-3构型并联机构的六维加速度传感器；发明专利《一种并联式六维加速度传感器》(专利号：zl201810404503.3)提出一种基于6-6构型并联机构的六维加速度传感器。以上设计方案的传感器比较适合于测量静态或者准静态下的六维加速度，但不适合于测量工作频带较宽的信号。

可见，目前六维加速度传感器存在着结构复杂，不易于微型化，测量频带较窄，各向加速度测量不同步等问题，因此，有必要研究一种六维加速度传感器以解决上述问题。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是：克服现有技术存在的问题，提供一种结构简单，易于加工和微型化，能够增加测量频带带宽，同时实现各向加速度测量同步的六维加速度传感器。

本实用新型解决其技术问题的技术方案如下：

一种压电式六维加速度传感器，包括一个惯性质量块、一个外壳和若干条支链，所述惯性质量块位于外壳中心且通过支链连接于外壳内壁,所述支链由外铰链、压电陶瓷与内铰链串联而成；n条支链为一组，每组支链包括一个复合球铰链、n个压电陶瓷和n个外铰链，一个复合球铰链由n个内铰链组成；所述复合球铰链的一端固定于惯性质量块，另一端连接压电陶瓷的一端，所述压电陶瓷的另一端连接外铰链的一端，所述外铰链的另一端固定于外壳内壁。

本实用新型进一步完善的技术方案如下：

优选地，所述每组支链中各支链呈互相垂直布置，并在其垂足处共用一个复合球铰链。所述惯性质量块的四个顶点分别设有用于安装复合球铰链的定位孔，四个定位孔在惯性质量块的六个面上均呈对角布置，每个定位孔中安装有一个复合球铰链。

优选地，所述外铰链、内铰链上分别设有与压电陶瓷相配合的定位凹槽，所述压电陶瓷的一端安装于外铰链的定位凹槽内，另一端安装于内铰链的定位凹槽内。所述外铰链与压电陶瓷、所述压电陶瓷与内铰链均通过环氧树脂胶连接。

优选地，所述n的取值为3，三个内铰链为一组，组成一个三重复合球铰链，且三个内铰链呈两两垂直布置。所述三重复合球铰链由第一内铰链、第二内铰链、第三内铰链组成，所述第一内铰链的一端固定于惯性质量块，所述第二内铰链穿过第一内铰链后固定于惯性质量块，第三内铰链穿过第一内铰链和第二内铰链后固定于惯性质量块。

优选地，所述外壳包括底板、侧板一、侧板二、连接板和顶梁，所述侧板一与底板通过连接板连接固定，所述侧板二通过螺钉与侧板一连接，所述侧板一的顶端设有顶梁。所述底板的两端以及侧板一的下端分别设有长条状凹槽，所述侧板一的上端设有u形凹槽，所述连接板的截面为l形，所述连接板的两侧分别固定于底板和侧板一的长条状凹槽内，所述顶梁的端部固定于侧板一的u形凹槽内。在所述底板、侧板一、侧板二和顶梁上分别设有与外铰链相连的定位孔。

本实用新型结构简单对称、易于加工组装，可实现对物体六维加速度的实时测量，测量频带宽，各向加速度测量同步。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

图1为本实用新型的支链布置示意图。

图2为本实用新型中惯性质量块的示意图。

图3为本实用新型中外铰链的示意图。

图4为本实用新型中第一内铰链的示意图。

图5为本实用新型中第二内铰链的示意图。

图6为本实用新型中第三内铰链的示意图。

图7为本实用新型中内铰链的配置关系图。

图8为本实用新型中惯性质量块与支链的配置关系图。

图9为本实用新型的结构示意图。

图中：1.惯性质量块，2.外壳，21.底板，22.侧板一，23.侧板二，24.顶梁，25.连接板，3.外铰链，4.压电陶瓷，5.三重复合球铰链，51.第一内铰链，52.第二内铰链，53.第三内铰链。

具体实施方式

下面参照附图并结合实施例对本实用新型作进一步详细描述。但是本实用新型不限于所给出的例子。

实施例1

如图1所示，一种压电式六维加速度传感器，包括一个惯性质量块1、一个外壳2和12条支链，惯性质量块1位于外壳2中心，惯性质量块1通过支链连接于外壳2的内壁。支链由外铰链3、压电陶瓷4、内铰链组成。每三个内铰链为一组，组成一个三重复合球铰链5。在惯性质量块1的四个顶点分别安装一个三重复合球铰链5，四个三重复合球铰链5在惯性质量块1的六个面上两两呈对角布置。

如图2所示，惯性质量块1为立方体，其上四个顶点加工有用于安装三重复合球铰链5的定位孔，四个顶点在立方体的六个面上分别呈对角布置。定位孔呈方形，具有三个侧壁，其上分别制有第一方形凹槽、第二方形凹槽和长孔。

如图7所示，三重复合球铰链5由第一内铰链51、第二内铰链52和第三内铰链53组成。第一内铰链51包括方形本体，方形本体上制有容许第二内铰链52的长方体状固定杆穿过的方形贯穿孔和容许第三内铰链53的长螺杆穿过的圆形贯穿孔，方形本体的一端设有与压电陶瓷4相配合的定位凹槽，另一端设有与位于定位孔侧壁上的第一方形凹槽相配合的固定块(见图4)；第二内铰链52包括长方体状固定杆，长方体状固定杆的一端设有与压电陶瓷4相配合的定位凹槽，另一端可与位于定位孔侧壁上的第二方形凹槽相配合，在长方体状固定杆上制有容许第三内铰链53的长螺杆穿过的圆形通孔(见图5)；第三内铰链53包括长螺杆，长螺杆的一端设有与压电陶瓷4相配合的定位凹槽，另一端具有外螺纹(见图6)。另外，第三内铰链53的长螺杆可与位于定位孔侧壁上的长孔相配合。这样，第一内铰链51的固定块安装于惯性质量块1的第一方形凹槽内，第二内铰链52的长方体状固定杆穿过第一内铰链51的方形贯穿孔后固定于惯性质量块1的第二方形凹槽内，第三内铰链53的长螺杆穿过第一内铰链51的圆形贯穿孔和第二内铰链的圆形通孔后固定于惯性质量块1的长孔并采用螺母固定。

如图8所示，第一内铰链51、第二内铰链52和第三内铰链53依次插入惯性质量块1的定位孔内。外铰链3包括圆柱形本体，圆柱形本体的一端设有与压电陶瓷4相配合的定位凹槽，另一端设有端部带外螺纹的螺杆(见图3)。压电陶瓷4呈圆柱体状，其材料为锆钛酸铅。压电陶瓷4的一端安装于外铰链3的定位凹槽内，另一端安装于内铰链的定位凹槽内。外铰链3与压电陶瓷4、压电陶瓷4与内铰链均通过环氧树脂胶连接。

如图9所示，外铰链3固定于外壳2中。外壳2包括底板21、侧板一22、侧板二23、连接板25和顶梁24，底板21的两端以及侧板一22的下端分别设有长条状凹槽，侧板一22的上端设有u形凹槽，连接板25的截面为l形，将连接板25的两侧分别固定于底板21和侧板一22的长条状凹槽内，再通过螺钉将连接板25的侧板安装在底板21和侧板一22的长条状凹槽内，使得侧板一22与底板21通过连接板25连接固定，侧板二23通过螺钉与侧板一22固定连接。顶梁24的端部固定于侧板一22的u形凹槽内，再通过螺钉将顶梁24的端部安装在侧板一22上端的u形凹槽内，使顶梁24设置于侧板一22的顶端。另外，在底板21、侧板一22、侧板二23和顶梁24上分别设有与外铰链3的螺纹端相配合的定位孔。

本实施例六维加速度传感器的操作方法如下：

步骤1、固定传感器

将底板21刚性固定在待测物体上；

步骤2、采集压电陶瓷4的输出信号

将12条支链上的压电陶瓷4分别连接电荷放大器的输入端，借助电荷放大器、数据采集卡完成电荷信号的调理和采集，并计算出每个压电陶瓷4输出信号对应的力信号；

步骤3、计算待测加速度

将序号①～支链上的压电陶瓷4的输出信号对应的力分别记为f1～f12,假设惯性质量块1的质量为m，边长为n,重力加速度为g,则待测线加速度a和待测角加速度e分别为：

其中，r为外壳2相对于参考大地的旋转矩阵。

除上述实施例外，本实用新型还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围。