一种自供电三轴加速度传感器制造技术

本实用新型专利技术提供一种自供电三轴加速度传感器及检测方法，属于能源材料与器件技术领域。悬臂梁共四根，两两垂直，呈十字形分布，悬臂梁末端置有压电层，用于三轴加速度检测；自由端与基质量块相连，末端与支撑结构相连；基质量块正下方依次固定连接有辅助质量块、永磁体，三者构成了整个质量块；电磁感应线圈置于永磁体正下方，支撑结构的内底面上，用于采集振动能量为加速度传感器供电。本实用新型专利技术提出的加速度传感器可对任意方向加速度进行检测，并且可以实现自供电，降低了成本，扩大了应用范围。

A self powered three axis acceleration sensor

The utility model provides a self-powered three-axis acceleration sensor and a detection method, belonging to the technical field of energy materials and devices. There are four cantilever beams, two of which are perpendicular to each other and distributed in a cross shape. Piezoelectric layers are placed at the end of the cantilever beam for triaxial acceleration detection. The coil should be placed directly below the permanent magnet and the inner bottom surface of the supporting structure is used to collect vibration energy and supply power to the acceleration sensor. The acceleration sensor proposed by the utility model can detect acceleration in any direction, and can realize self-power supply, reduce the cost and expand the application scope.

【技术实现步骤摘要】
一种自供电三轴加速度传感器
本技术属于能源材料与器件
，特虽涉及一种基于电磁感应原理的自供电三轴加速度传感器和检测方法。
技术介绍
加速度传感器是一种能够测量加速度的电子设备，现已广泛应用于汽车工业，航空航天，军事装备等领域。压电式加速度传感器虽然在检测时不需要电源，但其输出信号不能直接被AD采集电路获取，必须经恒流源为其供电，并将其信号调理成标准信号。而在无线传感网络应用中，由于节点数量多和分布范围大，电池更换问题难以解决；同时，对于许多不能提供电源，需长期监测，电池不易更换或者易燃易爆等危险场合的应用，必须采用无源传感器来实现测量；加速度传感器无源化还可以显著减小系统的功耗和体积，提高系统集成度。因此，实现加速度传感器的自供电，具有重要意义。振动能是自然环境中普遍存在的一种能量，生产设备的运行，交通工具的行驶，人体的运动，都会产生振动能。对于加速度传感器，应用场景多为动态环境，采集振动能为其供电是个诱人的想法。根据工作原理的不同，振动能量采集主要基于压电效应、电磁感应、静电感应和摩擦发电等四种方法。其中电磁式振动能量采集基于法拉第电磁感应定律，通过外界振动改变磁通量，采集线圈中产生的感应电流。因此，电磁式振动能量采集一般会采用线圈，弹簧及磁体的设计。电磁式振动能量采集效率高，但体积较大，为器件微型化增加了难度。
技术实现思路
本技术提供一种自供电三轴加速度传感器，以解决传统的压电式加速度传感器需要电源为其信号输出提供电流的问题，在无源检测的基础上实现无源传输。本技术采取的技术方案是：四根悬臂梁两两垂直，呈十字形分布，在每根悬臂梁的末端固定连接有压电层、自由端附有同一基质量块，悬臂梁末端与支撑结构相连，基质量块的正下方固定连接辅助质量块，辅助质量块下方固定连接永磁体，在永磁体的正下方、支撑结构内底面上方固定连接有电磁感应线圈，在电磁感应线圈外围有磁屏蔽层。磁屏蔽层在四根悬臂梁下方留有槽，槽的宽度应略大于悬臂梁的宽度，槽的深度应略大于在受到Z轴方向的加速度时，悬臂梁在Z轴方向的最大位移。所述基质量块与磁屏蔽层的距离，应大于在受到X，Y轴方向的加速度时，基质量块、辅助质量块和永磁体在X，Y轴方向的最大位移；在满足上述要求下，应尽量减小基质量块与磁屏蔽层的距离。所述的磁屏蔽层为圆柱形腔体。本技术的优点是：将电磁式振动能量采集中所需要的磁体设计为压电三轴加速度传感器中悬臂梁的基质量块的一部分，规避了电磁式振动能采集体积较大的缺点，在实现自供电的同时，整个装置体积并无太大变化。本技术所提出的自供电三轴加速度传感器，为ICP(Integratedcircuitspiezoelectric)传感器的无源检测和传输提供了解决方案。同时，加工工艺简单，器件整体结构易实现，成本低，可批量生产。附图说明图1是本技术的结构示意图；图2是本技术的剖视图；图3是本技术的截面图；图4是本技术的基于磁干扰数值补偿的检测方法示意图。具体实施方式如图1、2所示，包括：悬臂梁1、压电层2、基质量块3、辅助质量块4、永磁体5、电磁感应线圈6、磁屏蔽层7和支撑结构8。四根悬臂梁1两两垂直，呈十字形分布，如图1所示，在每根悬臂梁1的末端固定连接有压电层2、自由端附有同一基质量块3，悬臂梁1与基质量块3为一体加工而成，悬臂梁1末端与支撑结构8相连，悬臂梁1与支撑结构8可由一体加工而成；当悬臂梁1与支撑结构8选用不同材料时，悬臂梁1末端可通过螺栓连接固定于支撑结构上，螺栓所用材料为非磁性的绝缘材料如尼龙(Polyamide，PA)等；基质量块3的正下方固定连接辅助质量块4，辅助质量块4下方固定连接永磁体5；在永磁体5的正下方、支撑结构8内底面上方固定连接有电磁感应线圈6，在电磁感应线圈6外围有磁屏蔽层7。磁屏蔽层7在四根悬臂梁1下方留有槽，槽的宽度应略大于悬臂梁1的宽度，槽的深度应略大于在受到Z轴方向的加速度时，悬臂梁1在Z轴方向的最大位移。所述基质量块3与磁屏蔽层7的距离，应大于在受到X，Y轴方向的加速度时，基质量块3、辅助质量块4和永磁体5在X，Y轴方向的最大位移；在满足上述要求下，应尽量减小基质量块与磁屏蔽层的距离。所述永磁体5为钕铁硼(Nd2Fe14B)等；所述的辅助质量块4为密度低于永磁体5的材料，如有机玻璃(Polymethylmethacrylate,PMMA)等；或为含有空心层设计的结构；其作用是降低质心，使得当传感器受到X，Y轴方向的加速度时，包括基质量块，永磁体和辅助质量块在内的振动结构扭转幅度增大。其有益效果是当受到X或Y轴方向加速度时，永磁体的扭转幅度增大，电磁感应线圈内产生的感应电流增大，从而使得传感器在受到X，Y轴加速度时，也可以采集可观的电能。所述电磁感应线圈6所用材料为铜、铝等；当受到Z轴方向的加速度时，永磁体会在Z轴方向运动，使电磁感应线圈内产生感应电流。所述电磁感应线圈6的具体位置，可环绕在永磁体5四周；或应用在微制造领域时，以平面线圈的形式固定连接于永磁体5下方。所述的磁屏蔽层7为磁导率较高的材料，如软铁，硅钢，坡莫合金等；所述的磁屏蔽层7为圆柱形腔体。工作原理为：当受到外界加速度时，悬臂梁1自由端基质量块会产生振动，相应地，悬臂梁1会受到基质量块的拉力或压力，悬臂梁1上的压电层2由压电效应会产生电信号，当受到Z轴方向的加速度时，四根悬臂梁1的受力情况相同，因此四根悬臂梁1上的压电层2输出的电信号相同；当受到X或Y轴方向的加速度时，处于该方向轴上的两根悬臂梁1受到沿轴方向的大小相同，方向相反的力，同时两根悬臂梁1上的压电层2产生大小相同，方向相反的电信号，而另两根处于与加速度方向垂直的轴上的悬臂梁1受到相同的扭转，其压电层2有相同的电信号输出，对任意方向的加速度，通过将四根悬臂梁1输出的压电信号u1(t),u2(t),u3(t),u4(t)进行解耦，从而分解出X，Y，Z三轴对应的加速度；自供电单元工作原理为：当受到Z轴方向的加速度时，永磁体5会在Z轴方向振动，永磁体5下方的电磁感应线圈6内磁通量发生变化，产生感应电流，当受到X，Y轴方向的加速度时，由于辅助质量块4降低了质量块的质心，永磁体5会在X，Y轴方向产生较大扭转，永磁体5下方的电磁感应线圈6内磁通量发生变化，产生感应电流，采集的感应电流被存入存储电容中，当需要将检测的信号传输时，储能电容放电，输出稳定电流，为传感器供电，将输出信号调理为标准信号，并将其传输到接收端。由于电磁感应线圈对加速度传感器检测精度存在影响，本技术提出了一种基于数值补偿的检测方法。根据能量守恒定理，电磁感应线圈采集的电能，忽略空气阻尼等因素，等于加速度传感器振动结构(四根悬臂梁1、压电层2、基质量块3、辅助质量块4、永磁体5)损失的动能。振动结构的动能和电磁感应线圈的采集的电能表达式如下：式中m为振动结构的质量，V为振动结构的速度，a为测得的加速度，i，R，L分别为电磁感应线圈6中产生的感应电流、内阻和电感，t为时间。对实际加速度a0，由E动0＝E动+E线圈，有：即：由(3)式可知，求解实际加速度a0(t)需要得到a(t)和i(t)，a(t)通过接收端解耦收到的u1(t),u2(t),u3(t),u4(t)四个压电信号得到；感本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自供电三轴加速度传感器，包括：悬臂梁、压电层、基质量块以及支撑结构，其中四根悬臂梁两两垂直，呈十字形分布，在每根悬臂梁的末端固定连接有压电层、自由端附有同一基质量块，悬臂梁末端与支撑结构相连，其特征在于：基质量块的正下方固定连接辅助质量块，辅助质量块下方固定连接永磁体，在永磁体的正下方、支撑结构内底面上方固定连接有电磁感应线圈，在电磁感应线圈外围有磁屏蔽层。

【技术特征摘要】
1.一种自供电三轴加速度传感器，包括：悬臂梁、压电层、基质量块以及支撑结构，其中四根悬臂梁两两垂直，呈十字形分布，在每根悬臂梁的末端固定连接有压电层、自由端附有同一基质量块，悬臂梁末端与支撑结构相连，其特征在于：基质量块的正下方固定连接辅助质量块，辅助质量块下方固定连接永磁体，在永磁体的正下方、支撑结构内底面上方固定连接有电磁感...

【专利技术属性】
技术研发人员：王东方，朱逸凡，杨旭，傅宇鹏，宋杰，洪婧，储泽轩，吕诚，苑文楼，曹曦，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：新型
国别省市：吉林,22