六维加速度传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种六维加速度传感器，包括惯性质量球平台、下平台、贴片和六根支链，六根支链等分成三组，三组支链与惯性质量球平台的连接点均位于惯性质量球平台最大直径的水平圆周上、且均匀分布，三组支链与下平台的连接点位于同一圆周上、且均匀分布，每根支链均包括一弹性连接杆和位于弹性连接杆两端的圆柱型铰链，圆柱型铰链与弹性连接杆共轴心线，惯性质量球平台、下平台、六根支链、凸台采用一体化加工，特征是：在每个弹性连接杆上开设一贯穿的孔，孔的轴心线与六根弹性连接杆所在的圆台侧面垂直，对应于每个孔均设置两个对称的贴片，每个贴片均沿弹性连接杆的轴心线方向附着在孔的内壁上。本发明专利技术设计误差小、动态特性好，响应快、精度高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种六维加速度传感器，具体地说是一种基于新型并联结构，并引入 应力集中系数法的六维加速度传感器，属于测试技术与控制领域。
技术介绍
六维加速度传感器是传感器研究领域的难点，国内外文献报导和专利申请的很少 是因为很难构造能同时测量三维线加速度和三维角加速度的弹性元件，目前主要集中在三 维以下加速度传感器的研制上，而且技术成熟已经产品化。六维加速度传感器的研究国内外还处于探索研究阶段，典型的弹性元件结构 有美国Maryland大学研制的超导六维加速度传感器，用于轨道空间，研制成本高；日本 Ritsumeikan大学采用MEMS技术研究的双质量块和四悬臂梁结构，中科院合肥智能所研究 的双膜片十字梁结构，其结构参数的设计以有限元仿真为主要的方法，缺乏成熟的设计理 论；重庆大学研究的组合式六维加速度传感器，封装体积相对较大，单轴加速度传感器的累 积误差和安装误差需要校正；也有采用并联机构作为弹性元件研制六维加速度传感器(专 利申请号 CN200710061723. 2，CN200710061724. 7，CN200910025673. 1，CN200910025674. 6)， 有一整套成熟的设计理论，有良好的各向同性，标定解耦效果明显，但是以并联机构作为弹 性元件必须解决以下2个主要问题1.理论模型实体化的过程中，带来的结构误差影响各 连接杆上的应力和应变值，最终影响传感器的测量精度。2.并联机构的特点是刚度大，承载 力大，但是对于弹性元件来讲，刚度大必然导致各连接杆上的应变值很小，会大大降低测量 电路的信噪比，最终也会影响到传感器的测量精度。而上述基于并联机构的六维加速度传 感器或者在解决理论模型实体化的过程中没有解决并联机构刚度大带来的影响，或者在解 决第二个问题时使机构结构复杂，增加了加工难度，导致加工精度不高也会影响到传感器 的测量精度。
技术实现思路
本专利的目的是提供一种能克服上述缺陷、设计误差小、体积小、动态特性好，响 应快、精度高的六维加速度传感器。其技术方案为包括惯性质量球平台、下平台、贴片、连接于惯性质量球平台和下平台的六根支 链，其中惯性质量球平台的中心与下平台的中心的连线垂直于下平台，六根支链等分成三 组，三组支链与惯性质量球平台的连接点均位于惯性质量球平台最大直径的水平圆周上、 且均勻分布，每组中的两根支链与惯性质量球平台的连接点之间夹角为a，三组支链与下 平台的连接点位于同一圆周上、且均勻分布，每组中的两根支链与下平台的连接点之间夹 角为3，每根支链均包括一弹性连接杆和位于弹性连接杆两端的圆柱型铰链，圆柱型铰链 与弹性连接杆共轴心线，圆柱型铰链对应经凸台与惯性质量球平台或下平台连接，凸台与 圆柱型铰链连接的端面与圆柱型铰链的轴心线垂直，惯性质量球平台、下平台、六根支链、 凸台采用一体化加工，其特征在于在每个弹性连接杆上开设一贯穿的孔，孔的轴心线与六根弹性连接杆轴心线所在的圆台侧面垂直，对应于每个孔均设置两个对称的贴片，每个贴 片均沿弹性连接杆的轴心线方向附着在孔的内壁上，且贴片的中心位于孔深的1/2处、两 贴片关于惯性质量球平台中心、下平台中心和孔轴线构成的平面对称。所述的六维加速度传感器，孔的横截面可为圆形、正方形、长方形、椭圆形或卵圆 形，孔是为了引入应力集中而开设的，只要能保证弹性连接杆在弹性范围内产生应力集中， 工艺可行，贴片方便，任何形状的孔或者凹槽均可。所述的六维加速度传感器，孔的轴心线过弹性连接杆轴心线的中点。所述的六维加速度传感器，六维加速度传感器通常采用的材料有铍青铜、钛合 金、聚丙烯、铝青铜、锡青铜、硅青铜、黄铜或者铝合金，材料的强度和刚度比越大，材料的弹 性就越好且不易破坏，就越适合做传感器的弹性元件。其工作原理是下平台固定在被检测件上，当被检测件运动带来的加速度，使惯性 质量球平台在质心处产生广义惯性力，通过圆柱型铰链的变形加在弹性连接杆上，此时弹 性连接杆上会因为变形而产生应变，并联机构刚度大的特点使得弹性连接杆上的应变值很 小，导致测量电桥电路的信噪比很低，严重影响了传感器的测量精度，所以本专利技术引入应力 集中系数能有效克服此缺陷。构件上的应力分布不均，在部分区域会产生应力峰值的情况，称为应力集中，用应 力集中系数表示，是防止构件失效，计算应力集中处的最大应力而采用的。本专利技术通过在弹 性连接杆上开设孔，将应力集中引入到弹性连接杆的设计上来，正是利用应力集中处应力 增大的原理，来减小并联机构大刚度对各弹性杆的影响，增大连接杆上的局部应力，从而达 到增大应变值，改善输出信号信噪比的目的，为标定系统提供可靠的信号源。本专利技术与现有技术相比，其优点是1、本专利技术在重新设计柔性铰链的基础上，使弹性元件的实体模型和理论模型更趋 于一致，理论设计误差小。2、本专利技术采用一体化加工，可以小型化甚至微型化，动态特性好，响应快。3、本专利技术将应力集中系数法引入到传感器弹性元件的机构设计上来，保证弹性连 接杆在线弹性的范围内，增大了连接杆上的应力应变值，克服了并联机构用作传感器弹性 元件，其刚度大的特点导致连接杆上应变值小的弊端，增加了测量电路的信噪比，提高了传 感器的测量精度。附图说明图1是本专利技术实施例的结构示意图；图2是图1所示实施例中A部分放大的结构示意图；图3是图1所示实施例中B部分放大的结构示意图；图4是本专利技术支链实施例的结构示意图；图5是图4所示实施例中支链在位于孔轴心线处的横截面示意图；图6是本专利技术设有孔的弹性连接杆实施例的结构示意图；图7、图8是本专利技术设有孔的弹性连接杆另外实施例的结构示意图。图中1惯性质量球平台 2、下平台 3、贴片 4、弹性连接杆 5圆柱型铰链 6、凸台7、孔具体实施例方式在图1 5所示的实施例中惯性质量球平台1的中心与下平台2的中心的连线 垂直于下平台2，六根支链等分成三组，三组支链与惯性质量球平台1的连接点均位于惯性 质量球平台1最大直径的水平圆周上、且均勻分布，每组中的两根支链与惯性质量球平台1 的连接点之间夹角为30°，三组支链与下平台2的连接点位于同一圆周上、且均勻分布，每 组中的两根支链与下平台2的连接点之间夹角为90°，每根支链均包括一弹性连接杆4和 位于弹性连接杆4两端的圆柱型铰链5，弹性连接杆4的横截面呈矩形，圆柱型铰链5与弹 性连接杆4共轴心线，圆柱型铰链5对应经凸台6与惯性质量球平台1或下平台2连接，凸 台6与圆柱型铰链5连接的端面与圆柱型铰链5的轴心线垂直，惯性质量球平台1、下平台 2、六根支链、凸台6采用一体化加工，材质选用铜，在每个弹性连接杆4上开设一贯穿的圆 柱形的孔7，孔7的轴心线位于弹性连接杆4轴心线的中心，且与六根弹性连接杆4的轴心 线所在的圆台侧面垂直，对应于每个孔7均设置两个对称的贴片3，每个贴片3均沿弹性连 接杆4的轴心线方向附着在孔7的内壁上，且贴片3的中心位于孔7深的1/2处、两贴片3 关于惯性质量球平台1中心、下平台2中心和孔7轴线构成的平面对称。结合本实施例和图6具体说明应力集中系数的选取方法，并给出引入应力集中系 数的效果。应力集中系数a= om/o。，其中表示最大应力或者峰值应力，％表示基准 应力其选取方法不同，应力集中系数的值不同，结合图6说明本专利应力集中系数的选取 方法本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种六维加速度传感器，包括惯性质量球平台（１）、下平台（２）、贴片（３）、连接于惯性质量球平台（１）和下平台（２）的六根支链，其中惯性质量球平台（１）的中心与下平台（２）的中心的连线垂直于下平台（２），六根支链等分成三组，三组支链与惯性质量球平台（１）的连接点均位于惯性质量球平台（１）最大直径的水平圆周上、且均匀分布，每组中的两根支链与惯性质量球平台（１）的连接点之间夹角为α，三组支链与下平台（２）的连接点位于同一圆周上、且均匀分布，每组中的两根支链与下平台（２）的连接点之间夹角为β，每根支链均包括一弹性连接杆（４）和位于弹性连接杆（４）两端的圆柱型铰链（５），圆柱型铰链（５）与弹性连接杆（４）共轴心线，圆柱型铰链（５）对应经凸台（６）与惯性质量球平台（１）或下平台（２）连接，凸台（６）与圆柱型铰链（５）连接的端面与圆柱型铰链（５）的轴心线垂直，惯性质量球平台（１）、下平台（２）、六根支链、凸台（６）采用一体化加工，其特征在于：在每个弹性连接杆（４）上开设一贯穿的孔（７），孔（７）的轴心线与六根弹性连接杆（４）所在的圆台侧面垂直，对应于每个孔（７）均设置两个对称的贴片（３），每个贴片（３）均沿弹性连接杆（４）的轴心线方向附着在孔（７）的内壁上，且贴片（３）的中心位于孔（７）深的１／２处、两贴片（３）关于惯性质量球平台（１）中心、下平台（２）中心和孔（７）轴线构成的平面对称。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：于春战，张新义，
申请(专利权)人：山东理工大学，
类型：发明
国别省市：37[中国|山东]