專利名稱：一種多維位移加速度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種相對(duì)位置、角度與加速度測(cè)量裝置，具體涉及一種多維位移加速度傳感器。
背景技術(shù)：
目前，已知的位移傳感器，角度傳感器，加速度傳感器多為分立元件。當(dāng)一個(gè)產(chǎn)品， 需要應(yīng)用上述功能時(shí)，例如具有鼠標(biāo)指針的手持設(shè)備，為了達(dá)到良好的操控效果，多使用軌跡球或光電圖像傳感器。這些傳感器大部分為相對(duì)位置測(cè)量，即手指劃動(dòng)一下，鼠標(biāo)指針便移動(dòng)一段距離。雖然可以達(dá)到很好的效果，但在靈活性方面還有不足。如果還想同時(shí)具備加速度與角度感應(yīng)功能，則還需要增加旋轉(zhuǎn)編碼器和加速度模塊。中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枮?200610109056.6的專利集成了位移、角度、加速度傳感三種功能。但還存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、生產(chǎn)難度大、生產(chǎn)成本高等問(wèn)題，而且不利于實(shí)現(xiàn)類似力反饋功能的擴(kuò)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低、 功能全面的多維位移加速度傳感器。本發(fā)明所述的一種多維位移加速度傳感器，其特征在于，磁體(3)的一側(cè)固定有測(cè)量元件組，測(cè)量元件組處于磁體(3)的磁場(chǎng)中，磁體C3)可以在其所處的平面上移動(dòng)，在磁體C3)移動(dòng)過(guò)程中，所述測(cè)量元件組通過(guò)測(cè)量所述磁體C3)所在位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)方向獲得所述磁體C3)相對(duì)所述測(cè)量元件組的位置和轉(zhuǎn)角。所述測(cè)量元件組包括磁敏元件(1)和距離測(cè)量元件(2)。所述磁敏元件(1)為至少三個(gè)，平均分布在測(cè)量元件組上。所述距離測(cè)量元件(2)為至少一個(gè)。所述距離測(cè)量元件( 可以為觸點(diǎn)開關(guān)元件、電容傳感器、電感傳感器、壓電傳感器或應(yīng)變傳感器。所述磁體(3)為永磁鐵。所述磁鐵(3)為一側(cè)包含至少4個(gè)磁極的永磁鐵。
所述磁極的S極和N極交替排列。所述磁敏元件(1)作為水平位移測(cè)量和旋轉(zhuǎn)角度的測(cè)量，所述距離測(cè)量元件(2) 作為垂直方向上的位移和傾角測(cè)量，通過(guò)檢測(cè)單位時(shí)間內(nèi)所述磁體C3)不同方向移動(dòng)的距離來(lái)實(shí)現(xiàn)多維加速度測(cè)量。利用電感傳感器的電磁效應(yīng)或壓電傳感器的逆壓電效應(yīng)，通過(guò)為距離測(cè)量元件 (2)施加電流使其控制磁體(3)產(chǎn)生位移，實(shí)現(xiàn)力反饋。本發(fā)明的有益效果是1.集成了位移、角度、加速度傳感三種功能；2.利于實(shí)現(xiàn)類似力反饋功能的擴(kuò)展；
3.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例1中磁體的磁極分布示意圖2是本發(fā)明實(shí)施例1中測(cè)量元件組示意圖3是本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖4是本發(fā)明實(shí)施例1的磁體與磁敏元件的曲線圖
圖5是圖3X軸方向上的側(cè)視圖6是圖3Y軸方向上的側(cè)視圖7是本發(fā)明實(shí)施例3中測(cè)量元件組示意圖8是本發(fā)明實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖9是圖8Y軸方向上的側(cè)視圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施例1 如圖1所示，磁體3為一側(cè)包含4個(gè)磁極的圓形永磁鐵，磁極的S極32和N極31 交替排列，4極永磁鐵可以通過(guò)對(duì)同一個(gè)磁性材料做多極磁化或由多塊扇形磁體組合在一起得到。如圖2所示，測(cè)量元件組由4個(gè)磁敏元件1與4個(gè)距離測(cè)量元件2組成，磁敏元件 1可以是霍爾效應(yīng)元件，也可以是磁阻元件。磁敏元件la、lb、lc、Id和距離測(cè)量元件h、2b、 2c,2d平均分布在測(cè)量元件組上。磁敏元件1在磁體3的N極靠近磁敏元件1時(shí)輸出電信號(hào)，包括電壓、電阻或頻率。 所述電信號(hào)通過(guò)采集電路轉(zhuǎn)換后輸出的數(shù)據(jù)B > 0 ；磁敏元件1在磁體3的S極靠近磁敏元件1時(shí)，輸出數(shù)據(jù)B < 0 ；磁體3的N極與S極中心分割線靠近磁敏元件1時(shí)輸出數(shù)據(jù)B =0。如圖3所示，將磁體3放置在測(cè)量元件組一側(cè)，并覆蓋住測(cè)量元件組。磁敏元件la、 lb、lc、Id和距離測(cè)量元件2a、2b、2c、2d分別在磁極分割線31與32所對(duì)應(yīng)的正Y軸、負(fù)X 軸、負(fù)Y軸、正X軸上。當(dāng)磁敏元件la、Ib、Ic、Id和距離測(cè)量元件2a、沘、2c、2d到磁極分割線31與32交點(diǎn)的距離相等時(shí)，磁敏元件la、lb、lc、ld輸出的數(shù)據(jù)Ba, Bb, Be, Bd都為0。如圖4所示，當(dāng)磁體3在磁敏元件1上移動(dòng)距離M時(shí)，磁敏元件1輸出的數(shù)據(jù)B為曲線C，可以得到接近線性的區(qū)域P。限制磁體3移動(dòng)范圍，使磁敏元件1輸出數(shù)據(jù)B在P 區(qū)域內(nèi)即可測(cè)量磁體3相對(duì)磁敏元件1的位置。M = K(B) (1)式中，M磁敏元件1相對(duì)磁體3的S極與N極中心分割線的位移距離；B為磁敏元件1輸出的數(shù)據(jù)；K為磁敏元件1輸出的數(shù)據(jù)B與磁體3位移距離M的系數(shù)(函數(shù))。如圖3、圖5和圖6所示，磁體3按順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，磁敏元件Ia與Ic同時(shí)靠近N極輸出的數(shù)據(jù)Ba = Bc > 0，磁敏元件Ib與Id同時(shí)靠近S極輸出的數(shù)據(jù)Bb = Bd < 0 ；磁體 3逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)磁敏元件Ia與Ic同時(shí)靠近S極輸出的數(shù)據(jù)Ba = Bc < 0，磁敏元件Ib與Id同時(shí)靠近N極輸出的數(shù)據(jù)恥=Bd > 0。通過(guò)公式2可得到磁體3轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，通過(guò)正、 負(fù)號(hào)可以確定磁體3是順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)還是逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。
Rcp=arctan(K((Ba+Bb+Bc+Bd)/4)/D)(2 )式中，Rcp為轉(zhuǎn)動(dòng)角度；arctan為反余弦函數(shù)；K為磁敏元件1輸出的數(shù)據(jù)B與磁體 3在X，Y方向上位移距離M的系數(shù)；Ba，Bb, Be, Bd為磁敏元件la，lb, lc, Id輸出的數(shù)據(jù)；D 為設(shè)計(jì)時(shí)磁敏元件1距離磁體中心的距離。由公式2可計(jì)算出磁體3在以Z軸為軸心轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，即磁體3 N極與S極中心分割線與相對(duì)坐標(biāo)軸的夾角，通分過(guò)兩次讀取轉(zhuǎn)動(dòng)角度與讀取時(shí)間間隔進(jìn)行計(jì)算可得出磁體3的轉(zhuǎn)角加速度。當(dāng)磁體3向正X方向移動(dòng)時(shí)，磁敏元件Ia的正面靠近磁體N極輸出的數(shù)據(jù)Ba > 0，磁敏元件Ic靠近磁體S極輸出的數(shù)據(jù)Bc < 0，磁敏元件Ib與Id相對(duì)磁體N極與S極的位置不變，保持在磁體N極與S極中心分割線上輸出的數(shù)據(jù)恥=Bd = 0。磁體3向負(fù)X 方向移動(dòng)時(shí)，磁敏元件Ia的正面靠近磁體S極輸出的數(shù)據(jù)Ba < 0，磁敏元件Ic靠近磁體N 極輸出的數(shù)據(jù)Bc > 0，磁敏元件Ib與Id相對(duì)磁體N極與S極的位置不變，保持在磁體N極與S極中心分割線上輸出的數(shù)據(jù)恥=Bd = 0。Mx = K ((Ba-Bc) /2) (3)式中，Mx為磁體3在X方向上的移動(dòng)距離；K為傳磁敏元件1輸出的數(shù)據(jù)B與磁體 3在X，Y方向上位移距離M的系數(shù)；Ba，Bc為磁敏元件la，Ic輸出的數(shù)據(jù)。由公式3可計(jì)算出磁體3在X方向上的移動(dòng)距離，通過(guò)分兩次讀取磁體3的位移距離，與讀取時(shí)間間隔進(jìn)行計(jì)算可得出磁體3在X方向上的加速度。當(dāng)磁體3向正Y方向移動(dòng)時(shí)，磁敏元件Id的正面靠近磁體N極輸出的數(shù)據(jù)Bd > 0，磁敏元件Ib靠近磁體S極輸出的數(shù)據(jù)恥< 0，磁敏元件Ia與Ic相對(duì)磁體N極與S極的位置不變，保持在磁體N極與S極中心分割線上輸出的數(shù)據(jù)Ba = Bc = 0。磁體3向負(fù)Y 方向移動(dòng)時(shí)，磁敏元件Id的正面靠近磁體S極輸出的數(shù)據(jù)Bd < 0，磁敏元件Ib靠近磁體N 極輸出的數(shù)據(jù)恥> 0，磁敏元件Ia與Ic相對(duì)磁體N極與S極的位置不變，保持在磁體N極與S極中心分割線上輸出的數(shù)據(jù)Ba = Bc = 0。My = K ((Bb-B d) /2) (4)式中，My為磁體3在Y方向上的移動(dòng)距離；K為磁敏元件1輸出的數(shù)據(jù)B與磁體3 在X，Y方向上位移距離M的系數(shù)；Bb，Bd為磁敏元件lb，Id輸出的數(shù)據(jù)由公式4可計(jì)算出磁體3在Y方向上的移動(dòng)距離，通過(guò)分兩次讀取磁體3的位移距離，與讀取時(shí)間間隔進(jìn)行計(jì)算可得出磁體3在Y方向上的加速度。實(shí)施例2 如圖6、圖7、圖8和圖9所示，距離測(cè)量元件2的數(shù)量為1個(gè)，磁體3與距離測(cè)量元件2的距離發(fā)生變化時(shí)通過(guò)讀取距離測(cè)量元件2輸出數(shù)據(jù)T得到磁體3在Z方向上的位移Mz = K (T) (5)式中，Mz為磁體Z方向上的移動(dòng)距離；T為距離測(cè)量元件2的輸出數(shù)據(jù)；K為距離測(cè)量元件2輸出數(shù)據(jù)T與磁體3在Z方向上位移M的系數(shù)。
由公式5可計(jì)算出磁體3在Z方向上的移動(dòng)距離，通過(guò)分兩次讀取磁體3的位移距離，與讀取時(shí)間間隔進(jìn)行計(jì)算可得出磁體3在Z方向上的加速度。實(shí)施例3 如圖3所示，所述距離測(cè)量元件2的數(shù)量為4個(gè)，圖5所示磁體3與距離測(cè)量元件 2a, 2c的距離為ta，tc，圖9所示磁體3與距離測(cè)量元件2b，2d的距離為tb，td。Kx = arctan ((Mb-Md) /D) (6)Ky = arctan ((Ma-Mc) /D) (7)Kz = (Ma+Mc+Mb+Md) /4(8)式中，Kx為磁體3在X軸方向上的傾斜角度，通過(guò)正、負(fù)號(hào)決定磁體3是向正X軸方向傾斜還是向負(fù)X軸方向傾斜；Ky為磁體3在Y軸方向上的傾斜角度，通過(guò)正、負(fù)號(hào)決定磁體3是向正Y軸方向傾斜還是向負(fù)Y軸方向傾斜；Kz為磁體3到距離測(cè)量元件2的平均距離；Ma、Mb、Mc、Md分別為磁體3到距離測(cè)量元件h、2b、2c、2d的距離；D為設(shè)計(jì)時(shí)距離測(cè)量元件加與2c，2b與2d的距離。由公式6和公式7可計(jì)算出磁體3在X軸與Y軸方向上的傾斜角度，通過(guò)分兩次讀取磁體3的傾斜角度，與讀取時(shí)間間隔進(jìn)行計(jì)算可得出磁體3在X軸與Y軸方向上的傾角加速度。由公式8可計(jì)算出磁體3在Z方向上的移動(dòng)的平均距離，通過(guò)分兩次讀取磁體3 的位移距離，與讀取時(shí)間間隔進(jìn)行計(jì)算可得出磁體3在Z方向上的加速度。實(shí)施例4:所述距離測(cè)量元件2為電感傳感器，由于磁體3為磁導(dǎo)率比較高的材料制成，當(dāng)磁體3與距離測(cè)量元件2的距離發(fā)生變化時(shí)，距離測(cè)量元件2的電感量或磁阻會(huì)發(fā)生變化。 測(cè)量距離測(cè)量元件2輸出的數(shù)據(jù)并通過(guò)實(shí)施例1可得到磁體相對(duì)Z軸的位移與加速度。為距離測(cè)量元件2施加電流使距離測(cè)量元件2可作為電磁體使用，調(diào)整距離測(cè)量元件2的線圈方向使其在通入正向電流時(shí)靠近磁體3 —側(cè)為N極，通入負(fù)向電流時(shí)靠近磁體3 —側(cè)為 S極。為距離測(cè)量元件加通入正向電流，2c通入負(fù)向電流。此時(shí)加靠近磁體3 —側(cè)為 N極，2c靠近磁體3 —側(cè)為S極，在加與2c處為磁體3施加一個(gè)方向?yàn)樨?fù)X的力，磁體3 向負(fù)X方向移動(dòng)。為距離測(cè)量元件加通入負(fù)向電流，2c通入正向電流。此時(shí)加靠近磁體3 —側(cè)為 S極，2c靠近磁體3 —側(cè)為N極，在加與2c處為磁體3施加一個(gè)方向?yàn)檎齒的力磁體3向正X方向移動(dòng)。為距離測(cè)量元件2b通入正向電流，2d通入負(fù)向電流。此時(shí)2b靠近磁體3 —側(cè)為 N極，2d靠近磁體3 —側(cè)為S極，在2b與2d處為磁3體施加一個(gè)方向?yàn)檎齓的力磁體3向正Y方向移動(dòng)。為距離測(cè)量元件加通入負(fù)向電流，2c通入正向電流。此時(shí)加靠近磁體3 —側(cè)為 S極，2c靠近磁體3 —側(cè)為N極，在加與2c處為磁體3施加一個(gè)方向?yàn)樨?fù)Y的力磁體3向負(fù)Y方向移動(dòng)。為距離測(cè)量元件加與2c同時(shí)通入正向電流，此時(shí)加與2b靠近磁體3 —側(cè)都為 N極，加處為磁體3施加一個(gè)方向?yàn)樨?fù)X方向的力，2c處為磁體3施加一個(gè)正X方向的力，此時(shí)磁體3逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。為距離測(cè)量元件加與2c同時(shí)通入負(fù)向電流，此時(shí)加與2b靠近磁體3 —側(cè)都為 S極，加處為磁體3施加一個(gè)方向?yàn)檎齒方向的力，2c處為磁體3施加一個(gè)負(fù)X方向的力， 此時(shí)磁體3順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。實(shí)施例5 所述距離測(cè)量元件2為電容傳感器，當(dāng)磁體接觸距離測(cè)量元件2并為距離測(cè)量元件2施加一定的力時(shí)，改變了距離測(cè)量元件2兩電極間的距離使距離測(cè)量元件2的電容發(fā)生變化，測(cè)量電容變化通過(guò)實(shí)施例1計(jì)算出磁體相對(duì)距離測(cè)量元件2在Z軸上的位移與加速度。實(shí)施例6:所述距離測(cè)量元件2為壓電傳感器，利用壓電材料的壓電效應(yīng)，當(dāng)磁體接觸距離測(cè)量元件2并為距離測(cè)量元件2施加一定的力時(shí)。距離測(cè)量元件2的體積發(fā)生變化，距離測(cè)量元件2兩端產(chǎn)生電壓，測(cè)量距離測(cè)量元件2數(shù)據(jù)通過(guò)實(shí)施例1計(jì)算出磁體相對(duì)距離測(cè)量元件2在Z軸上的位移與加速度。利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，為相應(yīng)距離測(cè)量元件2 通入電流可使距離測(cè)量元件2的體積向Z方向變大或縮小從而推動(dòng)磁體3不同位置在Z方向產(chǎn)生位移。實(shí)施例7 所述距離測(cè)量元件2為觸點(diǎn)開關(guān)元件，當(dāng)磁體3與距離測(cè)量元件2接觸并使距離減小到某特定點(diǎn)時(shí)，開關(guān)閉合。當(dāng)磁體3與距離測(cè)量元件2的距離大到某一特定點(diǎn)時(shí)，開關(guān)斷開。通過(guò)監(jiān)視開關(guān)的狀態(tài)可以判斷磁體3到距離測(cè)量元件2的位置變化。實(shí)施例8 所述距離測(cè)量元件2為應(yīng)變傳感器，當(dāng)磁體3與距離測(cè)量元件2接觸并施加一定壓力時(shí)，應(yīng)變?cè)l(fā)生形變使輸出數(shù)據(jù)發(fā)生變化。測(cè)量距離測(cè)量元件2數(shù)據(jù)通過(guò)實(shí)施例1 計(jì)算出磁體相對(duì)距離測(cè)量元件2在Z軸上的位移與加速度。
權(quán)利要求
1.一種多維位移加速度傳感器，其特征在于，磁體(3)的一側(cè)固定有測(cè)量元件組，測(cè)量元件組處于磁體C3)的磁場(chǎng)中，磁體C3)可以在其所處的平面上移動(dòng)，在磁體C3)移動(dòng)過(guò)程中，所述測(cè)量元件組通過(guò)測(cè)量所述磁體C3)所在位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)方向獲得所述磁體 (3)相對(duì)所述測(cè)量元件組的位置和轉(zhuǎn)角。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多維位移加速度傳感器，其特征在于，所述測(cè)量元件組包括磁敏元件(1)和距離測(cè)量元件(2)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種多維位移加速度傳感器，其特征在于，所述磁敏元件(1) 為至少三個(gè)，平均分布在測(cè)量元件組上。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種多維位移加速度傳感器，其特征在于，所述距離測(cè)量元件(2)為至少一個(gè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或4任1項(xiàng)所述的一種多維位移加速度傳感器，其特征在于，所述距離測(cè)量元件( 可以為觸點(diǎn)開關(guān)元件、電容傳感器、電感傳感器、壓電傳感器或應(yīng)變傳感ο
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多維位移加速度傳感器，其特征在于，所述磁體C3)為永磁鐵。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多維位移加速度傳感器，其特征在于，所述磁鐵C3)為一側(cè)包含至少4個(gè)磁極的永磁鐵。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種多維位移加速度傳感器，其特征在于，所述磁極的S極和 N極交替排列。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多維位移加速度傳感器，其特征在于，所述磁敏元件(1) 作為水平位移測(cè)量和旋轉(zhuǎn)角度的測(cè)量，所述距離測(cè)量元件( 作為垂直方向上的位移和傾角測(cè)量，通過(guò)檢測(cè)單位時(shí)間內(nèi)所述磁體C3)不同方向移動(dòng)的距離來(lái)實(shí)現(xiàn)多維加速度測(cè)量。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多維位移加速度傳感器，其特征在于，利用電感傳感器的電磁效應(yīng)或壓電傳感器的逆壓電效應(yīng)，通過(guò)為距離測(cè)量元件( 施加電流使其控制磁體 (3)產(chǎn)生位移，實(shí)現(xiàn)力反饋。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種相對(duì)位置、角度與加速度測(cè)量裝置。一種多維位移加速度傳感器，磁體的一側(cè)固定有測(cè)量元件組，測(cè)量元件組處于磁體的磁場(chǎng)中，磁體可以在其所處的平面上移動(dòng)，在磁體移動(dòng)過(guò)程中，所述測(cè)量元件組通過(guò)測(cè)量所述磁體所在位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)方向獲得所述磁體相對(duì)所述測(cè)量元件組的位置和轉(zhuǎn)角。所述測(cè)量元件組包括磁敏元件和距離測(cè)量元件。本發(fā)明集成了位移、角度、加速度傳感三種功能；利于實(shí)現(xiàn)類似力反饋功能的擴(kuò)展；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低。
文檔編號(hào)G01P15/02GK102262167SQ201110191879
公開日2011年11月30日 申請(qǐng)日期2011年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月8日
發(fā)明者張峰 申請(qǐng)人:張峰