仿耳石器結(jié)構(gòu)的直線加速度傳感器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種仿耳石器結(jié)構(gòu)的直線加速度傳感器，其構(gòu)成，剛性殼體、柔性彈性體，固定在剛性殼體底部的多根并聯(lián)在一起的含金屬芯壓電纖維，粘接在柔性彈性體頂端的剛性元件，連接剛性元件和外部剛性殼體的彈性元件，將含金屬芯壓電纖維的對(duì)稱(chēng)電極用兩根導(dǎo)線引出，兩根導(dǎo)線分別連接在電荷放大器輸入端的正負(fù)極上，將整個(gè)裝置固定在激振器上，激振器上下振動(dòng)時(shí)，彈性元件伸縮隨之帶動(dòng)剛性元件，這時(shí)柔性彈性體會(huì)發(fā)生彈性形變，含金屬芯壓電纖維也會(huì)產(chǎn)生彈性形變，包裹在柔性彈性體里的含金屬芯壓電纖維會(huì)得到一個(gè)沖擊信號(hào)，由于壓電效應(yīng)，壓電材料上的表面電極有電荷產(chǎn)生，由于電極位置的不同，電極上產(chǎn)生的電荷或電壓是不同的。這樣我們通過(guò)采集電極上的電荷信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理分析，即可得其加速度信息。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
仿耳石器結(jié)構(gòu)的直線加速度傳感器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明公開(kāi)一種仿耳石器結(jié)構(gòu)的直線加速度傳感器，是一種能測(cè)量直線加速度、結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、精度較高的新型傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]作為前庭神經(jīng)系統(tǒng)組成部分之一的耳石器官與半規(guī)管一樣，具有感受器，傳導(dǎo)神經(jīng)通路和控制中樞，它與半規(guī)管一樣具有前庭眼動(dòng)、前庭脊髓、前庭小腦、前庭植物神經(jīng)系統(tǒng)、前庭皮層通路及與之相應(yīng)的反應(yīng)。與半規(guī)管系統(tǒng)不同的是，其適宜刺激不是角加速度，而是重力與直線加速度。耳石系統(tǒng)功能可以分為三類(lèi):(I)感受空間方位及直線運(yùn)動(dòng)；(2)產(chǎn)生對(duì)頭部直線加速度代償性的眼球運(yùn)動(dòng)；(3)參與運(yùn)動(dòng)與平衡的協(xié)調(diào)。它在人體姿態(tài)平衡、空間定向中起重要作用，它的功能障礙是臨床眩暈的重要原因之一。耳石功能評(píng)定不但對(duì)特殊職業(yè)者(如宇航人員、潛水員、體操運(yùn)動(dòng)員)有重要意義，而且對(duì)眩暈、前庭功能障礙的評(píng)定具有重要價(jià)值。
[0003]目前市場(chǎng)出售的直線加速度傳感器，大都是基于慣性原理。由于該原理的局限性，決定了其測(cè)試環(huán)境要求高，而且成本高，很難滿足檢測(cè)直線加速度的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明是受到人體耳石器結(jié)構(gòu)啟發(fā)而設(shè)計(jì)的，要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種含金屬芯壓電纖維仿耳石器結(jié)構(gòu)的直線加速度傳感器，以克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，該含金屬芯壓電纖維仿耳石器結(jié)構(gòu)的直線加速度傳感器能夠把加速度變化轉(zhuǎn)換成我們可以識(shí)別的電壓信號(hào)，通過(guò)電壓信號(hào)的大小可以判斷直線加速度的大小和方向，通過(guò)電壓值的變化檢測(cè)出加速度的變化。
[0005]上述目的通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):一種仿耳石器結(jié)構(gòu)的直線加速度傳感器，其特征是，包括剛性殼體、多根并聯(lián)在一起固定于剛性殼體底部的含金屬芯壓電纖維，所述剛性殼體內(nèi)設(shè)有柔性彈性體，所述柔性彈性體包裹著含金屬芯壓電纖維表面，柔性彈性體的底部粘接在剛性殼體的底部，頂部粘接著有剛性元件，剛性元件和剛性殼體之間由彈性元件相連，含金屬芯壓電纖維的表面電極由導(dǎo)線引出。
[0006]所述剛性殼體為矩形槽或長(zhǎng)圓形槽或圓形槽或方形槽或卵形槽，其材料為金屬或復(fù)合材料。
[0007]所述含金屬芯壓電纖維結(jié)構(gòu)為中間一根金屬芯，外面包裹著壓電材料，在壓電材料部分縱向部分表面涂鍍有表面電極，所述壓電材料為PVDF或PVDF復(fù)合材料，表面電極為金屬薄層或?qū)щ娔z，含金屬芯壓電纖維的表面電極由導(dǎo)線引出，導(dǎo)線為直徑約為0.1mm的銅絲或鋁絲。
[0008]所述彈性元件為彈簧或橡皮筋。
[0009]所述柔性彈性體為軟體膠或硅膠或硅橡膠。
[0010]本發(fā)明結(jié)構(gòu)合理簡(jiǎn)單、生產(chǎn)制造容易、使用方便，通過(guò)本發(fā)明，仿耳石器結(jié)構(gòu)的直線加速度傳感器，其構(gòu)成:剛性殼體、柔性彈性體、固定在剛性殼體底部的多根并聯(lián)在一起的含金屬芯壓電纖維、粘接在柔性彈性體頂端的剛性元件、連接剛性元件和外部剛性殼體的彈性元件。使用時(shí)，引出含金屬芯壓電纖維表面電極的兩根導(dǎo)線分別連接在電荷放大器輸入端的的正負(fù)極上，將整個(gè)裝置固定在激振器上，激振器上下振動(dòng)時(shí)，彈性元件伸縮隨之帶動(dòng)剛性元件振動(dòng)，這時(shí)柔性彈性體會(huì)發(fā)生彈性形變，含金屬芯壓電纖維也會(huì)產(chǎn)生彈性形變，包裹在柔性彈性體里的含金屬芯壓電纖維會(huì)得到一個(gè)沖擊信號(hào)，由于壓電效應(yīng)，壓電材料上的表面電極有電荷產(chǎn)生，由于電極位置的不同，電極上產(chǎn)生的電荷或電壓是不同的。這樣我們通過(guò)采集電極上的電荷信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理分析，即可得其加速度信息。
[0011]本發(fā)明中，剛性殼體為矩形槽或長(zhǎng)圓形槽或圓形槽或方形槽或卵形槽，其材料為金屬或復(fù)合材料，彈性元件為彈簧或橡皮筋，柔性彈性體為軟體膠或硅膠或硅橡膠。且含金屬芯壓電纖維結(jié)構(gòu)為中間一根金屬芯，夕卜面包裹著壓電材料，在壓電材料部分縱向部分表面涂鍍有表面電極，所述壓電材料為PVDF或PVDF復(fù)合材料，表面電極為金屬薄層或?qū)щ娔z，含金屬芯壓電纖維的表面電極由導(dǎo)線引出，導(dǎo)線為直徑約為0.1mm的銅絲或鋁絲。
[0012]因此，本發(fā)明的技術(shù)方案可以具體表述為:
仿耳石器結(jié)構(gòu)的直線加速度傳感器，由包裹在娃橡膠里的多根并聯(lián)含金屬芯壓電纖維、剛性元件、彈簧、剛性殼體及引出含金屬芯壓電纖維的表面電極的導(dǎo)線組成。使用時(shí)，弓丨出含金屬芯壓電纖維表面電極的兩根導(dǎo)線分別連接在電荷放大器輸入端的的正負(fù)極上，將其整體固定在激振器上，激振器上下振動(dòng)時(shí)，彈簧伸縮隨之帶動(dòng)剛性元件，這時(shí)硅橡膠會(huì)發(fā)生彈性形變，含金屬芯壓電纖維也會(huì)產(chǎn)生彈性形變，包裹在硅橡膠里的含金屬芯壓電纖維就會(huì)得到一個(gè)沖擊信號(hào)，由于壓電效應(yīng)，壓電材料上的表面電極有電荷產(chǎn)生，由于電極位置的不同，電極上產(chǎn)生的電荷或電壓是不同的。這樣我們通過(guò)采集電極上的電荷信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理分析，即可得其加速度信息。
[0013]全球傳感器應(yīng)用的市場(chǎng)每年約為1000億美元，本發(fā)明仿耳石器結(jié)構(gòu)的直線加速度傳感器的使用，將帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
[0014]通過(guò)上述技術(shù)方案，本發(fā)明的多電極含金屬芯壓電聚合物纖維組合式傳感器可以看作為一種能夠測(cè)量直線加速度并且結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，測(cè)量精度較高的傳感器。
[0015]本專(zhuān)利所設(shè)計(jì)的仿耳石器結(jié)構(gòu)的直線加速度傳感器，因其含金屬芯壓電纖維非常靈敏，對(duì)測(cè)試環(huán)境要求不高，而且成本較低。
[0016]本專(zhuān)利提供的仿耳石器結(jié)構(gòu)的直線加速度傳感器是根據(jù)壓電效應(yīng)原理來(lái)設(shè)計(jì)的，它可以改善之前一些傳統(tǒng)直線加速度傳感器的一些弊端，給直線加速度傳感器的發(fā)明設(shè)計(jì)提供了一個(gè)新的思路和方法。同時(shí)本發(fā)明也是仿照耳石器官的發(fā)明設(shè)計(jì)，比較適合醫(yī)療設(shè)備和臨床醫(yī)學(xué)研究等。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1是本發(fā)明仿耳石器結(jié)構(gòu)的直線加速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2是本發(fā)明中含金屬芯壓電纖維的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖中:I剛性元件、2彈性元件、3柔性彈性體、4剛性殼體、5含金屬芯壓電纖維、6表面電極、7壓電材料、8金屬芯、9導(dǎo)線。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖以及【附圖說(shuō)明】對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0021]多根并聯(lián)在一起的含金屬芯壓電纖維5固定在一個(gè)剛性殼體4的底部，柔性彈性體3包裹著壓電纖維表面，柔性彈性體3為硅橡膠;在柔性彈性體3的底部粘接在剛性殼體4的底部，頂部粘接著一個(gè)剛性元件I，剛性元件I和剛性殼體4之間由彈性元件2相連，彈性元件2為彈簧，含金屬芯壓電纖維的表面電極6由導(dǎo)線9引出，其整體為仿耳石器結(jié)構(gòu)。使用時(shí)，弓丨出含金屬芯壓電纖維表面電極的兩根導(dǎo)線分別連接在電荷放大器輸入端的的正負(fù)極上，將其整體固定在激振器上，當(dāng)激振器工作時(shí)，激振器上下振動(dòng)，彈性元件2伸縮隨之帶動(dòng)剛性元件，這時(shí)柔性彈性體3會(huì)發(fā)生彈性形變，含金屬芯壓電纖維5也會(huì)產(chǎn)生彈性形變，包裹在柔性彈性體3里的含金屬芯壓電纖維5將會(huì)得到一個(gè)沖擊信號(hào)，由于壓電效應(yīng)，壓電材料7表面電極有電荷產(chǎn)生，由于電極位置的不同，電極上產(chǎn)生的電荷或電壓是不同的。這樣我們通過(guò)纖維的極性和數(shù)值就可以判斷直線加速度的方向和大小。
[0022]選擇地，該多電極含芯壓電聚合物纖維仿耳石器直線加速度傳感器是由多根并聯(lián)在一起的含金屬芯壓電纖維5固定在一個(gè)剛性殼體4的底部，柔性彈性體3包裹著含金屬芯壓電纖維5表面，柔性彈性體3的底部粘接在剛性殼體4的底部，頂部粘接著一個(gè)剛性元件I，剛性元件I和剛性殼體4之間由彈性元件2相連而構(gòu)成的。
[0023]選擇地，所述剛性殼體4為矩形槽、長(zhǎng)圓形槽、圓形槽、方形槽、卵形槽，其材料為金屬或復(fù)合材料。
[0024]選擇地，所述含金屬芯壓電纖維5結(jié)構(gòu)為中間一根金屬芯8，外面包裹著壓電材料7，在壓電材料7部分縱向部分表面涂鍍有表面電極6，壓電材料7為PVDF或PVDF復(fù)合材料，表面電極6為金屬薄層或?qū)щ娔z，含金屬芯壓電纖維的表面電極6由導(dǎo)線9引出，導(dǎo)線9為直徑約為0.1mm的銅絲或鋁絲。
[0025]選擇地，所述彈性元件2為彈簧或橡皮筋。
[0026]選擇地，所述柔性彈性體3為軟體膠或硅膠或硅橡膠。
[0027]如圖1所示，將仿耳石器結(jié)構(gòu)固定激振器上，并且將含金屬芯壓電纖維5中的兩根導(dǎo)線分別連接到電荷放大器輸入端的正負(fù)極兩端，將電荷放大器的輸出端和數(shù)據(jù)采集卡連接上，再將數(shù)據(jù)采集卡連接到電腦上，當(dāng)激振器工作時(shí)，激振器上下振動(dòng)，彈性元件2伸縮隨之帶動(dòng)剛性元件I，這時(shí)硅橡膠3會(huì)發(fā)生彈性形變，含金屬芯壓電纖維5也會(huì)產(chǎn)生彈性形變，包裹在柔性彈性體3里的含金屬芯壓電纖維5會(huì)得到一個(gè)沖擊信號(hào)，由于壓電效應(yīng)，壓電材料7上的表面電極6有電荷產(chǎn)生，由于電極位置的不同，電極上產(chǎn)生的電荷或電壓是不同的。這樣我們通過(guò)采集電極上的電荷信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理分析，即可得其加速度信息。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種仿耳石器結(jié)構(gòu)的直線加速度傳感器，其特征是，包括剛性殼體(4)、多根并聯(lián)在一起固定于剛性殼體(4)底部的含金屬芯壓電纖維(5)，所述剛性殼體(4)內(nèi)設(shè)有柔性彈性體(3)，所述柔性彈性體(3)包裹著含金屬芯壓電纖維(5)表面，柔性彈性體(3)的底部粘接在剛性殼體(4)的底部，頂部粘接著有剛性元件(I)，剛性元件(I)和剛性殼體(4 )之間由彈性元件(2)相連。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種仿耳石器結(jié)構(gòu)的直線加速度傳感器，其特征是，所述剛性殼體(4)為矩形槽或長(zhǎng)圓形槽或圓形槽或方形槽或卵形槽，其材料為金屬或復(fù)合材料。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種仿耳石器結(jié)構(gòu)的直線加速度傳感器，其特征是，所述含金屬芯壓電纖維(5)結(jié)構(gòu)為中間一根金屬芯(8)，外面包裹著壓電材料(7)，在壓電材料(7)部分縱向部分表面涂鍍有表面電極(6 )，所述壓電材料(7 )為PVDF或PVDF復(fù)合材料，表面電極(6)為金屬薄層或?qū)щ娔z，含金屬芯壓電纖維的表面電極(6)由導(dǎo)線(9)引出，導(dǎo)線(9)為直徑約為0.1mm的銅絲或鋁絲。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種仿耳石器結(jié)構(gòu)的直線加速度傳感器，其特征是，所述彈性元件(3)為彈簧或橡皮筋。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種仿耳石器結(jié)構(gòu)的直線加速度傳感器，其特征是，所述柔性彈性體(3)為軟體膠或硅膠或硅橡膠。
【文檔編號(hào)】G01P15/09GK105891544SQ201610271820
【公開(kāi)日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年4月27日
【發(fā)明人】邊義祥, 張延軍, 靳宏, 戴隆超, 王昌龍
【申請(qǐng)人】揚(yáng)州大學(xué)