基于科里奥利力效应的微型传感装置及其组合结构.pdf

本发明提供了一种基于科里奥利力效应的微型传感装置，其中:质量体为移动磁结构体；质量体与位移驱动体之间设有导向支架体，质量体与导向支架体之间连接有至少一个位置约束弹片a，位置约束弹片a用于约束质量体的竖直位移。同时提供了上述传感装置的组合结构。本发明基于科里奥利力效应，通过将传感机构设置于壳体内或者设置于位置约束弹片上，实现装置的小型化，通过设置位置约束弹片，限制了驱动磁结构体和移动磁结构体的运动方向，实现移动磁结构体的空间运动位置稳定，方便磁电转化信号的采集，提高传感精度；提供了多种传感形式，通过对多种传感形式得到的信号量值加强平均，传感精度更高。

权利要求书
1.  一种基于科里奥利力效应的微型传感装置，包括壳体以及设置于壳体内部的 质量体、位移驱动体以及传感机构，所述壳体作为旋转体系，其角速度为ω，所述 质量体在位移驱动体的驱动作用以及壳体的旋转作用下相对壳体运动，所述传感机构 用于采集质量体的磁电转化信号；其特征在于：
所述质量体采用如下任一种结构：
-刚性体以及设置于刚性体内部且与刚性体连为一体的移动磁结构体；
-单体结构的移动磁结构体；
所述质量体与位移驱动体之间设有导向支架体，所述质量体与导向支架体之间 竖直连接有至少一个位置约束弹片a，所述位置约束弹片a用于约束质量体的竖直 位移。

2.  根据权利要求1所述的基于科里奥利力效应的微型传感装置，其特征在于， 所述移动磁结构体采用永磁体或电磁体。

3.  根据权利要求1所述的基于科里奥利力效应的微型传感装置，其特征在于， 所述位移驱动体包括驱动磁结构体和位移驱动器，所述驱动磁结构体为永磁体，工 作状态下，所述驱动磁结构体在位移驱动器作用下上下往复运动；或
所述位移驱动体包括驱动磁结构体，所述驱动磁结构体为电磁体，工作状态下， 所述驱动磁结构体在电流作用下上下往复运动；
所述驱动磁结构体与导向支架体刚性连接。

4.  根据权利要求3所述的基于科里奥利力效应的微型传感装置，其特征在于， 所述驱动磁结构体上设有限位机构，所述限位机构采用如下任一种结构：
-弹簧，所述弹簧连接于驱动磁结构体和位移驱动器之间；
-位置约束弹片b，所述位置约束弹片b水平连接于驱动磁结构体与壳体之间， 用于约束驱动磁结构体的水平位移。

5.  根据权利要求3所述的基于科里奥利力效应的微型传感装置，其特征在于， 所述导向支架体采用如下任一种结构：
-导向支架块体，所述导向支架块体的下端设有驱动磁结构体放置腔；
-导向支架框体，所述导向支架框体的下端与驱动磁结构体刚性连接；
-导向支架杆体a，所述导向支架杆体a包括刚性杆a以及水平设置于刚性杆a 上的刚性梁a，所述刚性杆a的自由端与驱动磁结构体刚性连接。

6.  根据权利要求5所述的基于科里奥利力效应的微型传感装置，其特征在于， 所述质量体的与壳体之间设有导向支架杆体b，所述导向支架杆体b包括刚性杆b 以及水平设置于刚性杆b上的刚性梁b，所述刚性杆b的自由端与壳体之间水平连 接有位置约束弹片c，所述刚性梁b与质量体之间竖直连接有位置约束弹片d。

7.  根据权利要求1所述的基于科里奥利力效应的微型传感装置，其特征在于， 还包括如下任一个或任多个部件：
-设置于移动磁结构体和导向支架体之间的滑块结构；
-设置于导向支架体和位移驱动体之间的磁屏蔽结构体。

8.  根据权利要求1至7中任一项所述的基于科里奥利力效应的微型传感装置， 其特征在于，移动磁结构体处的壳体侧壁内设有容纳腔，所述传感机构设置于所述 容纳腔内；
所述传感机构采用如下任一种结构：
-传感机构包括相互接触的磁致应变体和力电材料，所述力电材料位于磁致应 变体的上端和/或下端；
-传感机构包括相互接触的方向异型永磁结构体和力电材料，所述方向异型永 磁结构体采用一个方向异型永磁单体或多个相互接触的方向异型永磁单体；所述力 电材料位于方向异型永磁结构体的上端和/或下端；
-传感机构包括磁致应变体和力电材料，所述力电材料为薄膜或片体结构，并 设置于磁致应变体的两侧面上，形成夹心结构；
-传感机构采用磁巨阻材料体；
所述磁致应变体包括：磁致伸缩材料、磁粒子摆动体、磁力移动体或磁巨阻材 料；所述力电材料包括：压电材料、压阻材料或压磁材料。

9.  根据权利要求1至7中任一项所述的基于科里奥利力效应的微型传感装置， 其特征在于，所述传感机构为力电材料体，所述力电材料体为薄膜或片体结构，并 设置于位置约束弹片a的两侧面上，形成夹心结构；
所述力电材料体包括压电材料膜片或应变材料膜片。

10.  一种基于科里奥利力效应的微型传感装置的组合结构，其特征在于，包括 多个权利要求1至9中任一项所述的基于科里奥利力效应的微型传感装置，多个基 于科里奥利力效应的微型传感装置呈阵列结构组合连接。

说明书基于科里奥利力效应的微型传感装置及其组合结构
技术领域
本发明涉及力检测传感器技术领域，具体地，涉及一种基于科里奥利力效应的 微型传感装置及其组合结构。
背景技术
根据牛顿力学的理论，以旋转体系为参照系，质点的直线运动偏离原有方向的 倾向被归结为一个外加力的作用，该力即为科里奥利力，并定义为： 式中为科里奥利力；m为质点质量；为质点运动速度；为 旋转体系角速度。
现有的基于科里奥利力的检测传感器，例如公开号为103913158A，公开日为 2014年07月09日，发明名称为《磁电式科里奥利力检测传感器》的中国专利申请， 提供了一种磁电式科里奥利力检测传感器，该科里奥利力检测传感器，将质量块设 置于壳体内部，基于科里奥利力效应，实现平转动体低速或高速的宽频转速的检测。
但是该专利申请提出的检测传感器，其形式无法实现小型化，移动磁体的空间运 动存在位置不稳定的因素，影响磁电转化信号的采集，影响传感精度。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种基于科里奥利力效应的微 型传感装置及其组合结构。
本发明是通过以下技术方案实现的。
根据本发明的一个方面，提供了一种基于科里奥利力效应的微型传感装置，包括 壳体以及设置于壳体内部的质量体、位移驱动体以及传感机构，所述壳体作为旋转 体系，其角速度为ω，所述质量体在位移驱动体的驱动作用以及壳体的旋转作用下相对 壳体运动，所述传感机构用于采集质量体的磁电转化信号；其中：
所述质量体采用如下任一种结构：
-刚性体以及设置于刚性体内部且与刚性体连为一体的移动磁结构体；
-单体结构的移动磁结构体；
所述质量体与位移驱动体之间设有导向支架体，所述质量体与导向支架体之间 竖直连接有至少一个位置约束弹片a，所述位置约束弹片a用于约束质量体的竖直 位移。
优选地，所述移动磁结构体采用永磁体或电磁体。
优选地，所述位移驱动体包括驱动磁结构体和位移驱动器，所述驱动磁结构体 为永磁体，工作状态下，所述驱动磁结构体在位移驱动器作用下上下往复运动；或
所述位移驱动体包括驱动磁结构体，所述驱动磁结构体为电磁体，工作状态下， 所述驱动磁结构体在电流作用下上下往复运动；
所述驱动磁结构体与导向支架体刚性连接。
优选地，所述驱动磁结构体上设有限位机构，所述限位机构采用如下任一种结 构：
-弹簧，所述弹簧连接于驱动磁结构体和位移驱动器之间；
-位置约束弹片b，所述位置约束弹片b水平连接于驱动磁结构体与壳体之间， 用于约束驱动磁结构体的水平位移。
优选地，所述导向支架体采用如下任一种结构：
-导向支架块体，所述导向支架块体的下端设有驱动磁结构体放置腔；
-导向支架框体，所述导向支架框体的下端与驱动磁结构体刚性连接；
-导向支架杆体a，所述导向支架杆体a包括刚性杆a以及水平设置于刚性杆a 上的刚性梁a，所述刚性杆a的自由端与驱动磁结构体刚性连接。
优选地，所述质量体的与壳体之间设有导向支架杆体b，所述导向支架杆体b 包括刚性杆b以及水平设置于刚性杆b上的刚性梁b，所述刚性杆b的自由端与壳 体之间水平连接有位置约束弹片c，所述刚性梁b与质量体之间竖直连接有位置约 束弹片d。
优选地，还包括如下任一个或任多个部件：
-设置于移动磁结构体和导向支架体之间的滑块结构；
-设置于导向支架体和位移驱动体的驱动磁结构体之间的磁屏蔽结构体。
优选地，移动磁结构体处的壳体侧壁内设有容纳腔，所述传感机构设置于所述 容纳腔内；
所述传感机构采用如下任一种结构：
-传感机构包括相互接触的磁致应变体和力电材料，所述力电材料位于磁致应 变体的上端和/或下端；
-传感机构包括相互接触的方向异型永磁结构体和力电材料，所述方向异型永 磁结构体采用一个方向异型永磁单体或多个相互接触的方向异型永磁单体；所述力 电材料位于方向异型永磁结构体的上端和/或下端；
-传感机构包括磁致应变体和力电材料，所述力电材料为薄膜/片体结构，并设 置于磁致应变体的两侧面上，形成夹心结构；
-传感机构采用磁巨阻材料体；
所述磁致应变体包括：磁致伸缩材料、磁粒子摆动体、磁力移动体或磁巨阻材 料；所述力电材料包括：压电材料、压阻材料或压磁材料。
优选地，所述传感机构为力电材料体，所述力电材料体为薄膜/片体结构，并设 置于位置约束弹片a的两侧面上，形成夹心结构；
所述力电材料体包括压电材料膜片或应变材料膜片。
根据本发明的另一个方面，提供了一种基于科里奥利力效应的微型传感装置的 组合结构，包括多个上述的基于科里奥利力效应的微型传感装置，多个基于科里奥 利力效应的微型传感装置呈阵列结构组合连接。
本发明的工作原理为：基于科里奥利力效应实现平转动体(壳体)低速或高速的 宽频转速的基于磁电效应的检测。由于当质点(质量体)的质量m一 定时，科里奥利力的值取决于质点(质量体)的运动速度和旋转体系(壳体)的角速 度所以，当较小(平转动体转速慢)或较大(平转动体转速快)时，通过 对应增加或减小质点运动速度即能够取得和之间优化对应的频谱关系，获 得稳定的科里奥利力，使质量体相对传感机构空间位置发生变化，引起磁电信号的转换， 进而对应得到平转动体慢速或快速转动的检测。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明基于科里奥利力效应，提供了多种传感形式，适用于不同信号特征检 测需求；
2、通过多种传感形式获得的检测量值的加强平均，使传感精度更高；
3、通过设置位置约束弹片，限制了驱动磁结构体和移动磁结构体的运动方向，实 现移动磁结构体的空间运动位置稳定，方便磁电转化信号的采集，进一步地提高传 感精度；
4、多种传感部件组合形成复合传感形式，提高传感精密度；
5、通过将传感机构设置于壳体的腔壁内，实现装置的小型化；
6、通过将传感机构设置于位置约束弹片上，将弹性环节和传感环节进行整合，使 一个部件同时完成结构体和传感体两个功能，进一步实现装置的小型化。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特 征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例1结构及工作原理示意图，其中，(a)为初始状态，(b)为工 作状态；
图2为本发明实施例2结构及工作原理示意图，其中，(a)为初始状态，(b)为工 作状态；
图3为本发明实施例3结构及工作原理示意图，其中，(a)为初始状态，(b)为 工作状态；
图4为实施例4中传感机构示意图；
图5为实施例5中传感机构示意图；
图6为实施例6中传感机构示意图；
图7为实施例7中传感机构示意图；
图中：1为磁致应变体，2为力电材料，3为移动磁结构体，4为导向支架体，5 为磁屏蔽结构体，6为驱动磁结构体，7为限位机构，8为电磁线圈，9为壳体，10 为位置约束弹片，11为方向异型永磁体，V为表示施加电压，V～为力电体产生的交 变电压，V0-为初始偏置恒压，t为时间量，Vυ为质量体相对壳体竖直方向往复运动 速度，Vh为质量体相对壳体水平方向往复运动速度。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实 施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发 明的保护范围。
实施例1
本实施例提供了一种基于科里奥利力效应的微型传感装置，包括壳体以及设置于 壳体内部的质量体、位移驱动体以及传感机构，所述壳体作为旋转体系，其角速度 为ω，所述质量体在位移驱动体的驱动作用以及壳体的旋转作用下相对壳体运动，所 述传感机构用于采集质量体的磁电转化信号；其中：
所述质量体为如下结构：
包括刚性体以及设置于刚性体内部且与刚性体连为一体的移动磁结构体；
所述质量体与位移驱动体之间设有导向支架体，所述质量体与导向支架体之间 竖直连接有至少一个位置约束弹片a，所述位置约束弹片a用于约束质量体的竖直 位移。
进一步地，所述移动磁结构体采用永磁体或电磁体。
进一步地，所述位移驱动体包括驱动磁结构体和位移驱动器(如电磁线圈)， 所述驱动磁结构体为永磁体，工作状态下，所述驱动磁结构体在位移驱动器作用下 上下往复运动；或
所述位移驱动体包括驱动磁结构体，所述驱动磁结构体为电磁体，工作状态下， 所述驱动磁结构体在电流作用下上下往复运动。
进一步地，所述驱动磁结构体上设有限位机构，所述限位机构采用弹簧，所述 弹簧连接于驱动磁结构体和位移驱动器之间。
进一步地，所述驱动磁结构体与导向支架体刚性连接。
进一步地，所述导向支架体采用导向支架框体，所述导向支架框体的下端与驱 动磁结构体刚性连接。
进一步地，本实施例提供的基于科里奥利力效应的微型传感装置，还包括如下 任一个或任多个部件：
-设置于移动磁结构体和导向支架体之间的滑块结构；
-设置于导向支架体和驱动磁结构体之间的磁屏蔽结构体。
进一步地，所述磁屏蔽结构体与导向支架体一体成型。
进一步地，移动磁结构体处的壳体侧壁内设有容纳腔，所述传感机构设置于所 述容纳腔内；
所述传感机构采用如下结构：
-传感机构包括相互接触的磁致应变体(如磁致伸缩材料、磁粒子摆动体、磁 力移动体或磁巨阻材料)和力电材料(如压电材料、压阻材料、压磁材料)，所述 力电材料位于磁致应变体的上端和/或下端。
压磁材料是指：磁通过感应线圈产生电信号的材料。
进一步地，移动磁结构体处壳体的两侧侧壁内均设有传感机构；当其中一组传 感机构中的力电材料设置于磁致应变体的下端时，另外一组传感机构中的力电材料 可以设置于磁致应变体的下端，也可以设置于磁致应变体的上端，当另外一组传感 机构中的力电材料设置于磁致应变体的上端时，使传感机构所受感应信号更加均 匀，能够更有效的感应磁场变化。
进一步地，所述位置约束弹片为一弹性材料体。
进一步地，所述传感机构采集的质量体的磁电转化信号，通过如下任一种方式 传输：
-电缆接触式；
-永磁非接触式；
-无线射频信号传输式。
在本实施例中：
导向支架体用于实现质量体相对壳体只产生竖直方向往复运动Vυ。
磁屏蔽结构体使驱动磁结构体的磁场对传感机构的磁致应变体不产生磁场影 响。
位置约束弹片a用于约束质量体数值方向的位移；同时，在初始状态下，保证 质量体不发生偏摆。
移动驱动体可以采用电磁体也可以采用永磁体，当采用电磁体时，可以对磁量 进行调整。
本实施例提供的基于科里奥利力效应的微型传感装置，实现了传感装置的小型 化，并通过设置位置约束弹片，限制了驱动磁结构体和移动磁结构体的运动方向，实 现移动磁结构体的空间运动位置稳定，方便磁电转化信号的采集，提高传感精度。
实施例2
实施例2为实施例1的变化例。
本实施例在实施例1的基础上，与实施例1的区别在于：
所述导向支架体采用导向支架块体，所述导向支架块体的下端设有驱动磁结构 体放置腔。
实施例3
实施例3为实施例1的变化例。
本实施例在实施例1的基础上，与实施例1的区别在于：
所述限位机构采用位置约束弹片b，所述位置约束弹片b水平连接于驱动磁结 构体与壳体之间，用于约束驱动磁结构体的水平位移。
进一步地，导向支架体采用导向支架杆体a，所述导向支架杆体a包括刚性杆a 以及水平设置于刚性杆a上的刚性梁a，所述刚性杆a的自由端与驱动磁结构体刚 性连接。
进一步地，所述质量体的与壳体之间设有导向支架杆体b，所述导向支架杆体b 包括刚性杆b以及水平设置于刚性杆b上的刚性梁b，所述刚性杆b的自由端与壳 体之间水平连接有位置约束弹片c，所述刚性梁b与质量体之间竖直连接有位置约 束弹片d。
实施例4
实施例4为实施例1至实施例3的变化例。
实施例4在实施例1至实施例3中任一个实施例的基础上，采用了其他结构的 传感机构：
所述传感机构包括相互接触的方向异型永磁结构体和力电材料，所述方向异型 永磁结构体采用一个方向异型永磁单体或多个相互接触的方向异型永磁单体；所述 力电材料位于方向异型永磁结构体的上端和/或下端。
所述力电材料包括：压电材料、压阻材料或压磁材料。
本实施例的工作原理为：
方向异型永磁结构体随外部磁场靠近或远离而偏转，挤压下部的力电材料，从 而产生传感效果。
实施例5
实施例5为实施例1至实施例3的变化例。
实施例5在实施例1至实施例3中任一个实施例的基础上，采用了其他结构的 传感机构：
所述传感机构包括磁致应变体和力电材料，所述力电材料为薄膜/片体结构，并 设置于磁致应变体的两侧面上，形成夹心结构。
所述磁致应变体包括：磁致伸缩材料、磁粒子摆动体、磁力移动体或磁巨阻材 料；所述力电材料包括：压电材料、压阻材料或压磁材料。
本实施例的工作原理为：
当中间磁致应变体变形时，因变形产生应力作用于力电材料，进而产生电信号， 实现传感效应。
实施例6
实施例6为实施例1至实施例3的变化例。
实施例6在实施例1至实施例3中任一个实施例的基础上，采用了其他结构的 传感机构：
所述传感机构采用磁应变材料体，例如磁巨阻材料体、永磁材料体。
当采用磁巨阻材料体时，其工作原理为：
在变化磁场激励下，传感机构采用的磁巨阻材料体的电阻发生相应变化，因而 外接电压/电势发生相应变化的材料。因此，永磁体移动距离和最终的检测电压信 号之间会有对应的变化关系，而实现传感效应。
实施例7
实施例7为实施例1至实施例3的变化例。
实施例7在实施例1至实施例3中任一个实施例的基础上，采用了其他结构的 传感机构：
所述传感机构为力电材料体，所述力电材料体为薄膜/片体结构，并设置于位置 约束弹片a的两侧面上，形成夹心结构。
进一步地，所述力电材料体包括压电材料膜片或应变材料膜片。
本实施例的工作原理为：
当中间的位置约束弹片a变形时，压电材料膜片或应变材料膜片产生应变，进 而产生电信号，实现传感效应。
实施例8
本实施例提供了一种基于科里奥利力效应的微型传感装置的组合结构，包括多 个实施例1至实施例7中任一项所述的基于科里奥利力效应的微型传感装置，多个 基于科里奥利力效应的微型传感装置呈阵列结构组合连接。
本实施例提供的基于科里奥利力效应的微型传感装置的组合结构，可以实现多 个自由度的传感检测，既可以作平动传感，又可以做转动传感。
多个微型微型传感装置可以采用不同的传感形式，适用于不同信号特征检测需 求，同时通过多种传感形式获得的检测量值的加强平均，得到精度更高信号量值。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上 述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改， 这并不影响本发明的实质内容。