基于非晶丝GSI效应实现物体加速度测量的装置及方法

摘要

本发明涉及一种基于非晶丝GSI效应实现物体加速度测量的装置及方法，装置包括：机械连接单元，传感器单元，电路单元；所述传感器单元在所述机械连接单元的相对两侧分别对称设置，且所述传感器单元与所述机械连接单元相连接的线性排列设置；所述机械连接单元用于感受加速度的变化并传导至所述传感器单元上；所述电路单元与所述传感器单元分别连接，用于对所述传感器单元供电、信号采集和数据处理，以及输出所述加速度的值；所述传感器单元为基于非晶丝GSI效应的传感器单元。本发明克服了传统加速度测量装置造价高、重量大、体积大的缺陷，实现了高精度、轻量化的同时还有效减小了体积。

说明书

技术领域

本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种基于非晶丝GSI效应实现物体加速度测量的装置及方法。

背景技术

目前，测量领域普遍采用的加速度测量装置是以石英挠性加速度计为代表的传统敏感元件。结构上包括软磁材料组成的轭铁、永磁材料组成的磁钢、温度性能极好的石英玻璃组成的挠性片和提供均匀磁场的线圈。这种装置具有较好的稳定性和测量精度，但是造价较高，体积和重量较大。

非晶丝是一种丝状的非晶态合金，直径一般为几十微米，是一种高磁导率、高电导率的新型金属材料，也是一种软磁材料。基于非晶丝的这种特性，主要将其应用于磁传感器、微振动检测器等设备的设计与制作，应用领域狭窄。目前，还没有一种将非晶丝应用于其他领域测量的先例，因此在精密仪器领域非晶丝还有着广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于非晶丝GSI效应实现物体加速度测量的装置及方法，用于运动载体的加速度测量。

为实现上述发明目的，本发明提供一种基于非晶丝GSI效应实现物体加速度测量的装置，包括：机械连接单元，传感器单元，电路单元；

所述传感器单元在所述机械连接单元的相对两侧分别对称设置，且所述传感器单元与所述机械连接单元相连接的线性排列设置；

所述机械连接单元用于感受加速度的变化并传导至所述传感器单元上；

所述电路单元与所述传感器单元分别连接，用于对所述传感器单元供电、信号采集和数据处理，以及输出所述加速度的值；

所述传感器单元为基于非晶丝GSI效应的传感器单元。

根据本发明的一个方面，所述传感器单元包括：传感器，环绕设置在所述传感器外侧的通电线圈和锁定块；

所述传感器一端与所述机械连接单元相连接，另一端与所述锁定块相连接；

所述传感器为线性传感器，其包括：非晶丝部和与所述非晶丝部同轴连接的导线部；

所述导线部在所述非晶丝部的相对两端设置，且分别与所述非晶丝部的端部固定连接；

所述非晶丝部位于所述通电线圈内且同轴设置，且所述非晶丝部的长度小于所述通电线圈的轴向长度；

所述通电线圈在通电状态下为所述传感器提供恒定磁场。

根据本发明的一个方面，所述导线部为金属导线或复合结构导线；

若所述导线部为复合结构导线，则包括：中间导体，连接部；

所述连接部为两端具有开口的硬质管状结构；

所述中间导体为金属导线，其一端通过绝缘结构与所述连接部同轴连接，其余部分与所述连接部具有间隔的设置；

若所述导线部为金属导线则一端与所述非晶丝部同轴连接，另一端分别与所述机械连接单元或所述锁定块固定连接；

若所述导线部为复合结构导线，则所述连接部和所述中间导体相连接的一端均与所述非晶丝部同轴连接，所述连接部另一端分别与所述机械连接单元或所述锁定块固定连接。

根据本发明的一个方面，所述机械连接单元包括：用于感知加速度并将所述加速度转化为惯性力的滑块和导轨；

所述滑块与所述导轨滑动连接，且所述滑块的滑动方向与所述传感器的轴向相重合；

所述滑块与所述传感器的导线部的端部固定连接；

所述滑块处于静止时，所述传感器的非晶丝部通过所述锁定块加载有张应力；

所述滑块的静止状态改变时，所述传感器的非晶丝部加载的张应力发生变化。

根据本发明的一个方面，所述电路单元包括：激励电路、检波电路和线圈驱动电路；

所述激励电路用于为所述传感器的非晶丝部产生GSI效应提供高频交流电；

所述检波电路用于将所述非晶丝部两端的电压信号提取出来，并且滤除其中的高频信号，得到所述非晶丝部在变化的张应力下产生的低频信号；

所述检波电路对所述低频信号进行放大，用于对所述非晶丝部的阻抗的变化进行测量；

所述线圈驱动电路为恒流源，用于对所述通电线圈提供恒定电流，使所述通电线圈中的磁场达到非晶丝部最佳工作点。

根据本发明的一个方面，所述线圈驱动电路中还设置有反馈装置；

所述反馈装置安装在构成恒流源的运放输入端，与接地端相连，实时接收外部磁场，用于在所述通电线圈所形成的磁场中除去外部磁场分量。

根据本发明的一个方面，所述传感器的非晶丝部满足：

当所述非晶丝部外加磁场强度和流经的电流频率不变时，随着张应力的增大，所述非晶丝部在各电流强度下的阻抗变化率均呈现先增后减的过程，且在不同的电流强度下，阻抗变化率的峰值不同，但不同峰值点所对应的张应力之间的偏差在预设的范围内；或者，

当所述非晶丝部外加磁场强度和流经的电流强度不变时，随着张应力的增大，各电流频率下的阻抗变化率均呈现先增后减的过程，且在不同的电磁频率下，阻抗变化率的峰值不同，但不同峰值点所对应的张应力之间的偏差在预设的范围内；或者，

当所述非晶丝部流经的电流强度和电流频率不变时，随着外加磁场强度的增大，各张应力下的阻抗变化率均呈现先增后减的过程，且在不同的张应力下，阻抗变化率的峰值不同，但不同峰值点所对应的外加磁场强度不同；或者，

在恒定电磁环境下，所述非晶丝部的磁致伸缩系数为正，其阻抗随外加应力的增大而增大；或者，

在恒定电磁环境下，所述非晶丝部的磁致伸缩系数为负，其阻抗随外加应力的增大而减小。

根据本发明的一个方面，所述传感器的非晶丝部最佳工作点的电流频率大于或等于20MHz，最佳工作点的电流强度大于或等于20mA；

所述输入模块控制所述通电线圈产生的磁场强度大于或等于200A/m。

根据本发明的一个方面，所述变应力传递单元处于静止时，所述传感器的非晶丝部加载的张应力大于或等于20Mpa，且小于1000Mpa。

为实现上述发明目的，本发明提供一种基于非晶丝GSI效应实现物体加速度测量的方法，采用前述的装置所实现，包括以下步骤：

S1.将所述机械连接单元固定安装在载体上，将传感器单元中的传感器与所述机械连接单元相连接，将传感器单元中的锁定块与载体并对传感器施加预设的张应力，以及将所述传感器单元与所述电路单元相连接；

S2.通过所述传感器单元的通电线圈对传感器施加磁场，以及对所述传感器提供高频交流电，基于所述磁场和所述高频交流电对所述传感器进行参数标定，确定所述传感器两端电压信号与加速度的对应关系；

S3.所述载体发生运动，所述机械连接单元的滑块产生相应的惯性力，使所述传感器上的轴向张应力发生变化，处于所述磁场下所述传感器基于GSI效应产生阻抗变化；

S4.通过电路单元采集所述传感器的电压信号，基于所述电压信号和所述对应关系计算出相对应的实时加速度并输出。

根据本发明的一种方案，本发明克服了传统加速度测量装置造价高、重量大、体积大的缺陷，实现了高精度、轻量化的同时还有效减小了体积。

根据本发明的一种方案，通过上述设置，本发明的加速度测量装置实现了单轴双非晶丝对称排列的结构，其对称分布的方式实现了多个非晶丝的同步张应力变化，对保证本发明的测量精度有益。此外，通过这种对称设置的结构其结构简单且体积小。

根据本发明的一种方案，本发明通过营造特定的电磁环境来激发非晶丝的GSI效应，并在载体加速度发生变化时，可将这种变化进一步传导至非晶丝上实现张应力的变化，进而通过测量流经非晶丝的高频信号的变化，并利用对应关系即可实时计算出载体加速度，保证了本发明在使用过程中的响应速度和测量实时性。

根据本发明的一种方案，本发明利用非晶丝这种新型材料制作加速度测量装置，代替了传统的敏感元件，与石英挠性加速度计对比，成本更低。同时，由于非晶丝具有灵敏的电磁特性，本发明也能保证很好的测量精度。

根据本发明的一种方案，本发明各部分的结构简单，可以放置在一块集成电路板上，大大减小了加速度测量装置的体积。同时，还有效减少了采用大量金属结构的问题，不仅降低了整体的重量，还有效避免了各部件之间的电磁干扰。

根据本发明的一种方案，通过锁定块组成的预应力单元在非晶丝上产生附加预应力，使非晶丝保持在阻抗变化率较大的范围内，保证GSI效应效果明显；通过变应力单元在非晶丝上施加与外界加速度分量变化方向一致、大小相关的张应力，并通过滑块-导轨结构进行传递，进而测量出加速度分量的大小。如果在三维空间的三个正交轴向都设置此装置，即可测量出载体加速度在三个轴向的分量，进而得到待测的载体加速度。

根据本发明的一种方案，通过上述设置的传感器的非晶丝部在控制变量的情况下，其阻抗变化率均可呈现一种规则的变化过程，便于对其进行标定，并获取其最佳的工作性能，使得本发明的作业性能、测量精度更为优良。

根据本发明的一种方案，通过上述设置的电流频率、电流强度和磁场强度使得本发明的传感器的非晶丝部能够处于最佳工作点，使得本发明的测量精度和测量灵敏度更高。

根据本发明的一种方案，通过设置两个对称的传感器模块，是为了保证滑块向两个方向运动时，能检测出带有方向的加速度。在载体发生加速度变化时，滑块向其中一个传感器模块运动，滑块靠近传感器模块上的非晶丝部应力减小，另一个传感器模块的非晶丝部上应力增大，两根非晶丝部上的电压随之改变，通过电压作差即可计算得到的加速度的方向。

附图说明

图1是示意性表示根据本发明的一种实施方式的基于非晶丝GSI效应实现物体加速度测量的装置的结构图；

图2是示意性表示根据本发明的一种实施方式的导线部的结构图；

图3是示意性表示根据本发明的一种实施方式的基于非晶丝GSI效应实现物体加速度测量的装置的工作流程图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，本发明的一种基于非晶丝GSI效应实现物体加速度测量的装置，包括：机械连接单元11，传感器单元12，以及用于对传感器单元12供电、信号采集和数据处理的电路单元13。在本实施方式中，机械连接单元11包括：滑块111和导轨112，滑块111与所述导轨112滑动连接，用于感知加速度并将所述加速度转化为惯性力传递至传感器单元12实现传感器单元12对加速度的测量。在本实施方式中，传感器单元12设置有两个，在机械连接单元11的相对两侧分别对称设置，且传感器单元12与机械连接单元11中滑块111相连接的线性排列设置；此时，滑块111的滑动方向与传感器121的轴向是相重合的，方便机械连接单元11所感受加速度的变化被准确有效的传导至传感器单元12上。

在本实施方式中，在机械连接单元11连接好传感器单元12后，传感器单元12、机械连接单元11、另一个传感器单元12依次呈线性排列。在本实施方式中，传感器单元12在变应力传递单元111的相对两侧对称布置。在本实施方式中，电路单元13与传感器单元12分别连接，用于对所述传感器单元12供电、信号采集和数据处理，以及输出所述加速度的值。

在本实施方式中，传感器单元12为基于非晶丝GSI效应的传感器单元。

在本实施方式中，机械连接单元11，传感器单元12和电路单元13均可集成在同一线路板上。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，传感器单元12包括：传感器121，环绕设置在传感器121外侧的通电线圈122和锁定块123。在本实施方式中，传感器121一端与所述机械连接单元11相连接，另一端与锁定块123相连接。在本实施方式中，传感器121为线性传感器，其包括：非晶丝部1211和与非晶丝部1211同轴设置的导线部1212；其中，导线部1212在非晶丝部1211的相对两端设置，且分别与非晶丝部1211的端部固定连接。在本实施方式中，导线部1212起到对非晶丝部1211导电和施加张应力的作用。进而，将传感器121进行固定连接时通过与导线部1212的端部相连接即可。在本实施方式中，非晶丝部1211位于通电线圈122内且同轴设置。在本实施方式中，通电线圈122可缠绕在表面规则且光滑的圆柱状塑料套筒上，进而实现对通电线圈122的稳定支撑，以实现通电线圈122在通电状态下为传感器121提供随时间恒定的磁场。

在本实施方式中，传感器单元12中通过锁定块123的固定实现对传感器121提供相应的张应力(即预应力)。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，传感器121的导线部1212的端部分别与机械连接单元11和锁定块123固定连接。在本实施方式中，机械连接单元11的滑块111处于静止时，传感器121的非晶丝部1211通过锁定块123预先加载有设定的张应力；而当机械连接单元11的滑块111感受到外界的加速度变化使得静止状态改变时，传感器121的非晶丝部1211加载的张应力会在滑块111所产生的惯性力的作用下发生变化。在本实施方式中，锁定块123的安装位置是固定的，进而可根据需要对传感器施加的张应力大小对其位置进行预先设定，然后将传感器121相对的两端固定后，且在滑块111处于静止时，滑块111相对两侧对称布置的传感器121受到的张应力为一致的。而当滑块111的静止状态发生改变时，其会产生相应的惯性并传导致两侧的传感器121上，使得其中一个的传感器121张应力增大，另一个传感器121的张应力减小，进而可通过两个传感器121的张应力变化进行差分计算，即可得到当时加速度的大小和变化方向。

根据本发明的一种实施方式，导线部1212为金属导线。在本实施方式中，导线部1212可采用铜导线。在本实施方式中，可通过导线部1212直接与机械连接单元11、锁定块123实现机械连接，并同时与电路单元13电连接。通过上述设置的导线部1212具有机械连接和电连接的双重作用。在本实施方式中，导线部1212为金属导线则一端与非晶丝部1211同轴连接，另一端分别与机械连接单元11或锁定块123固定连接。

如图2所示，根据本发明的另一种实施方式，导线部1212为复合结构导线，其包括：中间导体1212a，连接部1212b。在本实施方式中，连接部1212b为两端具有开口的硬质管状结构；中间导体1212a为金属导线，其一端通过绝缘结构1212c与连接部1212b同轴连接，其余部分与连接部1212b具有间隔的设置，即导线部1212一端与连接部1212b同轴固定，其余部分为与连接部1212b不接触的自由部分。在本实施方式中，连接部1212b和中间导体1212a相连接的一端均与非晶丝部1211同轴连接，连接部1212b另一端分别与机械连接单元11或锁定块123固定连接。在本实施方式中，中间导体1212a与非晶丝部1211相连的一端可设置一盘状连接结构，以增大中间导体1212a与非晶丝部1211的连接面积，提高连接稳定性。在本实施方式中，连接部1212b通过机械或焊接的方式与非晶丝部1211的端部相固定的同轴连接，即可实现中间导体1212a端部的盘体与非晶丝部1211的接触以实现导通。

在本实施方式中，连接部1212b可通过端面与非晶丝部1211端面焊接固定，也可以通过在连接部1212b的端部设置连接结构套设在非晶丝部1211端部的外侧，并通过机械或焊接的方式相固定。其中，该连接结构可以为沿连接部1212b设置的环状结构或沿环形分布的凸起。

通过上述设置，采用复合结构导线可通过外层的硬质的连接部实现对非晶丝部1211的固定连接，在应力加载和应力变化的状态下均是通过硬质的连接部所实现，不会对中间导体产生影响，进一步有效的抑制了对中间导体的拉伸，从而有效避免了中间导体的电阻变化对检测结果的影响，进一步保证了本发明的检测精度。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，机械连接单元11中滑块111为具有一定质量的规则质量块。该滑块111可沿导轨112自由往复滑动，用于在状态发生改变时，对相连的传感器121实现力传递，以使得传感器121受到的张应力发生变化。在本实施方式中，通过对滑块111和导轨112连接处进行处理。减小摩擦力，并对存在的滑动摩擦力系数进行标定，在计算加速度是加入到计算过程中，以消除摩擦力的影响，从而对提高本方案的检测精度有利。

在本实施方式中，为便于传感器121与电路单元13的连接，通过导线与导线部1212或非晶丝部1211相连接即可实现与电路单元13的电连接。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，电路单元13包括：激励电路131、检波电路132和线圈驱动电路133。在本实施方式中，激励电路131用于为传感器121的非晶丝部1211产生GSI效应提供高频交流电；检波电路132用于将非晶丝部1211两端的电压信号提取出来，并且滤除其中的高频信号，得到非晶丝部1211在变化的张应力下产生的低频信号；检波电路132对低频信号进行放大，用于对非晶丝部1211的阻抗的变化进行测量。

在本实施方式中，线圈驱动电路133为恒流源，用于对通电线圈122提供恒定电流，使通电线圈122中的磁场达到非晶丝部1211最佳工作点。

在本实施方式中，线圈驱动电路133中还设置有反馈装置；反馈装置安装在构成恒流源的运放输入端，与接地端相连，实时接收外部磁场，用于在通电线圈122所形成的磁场中除去外部磁场分量。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，传感器121的非晶丝部1211满足：

当非晶丝部1211外加磁场强度和流经的电流频率不变时，随着张应力的增大，非晶丝部1211在各电流强度下的阻抗变化率均呈现先增后减的过程，且在不同的电流强度下，阻抗变化率的峰值不同，但不同峰值点所对应的张应力之间的偏差在预设的范围内(即峰值点对应的张应力大小基本相同)；或者，

当非晶丝部1211外加磁场强度和流经的电流强度不变时，随着张应力的增大，各电流频率下的阻抗变化率均呈现先增后减的过程，且在不同的电磁频率下，阻抗变化率的峰值不同，但不同峰值点所对应的张应力之间的偏差在预设的范围内(即峰值点对应的张应力大小基本相同)；或者，

当非晶丝部1211流经的电流强度和电流频率不变时，随着外加磁场强度的增大，各张应力下的阻抗变化率均呈现先增后减的过程。在不同的张应力下，阻抗变化率的峰值不同，但不同峰值点所对应的外加磁场强度不同；或者，

在恒定电磁环境下，对于磁致伸缩系数不同的非晶丝，其阻抗随外加应力的变化是不同的。当非晶丝部1211的磁致伸缩系数为正，其阻抗随外加应力的增大而增大；或者，

在恒定电磁环境下，非晶丝部1211的磁致伸缩系数为负，其阻抗随外加应力的增大而减小。

根据本发明，通过上述设置的传感器121的非晶丝部1211在控制变量的情况下，其阻抗变化率均可呈现一种规则的变化过程，便于对其进行标定，并获取其最佳的工作性能，使得本发明的作业性能、测量精度更为优良。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，传感器121的非晶丝部1211最佳工作点的电流频率大于或等于20MHz，最佳工作点的电流强度大于或等于20mA；输入模块控制通电线圈122产生的磁场强度大于或等于200A/m。

根据本发明，通过上述设置的电流频率、电流强度和磁场强度使得本发明的传感器121的非晶丝部1211能够处于最佳工作点，使得本发明的测量精度和测量灵敏度更高。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，变应力传递单元111处于静止时，传感器121的非晶丝部1211加载的张应力大于或等于20Mpa，且小于1000Mpa。

根据本发明，通过将非晶丝部1211加载的张应力设置在上述范围内，可有效的激发非晶丝部1211的GSI效应，并使其处于最佳状态，以使得传感器121的响应速度、检测精度更高。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，本发明提供一种基于非晶丝GSI效应实现物体加速度测量的方法，其采用前述的装置所实现，包括以下步骤：

S1.将机械连接单元11固定安装在载体上，将传感器单元12中的传感器121与机械连接单元11相连接，将传感器单元12中的锁定块123与载体并对传感器121施加预设的张应力，以及将传感器单元12与电路单元13相连接；

S2.通过传感器单元12的通电线圈122对传感器121施加恒定磁场并调整磁场强度以使得非晶丝部处于最佳工作点，以及对传感器121提供高频交流电，基于恒定磁场和高频交流电对传感器进行参数标定，确定传感器121两端电压信号与加速度的对应关系；

S3.载体发生运动，械连接单元11的滑块111相对载体的加速度发生改变，产生相应的惯性力，使传感器121上的轴向张应力发生变化，处于恒定磁场下传感器121基于GSI效应产生阻抗变化，两端的电压也发生改变；

S4.通过电路单元13采集传感器121的电压信号，基于电压信号和对应关系计算出相对应的实时加速度并输出。

上述内容仅为本发明的具体方案的例子，对于其中未详尽描述的设备和结构，应当理解为采取本领域已有的通用设备及通用方法来予以实施。

以上所述仅为本发明的一个方案而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。