加速度計中壓力傳感器的排列的制作方法

專利名稱：加速度計中壓力傳感器的排列的制作方法
技術領域：
本發明涉及包括以下組件的裝置在裝置的操作使用中經歷加速度的物理組件；被配置以提供表示加速度的信號的加速度計。本發明還涉及ー種被配置成供裝置使用并且在該裝置的操作性使用中經歷加速度的物理組件，其中，該物理組件容納加速度計，本發明還涉及ー種加速度計以及制造加速度計的方法。
背景技術：
加速度計是熟知的器件，其被配 置為測量它們所附著的物理對象相對于自由下落(freefall)的加速度或減速度。特定類型的加速度計的操作是基于壓電傳感器的運行。物理對象的加速度和減速度使得機械應カ被施加到壓電傳感器的壓電元件。該機械應カ轉而引起跨過壓電元件的電壓。所引起的電壓被用作表示加速度或減速度的信號，并可以被用于控制例如依賴于所感測到的加速度或減速度的致動器。

發明內容
考慮加速度計，它的操作是基于感測作為加速度結果而在壓電元件中引起的電壓。在這樣的加速度計中使用的電子電路的典型配置使用差分放大器，該差分放大器在放大器的輸出端和放大器的反相輸入端之間具有電阻反饋路徑，并經由壓電元件和偏置電阻器的并行排列將放大器的非反相輸入端連接到信號地。壓電傳感器可以被建模為與電容量Cp的電容串聯的電壓源。該電壓源供應的電壓是表示所感測的速度的變化率。由電容的值Cp和偏置電阻器的阻值Rb確定傳感器的頻率響應特性的平坦部分的低頻極限。截止頻率(或低頻極限，或3dB截止頻率)具有等于I/ (2π -Cp-Rb )的量值。實際的偏置電阻器不是理想電阻器，從該意義上說，該偏置電阻器引入了作為電荷載體的熱擾動結果的噪聲電壓。該噪聲電壓由放大器放大并影響該放大器的輸出電壓。對于給定的頻寬Af，其中希望考慮熱噪聲的影響，實際偏置電阻器可以被建模為噪聲電壓源和具有電阻值Rb的理想偏置電阻器的串聯排列，該噪聲電壓源供應等于4-kB-T-Rb*Af的平方根的平均噪聲電壓。減少熱噪聲的ー種方式是降低電阻值Rb。但是，這在以上典型配置中具有増加截止頻率的不期待的影響。因此發明人提出以下構想。如果阻值Rb被改變X倍，則噪聲電平改變V X倍并且截止頻率改變1/X倍。如果壓電傳感器的電容Cp改變1/X倍，則可以維持截止頻率的水平。通常，壓電傳感器以単元銷售，它們的電特性無法調整。作為壓電傳感器存在的結果，放大器的非反相輸入端的電容值仍然可以通過在非反相輸入端使用兩個或更多個壓電傳感器來調整。例如，電阻值Rb降低1/2倍，熱噪聲降低V (1/2)倍。為了維持截止頻率的水平，可以彼此并且與偏置電阻器并聯兩個壓電傳感器。更具體地，本發明的實施例涉及包括ー種裝置，該裝置包括物理組件，經歷所述裝置的操作使用時的加速度；以及加速度計，被配置為用于提供表示該加速度的信號。加速度計包括具有以下部件的電子電路電壓放大器，具有輸入端和輸出端；多個基本相同的壓電傳感器；和偏置電阻器，連接在所述輸入端和信號地之間。多個壓電傳感器中的每ー個各自具有相應的第一電極、相應的第二電極，以及相應的主靈敏度的第一軸。安裝多個壓電傳感器使其第一軸彼此對準。安裝多個壓電傳感器中的每ー個以響應于具有平行于各自第ー軸的特定極性的矢量分量的加速度，在各自的第一電極處生成相應的正電壓并在各自的第二電極處生成相應的負電壓。多個壓電傳感器中的姆ー個各自電連接在電并聯在輸入端和信號地之間的多個電流路徑中相應的ー個中。多個壓電傳感器中的每ー個使其相應的第ー電極電連接于輸入端。考慮N個數量的電流路徑的平行排列，N是大于一的整數，其中，電流路徑中每一個各自容納相應的ー個壓電傳感器。偏置電阻器的阻值則可以降低N倍，結果，在維持相同的截止頻率等級的同時，相對于加速度計中僅使用單個壓電傳感器的配置中的熱噪聲，熱噪聲可以被降低V N倍。下面將進ー步討論根據發明的裝置的示例。在本發明的裝置的進ー步實施例中，多個電流路徑中的至少ー個包括另ー壓電傳感器。加速度計的輸入網絡的電氣配置是這樣的不管每個平行的電流路徑是否包括一個或多個壓電傳感器，由多個壓電傳感器產生的電壓都在放大器的輸入端處被求和。在特 定電流路徑中串聯排列的壓電傳感器使得能夠使用熱噪聲效應的分數調整(fractionaladjustment)。例如，考慮M個數量的平行電流路徑，每個都包括K個相同的壓電傳感器的串聯排列，其中M和K是正整數。為了維持截止頻率，偏置電阻器的阻值則被改變Κ/M倍且熱噪聲電壓將被改變V Κ/M倍。為了使得熱噪聲電壓降低，數量K要小于數量M。在發明的裝置的進ー步實施例中，多個壓電傳感器的第一個具有對加速度的輔助靈敏度的第一輔助軸。該第一輔助軸朝向不同于第一壓電傳感器的主靈敏度的主軸。多個壓電傳感器的第二個具有輔助靈敏度的第二輔助軸。該第二輔助軸朝向不同于第二壓電傳感器的主靈敏度的主軸。安裝第一壓電傳感器和第二壓電傳感器使得第一壓電傳感器響應于平行于第一壓電傳感器的第一輔助軸的加速度的另一矢量分量，在第一壓電傳感器的第一電極和第一壓電傳感器的第二電極之間生成另ー第一電壓；第二壓電傳感器響應于加速度的該另一矢量分量，在第二壓電傳感器的第一電極和第二壓電傳感器的第二電極之間生成另ー第二電壓；且該另一第一電壓和另ー第二電壓具有相反的極性。鑒于以下，進ー步的實施例是相關的。在加速度計中容納的每個壓電傳感器可以響應于不平行于壓電傳感器的靈敏度的主軸的方向上的加速度的另一矢量分量，生成寄生信號。記住，壓電傳感器是基本相同的，壓電傳感器使其主軸對準，且安裝壓電傳感器使得它們響應于平行于主軸的加速度的矢量分量，在其第一電極都生成相同極性的電壓。現在考慮成對地組織壓電傳感器，并考慮由第一壓電傳感器和第二壓電傳感器組成的特定對。在一方向上安裝第一壓電傳感器從而使第一壓電傳感器響應于具有與第一壓電傳感器的第一輔助軸對準的另一矢量分量的加速度，在第一電極生成特定極性的另ー第一電壓。如果在一方向上安裝第二壓電傳感器從而使第二壓電傳感器在其第一電極生成與該另ー第一電壓的特定極性相反的極性的另ー第二電壓，則第一和第二壓電傳感器的寄生信號基本上彼此抵消。考慮以下實施例，其中第一壓電傳感器和第二壓電傳感器中特定的每ー個的靈敏度的輔助軸的朝向相對于該特定的壓電傳感器的靈敏度的主軸基本垂直。則安裝第一壓電傳感器和第二壓電傳感器從而使它們的輔助軸對準，但是指向相反的方向，導致抵消由加速度的另一矢量分量引起的對放大器的輸入端的電壓的貢獻。如果以上述方式使壓電傳感器按對定向，則壓電傳感器產生的寄生信號被抵消。這適用于任意對的壓電傳感器，不論它們被安裝在平行電流路徑或是相同的電流路徑中的不同電流路徑中。本發明也涉及適于在上面所指定的裝置中使用的加速度計。本發明也涉及ー種物理組件，該物理組件被配置用于上面所指定的裝置中，并被配置為經歷該裝置的操作使用時的加速度，其中，該物理組件包括被配置以提供表示加速度的信號的加速度計。在下面進ー步討論該物理組件的示例。該加速度計可以在物理上與該物理組件集成或者以其它方式與該物理組件組合。組合體則可以被作為單獨的實體銷售，例如，作為售后附件或對現存裝置的升級，以便使得能夠作為現有裝置的備用部件，或作為裝置制造商的模塊測量物理組件的加速度。
本發明還涉及制造加速度計的方法。配置加速度計以提供表示加速度的信號。該加速度計包括具有以下部件的電子電路電壓放大器，具有輸入端和輸出端；基本相同的多個壓電傳感器；在輸入端和信號地之間連接的偏置電阻器。多個壓電傳感器中的每ー個各自具有相應的第一電極、相應的第二電極和相應的主靈敏度的主軸。所述方法包括選擇期望的截止頻率；確定指示偏置電阻器的熱噪聲的、輸入端處的可接受功率密度；取決于期望的截止頻率和可接受的功率密度，確定多個壓電傳感器的數量；安裝多個壓電傳感器中的每ー個以響應于具有平行于各自主軸的特定極性的矢量分量的加速度，在各自的第一電極生成相應的正電壓并在各自的第二電極生成相應的負電壓；安裝多個壓電傳感器使其主靈敏度的主軸彼此對準；并將多個壓電傳感器中的每ー個各自電連接在電并聯于輸入端和信號地之間的多電流路徑中相應的ー個中；并且將多個壓電傳感器中的每ー個各自的第ー電極電連接到輸入端。本發明的方法的實施例包括在多電流路徑中的至少ー個中電連接至少ー個另ー壓電傳感器。在本發明的方法的進ー步實施例中，多個壓電傳感器的第一個具有加速度的輔助靈敏度的第一輔助軸。該第一輔助軸朝向不同于第一壓電傳感器的主靈敏度的主軸。多個壓電傳感器的第二個具有輔助靈敏度的第二輔助軸。該第二輔助軸朝向不同于第二壓電傳感器的主靈敏度的主軸。該方法包括安裝第一壓電傳感器和第二壓電傳感器使得該第一壓電傳感器響應于平行于第一壓電傳感器的第一輔助軸的加速度的另一矢量分量，在第一壓電傳感器的第一電極和第一壓電傳感器的第二電極之間生成另ー第一電壓；第二壓電傳感器響應于加速度的該另一矢量分量，在第二壓電傳感器的第一電極和第二壓電傳感器的第二電極之間生成另ー第二電壓；且該另一第一電壓和另ー第二電壓具有相反的極性。


以舉例的方式并參考附圖，更詳細地說明本發明，其中圖I是裝置的已知實施例的框圖；圖2是用于建模壓電傳感器的電路的示圖；圖3是本發明中的裝置的第一實施例的框圖；圖4是本發明中的裝置的第二實施例的框圖5是本發明中的裝置的第三實施例的框圖；圖6、7、8、9、10和11是圖示取決于加速度的朝向的、由壓電傳感器產生的電壓的極性的示圖。貫穿各圖，類似或對應的特征由相同的附圖標記表示。
具體實施例方式本發明涉及包括物理組件和加速度計的裝置。該物理組件在裝置的操作使用時經歷加速度。該加速度計被配置為用于供應表示加速度的信號。例如，該裝置是機器，例如，固定エ業裝備，諸如橋梁或房屋之類的建筑物，諸如汽車、火車之類的車輛，諸如起重機或翻斗車之類的建筑裝備，諸如拖拉機或聯合收割機之類的農業裝備等。該物理組件例如包括滾動元件軸承、輪子或軸，輪子或軸的懸架的一部分，車輛的底盤(chassis)，橋梁或房屋的梁，等等。來自加速度計的信號可以被用于機器的物 理組件的狀態監控，例如，在物理組件的正確操作對機器的操作是關鍵的。例如，加速度計被用于測量機器中的滾動元件軸承的震動、或承載鐵路或公路的橋梁的梁的震動。替代地，加速度計可以是自動控制系統的集成功能部分。這樣的控制系統取決于該物理組件所經歷的加速度來控制機器的操作使用。例如，加速度計是汽車的主動懸架系統、防抱死制動系統或牽引控制系統的功能部分。該加速度計測量汽車的軸、輪子或懸架的另一部分的加速度。替代地，該裝置是形成與數據處理系統的人機接ロ的一部分的手持視頻游戲控制器。該視頻游戲控制器使用戶能基于移動該控制器來控制視頻游戲。圖I是裝置的已知實施例100的示圖。該已知實施例100包括加速度計102，該加速度計102用于感測已知實施例100的物理組件(未示出)的加速度或減速度。加速度計102操作性地在該加速度計102的輸出端104供應輸出信號。該輸出信號表示由加速度計102感測的物理組件的加速度或該物理組件的減速度。加速度計102的輸出端104連接到信號處理系統106。信號處理系統106操作性地處理該輸出信號。例如，信號處理系統保持已知實施例100的操作使用中由加速度計102感測的加速度和減速度的歷史。然后，表示輸出信號的數據被存儲在存儲器(未示出)中。替代地，信號處理系統106操作性地例如傳送無線電信號到外部接收器(未示出)，其中該無線電信號表示從輸出端104接收到的輸出信號。然后該接收器可能保存在已知實施例100的操作使用中、由加速度計102感測的加速度和/或減速度的歷史日志，或取決于輸出信號通過控制致動器(未示出)來觸發動作。替代地，該信號處理系統106操作性地例如在軟件的控制下處理接收的輸出信號以便于控制致動器(未示出)。加速度計102包括放大器108。在所示示例中，放大器108包括差分電壓放大器，該差分電壓放大器放大第一輸入端110處的第一電壓和第二輸入端112處的第二電壓之間的差，并供應所放大的差作為輸出端104的輸出信號。第一輸入端110經由第一壓電傳感器114連接到信號地。該第一輸入端110也經由偏置電阻器116連接到信號地。第二輸入端112經由第一電阻器118連接到輸出端104，并經由第二電阻器116連接到信號地。第一電阻器112和第二電阻器124形成輸出端104和信號地之間的電阻網絡，提供從輸出端104到第二輸入端112的反饋。注意，在放大器配置中連接已知為“非反相放大器”的電壓放大器108。對所有實際目的，這樣的非反相放大器的輸入阻抗可以被認為是無窮大的。該非反相放大器配置很好地適用于放大從高阻抗源接收的信號的目的，因為非反相放大器在其輸入端(這里是第一輸入端110)不汲取任何電流。非反相放大器在其輸入端汲取任何電流都將影響要被放大的信號的精度。現在參考圖2。圖2是用于建模壓電傳感器114的電路的圖示。如同已知的，第一壓電傳感器114使用諸如石英、鈦酸鋇(BaTiOs)和鋯鈦酸鉛(PZT)之類的某些材料的壓電效應來操作性地感測速度的改變率。第一壓電傳感器114可以被建模為與電容量Cp的電容204串聯的電壓源202。該電壓源202提供的電壓表示所感測的速度的改變率。如果偏置電阻器116是理想電阻器，則由電容204的值Cp和偏置電阻器116的電阻值Rb確定加速度計102的頻率響應特性的平坦部分的低頻極限。截止頻率(或低頻極限，或3dB截止頻率)具有等于1/(2 π ·(；·&)的量值。該偏置電阻器116不是理想電阻器。例如，該偏置電阻器116的阻值實際上取決于偏置電阻器116的溫度。假定偏置電阻器116的溫度可以被視為在偏置電阻116上基本均勻，從而可以確實談及偏置電阻器116的溫度。產生通過偏置電阻器116的電流的流動的電子經歷熱擾動。由電子的熱擾動產生的電子噪聲被稱為 “約翰遜噪聲”或“約翰遜-奈奎斯特噪聲”。由表達式4-kB -T-Rb給出熱噪聲的功率的頻譜密度(即，熱噪聲的帶寬的每赫茲功率或帶寬的每赫茲電壓的均方值)。這里，kB代表波爾茲曼常數，T代表溫度(以開爾文為単位)，如果偏置電阻器116是理想的，則Rb代表偏置電阻器116的以歐姆為單位的阻值。對于給定的頻率帶寬Af，其中希望考慮熱噪聲的電效應，實際的偏置電阻器116可以被建模為噪聲電壓源和具有阻值Rb的理想偏置電阻器106的串聯排列，該噪聲電壓源供應等于4 · kB · T · Rb · Af的平方根的平均噪聲電壓。為了降低由于偏置電阻器116的存在引起的熱噪聲效應，可以將阻值降低P3/4。但是，降低阻值Rb具有増加由表達式I/ (2 π · Cp · Rt )給定的截止頻率的不期待的影響。現在參考圖3。圖3是本發明中的裝置的第一實施例300的示圖，該第一實施例300的配置不同于圖I中的裝置的已知實施例100的配置。該第一實施例300包括加速度計102中的多個壓電傳感器。該多個壓電傳感器被電并聯。更具體地，該第一實施例300包括第一壓電傳感器114并包括例如，第二壓電傳感器302和第三壓電傳感器304。安裝第一壓電傳感器114、第二壓電傳感器302和第三壓電傳感器304使得第一實施例300的物理對象的加速度或減速度在第一壓電傳感器114、第二壓電傳感器302和第三壓電傳感器304上施加應カ或壓力。結果，第一壓電傳感器114、第二壓電傳感器302和第三壓電傳感器304經歷變形，使得跨過第一壓電傳感器114、第二壓電傳感器302和第三壓電傳感器304的相應的姆ー個的壓電材料而產生各自的電場。該電場又經由偏置電阻器116產生電流，結果，在第一輸入端110生成電壓。做出以下假設。第一壓電傳感器114、第二壓電傳感器302和第三壓電傳感器304關于它們的電特性是基本相同的。此外，已經將第一壓電傳感器114、第二壓電傳感器302和第三壓電傳感器304緊湊地安裝在一起以便在第一實施例300的操作使用中經歷物理對象的基本相同的速度的變化率。此外，已經安裝第一壓電傳感器114、第二壓電傳感器302和第三壓電傳感器304以便在空間上基本平行地排列它們的主朝向，即，它們主靈敏度的方向。也就是，安裝第一壓電傳感器114、第二壓電傳感器302和第三壓電傳感器304以便響應于加速度計102所經歷的加速度和減速度而產生通過偏置電阻器116的基本相同的電流。在以上表達“基本相同”、“基本相同”和“基本平行”中使用限定詞“基本”。該限定詞“基本”意圖傳達以下意義，小偏差是可接受的，但是對于本發明的內容中考慮的所有實際目的，第一壓電傳感器114、第二壓電傳感器302和第三壓電傳感器304被認為具有相同的配置，經歷相同的加速度和減速度，并具有指向相同方向的主朝向。現在，電氣地平行排列第一壓電傳感器114、第二壓電傳感器302和第三壓電傳感器304的結果是，在第一輸入端110的電容假定是值3CP。如果偏置電阻器116的阻值も現在減少3倍，則截止頻率保持不變且偏置電阻器116的熱噪聲減少V 3倍。圖3圖示了電氣地平行排列第一壓電傳感器114、第二壓電傳感器302和第三壓電傳感器304的第一實施例300。參考在圖3中平行排列三個壓電傳感器圖示的，應用到平行排列的任何實際數目N的壓電傳感器。鑒于在操作使用時要經歷基本相同的加速度或減速 度的壓電傳感器的要求，可以由例如任一對壓電傳感器之間的可接受最大距離來限制該數目N。因此，如果在第一輸入端110和信號地之間電氣地平行連接數量N的壓電傳感器，則可以將偏置電阻器116的阻值Rb降低N倍，從而維持如同參考在板上僅有單ー壓電傳感器的第一實施例100討論的截止頻率,并相對于第一實施例100中的熱噪聲水平將熱噪聲電壓降低V N倍。現在參考帶有本發明的裝置的第二實施例400的框圖的圖4。第二實施例400不同于第一實施例300在于第一輸入端110經由電氣地平行排列的第一路徑、第二路徑和第三路徑連接到信號地。該第一路徑包括第一壓電傳感器114和第四壓電傳感器402的串聯排列。第二路徑包括第二壓電傳感器302和第五壓電傳感器404的串聯排列。第三路徑包括第三壓電傳感器304和第六壓電傳感器406。應用關于第一實施例300的如上所述的相同的假設。即，第一壓電傳感器114、第二壓電傳感器302和第三壓電傳感器304、第四壓電傳感器402、第五壓電傳感器404和第六壓電傳感器406具有基本相同的配置，經歷基本相同的加速度和減速度，并且使它們的主朝向指向基本相同的方向。在第一輸入端處的電容現在具有3/2Cp的值。現在可以向偏置電阻器116給出2/3Rb的阻值，以便于維持截止頻率并便于將熱噪聲電壓降低V (2/3)倍。類似地，如果使用數量M的平行路徑，每個包括K個相同的壓電傳感器的串聯排列，則在第一輸入端110處的電容值將是M/K Cp。為了維持已知實施例100的截止頻率，偏置電阻器116的阻值則將變為K/M Rb并且熱噪聲電壓將改變V(K/M)倍。為了使得熱噪聲電壓的降低，數量K將小于數量M。如上所說明的，加速度計102被配置為測量在特定方向上的物理組件的加速度或減速度。出于此原因，第一實施例300中的第一壓電傳感器114、第二壓電傳感器302和第三壓電傳感器304以這樣的方式定位使得它們對加速度或減速度的各自的主靈敏度的方向與該特定方向對準。類似地，在第二實施例400中的第一壓電傳感器114、第二壓電傳感器302、第三壓電傳感器304、第四壓電傳感器402、第五壓電傳感器404和第六壓電傳感器406已經將它們各自的主靈敏度的方向對準到加速度或減速度的特定方向。但是，第一壓電傳感器114、第二壓電傳感器302、第三壓電傳感器304、第四壓電傳感器402、第五壓電傳感器404和第六壓電傳感器406的每個相應的也對于除了該特定方向之外的方向上的加速度或減速度靈敏。這些其他方向上，期望抑制第一壓電傳感器114、第二壓電傳感器302、第三壓電傳感器304、第四壓電傳感器402、第五壓電傳感器404和第六壓電傳感器406對加速度計102的加速度和減速度的寄生響應(spurious response)。現在參考本發明中的裝置的第三實施例500的框圖的圖5。現在加速度計102包括偶數個壓電傳感器的平行排列第一壓電傳感器114、第二壓電傳感器302、第三壓電傳感器304和第七壓電傳感器502。如同在第一實施例300和在第二實施例400中，第一壓電傳感器114、第二壓電傳感器302、第三壓電傳感器304和第七壓電傳感器502是基本相同的配置并且使它們對加速度或減速度的主靈敏度的方向互相對準。可以成對地組織偶數個的壓電傳感器。例如，第一壓電傳感器114和第二壓電傳感器302形成第一對504。第三壓電傳感器304和第七壓電傳感器502形成第二對506。現在，第一對504和第二對506的每ー對的壓電傳感器以這樣的方式安裝使得當加速度計102經歷除了它們主靈敏度的特定方向之外的方向上的加速度或減速度時，它們生成相反極性的響應。為了說明這個，參考圖6、圖7、圖8、圖9、圖10和圖11。現在參考圖6、圖7、圖8、圖9、圖10和圖11。圖6_11的示示了取決于關于參考壓電傳感器600的加速度的朝向，由參考壓電傳感器600產生的電壓的依賴性。如已 知的，用具有大小和方向的矢量表示加速度。關于一起跨越三維空間的第一軸602、第二軸604和第三軸606指定加速度矢量的方向。注意第一軸602、第二軸604和第三軸606的方向性。第一軸602、第二軸604和第三軸606的特定ー個的方向性使得能夠指定沿著特定軸的矢量分量的極性是正還是負。假定參考壓電傳感器600的靈敏度的主軸是第二軸604。在圖6中，用沿著第三軸606指向上方的矢量608表不加速度。參考壓電傳感器600的第一端A的第一電位則是正的且第二端B的第二電位則是負的。方便起見，第一端A和第二端B之間的合成電壓被定義為當從第一電位減去第二電位時得出的標量。圖6的情形下的合成電壓是正的。在圖7中，用沿著第三軸606指向下方的矢量702表示加速度。參考壓電傳感器600的第一端A的第一電位則是負的且第二端B的第二電位則是正。圖7的情形下的合成電壓則是負的。在圖8中，用沿著第二軸604指向并遠離觀察者的矢量802表示加速度。參考壓電傳感器600的第一端A的第一電位則是負的且第二端B的第二電位則是正的。圖8的情形下的合成電壓則是負的。在圖9中，用沿著第二軸604指向并朝向觀察者的矢量902表示加速度。參考壓電傳感器600的第一端A的第一電位則是正的且第二端B的第二電位則是負的。圖9的情形下的合成電壓則是正的。在圖10中，用沿著第一軸602指向并指向右邊的矢量1002表示加速度。參考壓電傳感器600的第一端A的第一電位則是負的且第二端B的第二電位則是正的。圖10的情形下的合成電壓則是負的。在圖11中，用沿著第一軸602指向并指向右邊的矢量1102表示加速度。參考壓電傳感器600的第一端A的第一電位則是正的且第二端B的第二電位則是負的。圖11的情形下的合成電壓則是正的。參考圖5、圖8-11,現在考慮第三實施例500中的第一壓電傳感器114和第二壓電傳感器302形成的第一對504。第一壓電傳感器114和第二壓電傳感器302實際上是相同的。假定第一壓電傳感器114和第二壓電傳感器302的每個的特性與參考壓電傳感器600的特性相同，如同參考該參考壓電傳感器600的圖6-11所討論的。進ー步假定，第一壓電傳感器114和第二壓電傳感器302的每個的特性是反対稱的。即，當經歷某個大小和在某個方向上的加速度時，第一壓電傳感器114和第二壓電傳感器302的每個產生某個大小和某個極性的第一電壓，并當經歷相反方向上相同大小的加速度時，產生相同大小但是相反極性的第二電壓。進ー步假定，例如在PCB上第一壓電傳感器114和第二壓電傳感器302被安裝地彼此靠近并且它們的靈敏度的主軸平行。還假定，第一壓電傳感器114的主軸和第二壓電傳感器302的主軸姆個都對應于圖6中的參考壓電傳感器600的第二軸604。進一步假定，沿著第一軸602的加速度被認為與加速度計102的操作無關并產生第一端A和第二端B之間的寄生電壓。現在考慮以下情況，安裝第一壓電傳感器114和第二壓電傳感器302使其各自的第一軸602、各自的第二軸604和各自的第三軸606處于相同的各自的朝向和方向性。即，第一壓電傳感器114的第一軸602的朝向和方向性與第二壓電傳感器302的第一軸602的朝向和方向性相同；第一壓電傳感器114的第二軸604的朝向和方向性與第二壓電傳感器 302的第二軸604的朝向和方向性相同；第一壓電傳感器114的第三軸606的朝向和方向性與第二壓電傳感器302的第三軸606的朝向和方向性相同。當經歷具有沿著第一壓電傳感器114的第一軸602的矢量分量以及具有沿著第二壓電傳感器302的第一軸的相同的矢量分量的加速度時，第一壓電傳感器114和第二壓電傳感器302在它們的各自的第一電極A和它們各自的第二電極B之間產生相同電壓。在加速度計102中，第一壓電傳感器114的第ー電極A和第二壓電傳感器302的第一電極A則被彼此連接。同樣地，在加速度計102中，第一壓電傳感器114的第二電極B和第二壓電傳感器302的第二電極B則被彼此連接。結果，響應于具有沿著第一軸602的矢量分量的加速度，第一壓電傳感器114和第二壓電傳感器302產生寄生電壓。該寄生電壓具有相同的極性并疊加在放大器108的第一輸出端110并將被放大。現在，想象如下情形，其中在PCB上安裝第一壓電傳感器114和第二壓電傳感器302以便相對于彼此繞第二軸604旋轉180°。該旋轉使得第一壓電傳感器114的第一軸的方向性和第二壓電傳感器302的方向性彼此相反。結果，響應于具有沿著第一軸602的矢量分量的加速度，第一壓電傳感器114和第二壓電傳感器302產生相反極性的寄生電壓。因此，第一壓電傳感器114和第二壓電傳感器302產生的寄生電壓在放大器108的第一輸入端110處彼此抵消。類似的考慮應用于圖5的第三實施例500中的第三壓電傳感器304和第七壓電傳感器502的安裝。同樣的，類似的考慮應用于包括放大器108的第一輸入端110之間的多個平行路徑的任何加速度計102，其中每個相應的路徑包括相應的單個壓電傳感器或兩個或更多個壓電傳感器的相應的串聯排列。 壓電傳感器的示例是Murata Manufacturing Co. , Ltd制造的沖擊傳感器PKGS-25NB-R 和沖擊傳感器 PKGS-90-LD。該 PKGS-25NB-R 和 PKGS-90-LD 是回流焊接的 SMD(表面安裝器件)型，并且每個都具有主靈敏度的首要軸。這些PKGS系列的沖擊傳感器是包括具有壓電陶瓷盤的隔膜(diaphragm)(未示出)的壓電傳感器，該壓電陶瓷盤與金屬盤形成疊層并在其外圍被支撐。該壓電傳感器產生該傳感器經歷的撞擊或震動成比例的電信號。該PKGS-90-LD具有下列電特性0. 28pC/G的典型靈敏度；755pF的典型電容值Cp ；22kHz的典型諧振頻率。考慮落在例如5Hz-10Hz范圍內的截止頻率作為實際示例。如同圖I的已知實施例100中的，如果在加速度計102中僅使用單個壓電傳感器114，則偏置電阻器116則可能具有100M歐姆的阻值Rb。在ΙΗζ-ΙΟΟΗζ的頻帶中的熱噪聲則約是I. 97 μ V(rms)0當使用兩個平行排列的壓電傳感器時，可以將偏置電阻器116的阻值Rb設為50M歐姆，并降低熱噪聲到約1.4yV (rms)。如圖3的第一實施例300,使用平行排列的三個壓電 傳感器，可以將偏置電阻116的阻值P3/4設為33M歐姆，并降低熱噪聲到約I. 14μ V(rms)。如圖5的第三實施例500，使用平行排列的四個壓電傳感器，可以將偏置電阻器116的阻值 Rb設為25M歐姆，并降低熱噪聲到約O. 99 μ V (rms)。
權利要求
1.ー種裝置(300 ；400 ；500)包括物理組件，經歷所述裝置的操作使用時的加速度；以及加速度計(102)，被配置為用于提供表示該加速度的信號； 其中 所述加速度計包括具有以下部件的電子電路 -電壓放大器(108)，具有輸入端(110)和輸出端(104)；-基本相同的多個壓電傳感器(I 14，302，304，502);和 -偏置電阻器(116)，連接在所述輸入端和信號地之間； 所述多個壓電傳感器中的每ー個各自具有相應的第一電極、相應的第二電極，以及相應的主靈敏度的主軸(604)； 安裝所述多個壓電傳感器中的每ー個以響應于具有平行于各自主軸的特定極性的矢量分量的加速度，在各自的第一電極處生成相應的正電壓并在各自的第二電極處生成相應的負電壓； 安裝所述多個壓電傳感器使其主靈敏度的主軸彼此對準； 所述多個壓電傳感器中每ー個各自電連接在所述輸入端和信號地之間電并聯的多個電流路徑中相應的ー個中；以及 所述多個壓電傳感器中每ー個各自使其相應的第一電極電連接到所述輸入端。
2.根據權利要求I所述的裝置，其中所述多個電流路徑中的至少ー個包括至少另ー壓電傳感器(402，404，406)。
3.根據權利要求I或2所述的裝置，其中 所述多個壓電傳感器中的第一個(114 ;304)具有對所述加速度的輔助靈敏度的第一輔助軸(602)； 所述第一輔助軸朝向與所述第一壓電傳感器的主靈敏度的主軸不同； 所述多個壓電傳感器中的第二個(302 ；502)具有輔助靈敏度的第二輔助軸(602)； 所述第二輔助軸朝向與所述第二壓電傳感器的主靈敏度的主軸不同； 安裝所述第一壓電傳感器和所述第二壓電傳感器使得 -所述第一壓電傳感器響應于與所述第一壓電傳感器的第一輔助軸平行的加速度的另一矢量分量，在所述第一壓電傳感器的第一電極和所述第一壓電傳感器的第二電極之間生成另ー第一電壓； -所述第二壓電傳感器響應于所述加速度的該另一矢量分量，在所述第二壓電傳感器的第一電極和所述第二壓電傳感器的第二電極之間生成另ー第二電壓；以及-所述另ー第一電壓和所述另ー第二電壓具有相反的極性。
4.ー種物理組件，被配置以在ー裝置(300 ；400 ;500)中使用并經歷所述裝置的操作使用時的加速度，其中 所述物理組件包括加速度計(102)，所述加速度計(102)被配置為提供表示加速度的信號; 所述加速度計包括具有以下部件的電子電路 -電壓放大器(108)，具有輸入端(110)和輸出端(104)； -基本相同的多個壓電傳感器(114，302，304，502 )；以及 -偏置電阻器(116)，連接在所述輸入端和信號地之間；所述多個壓電傳感器中的每ー個各自具有相應的第一電極、相應的第二電極，以及相應的主靈敏度的主軸(604)； 安裝所述多個壓電傳感器中的每ー個以響應于具有平行于各自主軸的特定極性的矢量分量的加速度，在各自的第一電極處生成相應的正電壓并在各自的第二電極處生成相應的負電壓； 安裝所述多個壓電傳感器使其主靈敏度的主軸彼此對準； 所述多個壓電傳感器中的每ー個各自電連接在所述輸入端和信號地之間電并聯的多個電流路徑的相應的ー個中；以及 所述多個壓電傳感器中的每ー個各自使相應的第一電極電連接到所述輸入端。
5.根據權利要求4所述的物理組件，其中所述多個電流路徑的至少ー個包括至少另ー壓電傳感器(402，404，406)。
6.根據權利要求4或5所述的物理組件，其中 所述多個壓電傳感器中的第一個(114 ;304)具有對所述加速度的輔助靈敏度的第一輔助軸(602)； 所述第一輔助軸朝向與所述第一壓電傳感器的主靈敏度的主軸不同； 所述多個壓電傳感器中的第二個(302 ;502)具有輔助靈敏度的第二輔助軸(602)； 所述第二輔助軸朝向與所述第二壓電傳感器的主靈敏度的主軸不同； 安裝所述第一壓電傳感器和所述第二壓電傳感器使得 -所述第一壓電傳感器響應于平行于所述第一壓電傳感器的第一輔助軸的加速度的另一矢量分量，在所述第一壓電傳感器的第一電極和所述第一壓電傳感器的第二電極之間生成另ー第一電壓； -所述第二壓電傳感器響應于所述加速度的該另一矢量分量，在所述第二壓電傳感器的第一電極和所述第二壓電傳感器的第二電極之間生成另ー第二電壓；以及-所述另ー第一電壓和所述另ー第二電壓具有相反的極性。
7.ー種加速度計(102)，被配置為提供表示加速度的信號，其中 所述加速度計包括具有以下部件的電子電路 -電壓放大器(108)，具有輸入端(110)和輸出端(104)； -基本相同的多個壓電傳感器(I 14，302，304，502);和 -偏置電阻器(116)，連接在所述輸入端和信號地之間； 所述多個壓電傳感器中的姆ー個各自具有相應的第一電極、相應的第二電極，和相應的主靈敏度的主軸(604)； 安裝所述多個壓電傳感器中的每ー個以響應于具有平行于各自主軸的特定極性的矢量分量的加速度，在各自的第一電極處生成相應的正電壓并在各自的第二電極處生成相應的負電壓； 安裝所述多個壓電傳感器使其主靈敏度的主軸彼此對準； 所述多個壓電傳感器中的每ー個各自電連接在所述輸入端和信號地之間電并聯的多個電流路徑中相應的ー個中；以及 所述多個壓電傳感器中的每ー個各自使得相應的第一電極電連接到所述輸入端。
8.根據權利要求7所述的加速度計，其中多個電流路徑中的至少ー個包括至少另ー壓電傳感器(402，404，406)。
9.根據權利要求7或8所述的加速度計，其中 所述多個壓電傳感器中的第一個(114)具有對所述加速度的輔助靈敏度的第一輔助軸(602)； 所述第一輔助軸朝向與所述第一壓電傳感器的主靈敏度的主軸不同； 所述多個壓電傳感器中的第二個(302)具有輔助靈敏度的第二輔助軸(602); 所述第二輔助軸朝向與所述第二壓電傳感器的主靈敏度的主軸不同； 安裝所述第一壓電傳感器和所述第二壓電傳感器使得 -所述第一壓電傳感器響應于平行于所述第一壓電傳感器的第一輔助軸的所述加速度的另一矢量分量，在所述第一壓電傳感器的第一電極和所述第一壓電傳感器的第二電極之間生成另ー第一電壓； -所述第二壓電傳感器響應于加速度的該另一矢量分量，在所述第二壓電傳感器的第ー電極和所述第二壓電傳感器的第二電極之間生成另ー第二電壓；以及-所述另ー第一電壓和所述另ー第二電壓具有相反的極性。
10.一種制造加速度計(102)的方法，其中 所述加速度計被配置以提供表示加速度的信號 所述加速度計包括具有以下部件的電子電路 -電壓放大器(108)，具有輸入端(110)和輸出端(104)； -基本相同的多個壓電傳感器(I 14，302，304，502);以及 -偏置電阻器(116)，連接在輸入端和信號地之間； 所述多個壓電傳感器中的姆ー個各自具有相應的第一電極、相應的第二電極，和相應的主靈敏度的主軸(604)； 所述方法包括 選擇期望的截止頻率； 確定在所述輸入端可接受的指示偏置電阻器的熱噪聲的功率密度等級； 依賴于所期望的截止頻率和可接受的功率密度，確定所述多個壓電傳感器的數量； 安裝所述多個壓電傳感器中的每ー個以響應于具有平行于各自的主軸的特定極性的矢量分量的加速度，在各自的第一電極處生成相應的正電壓并在各自的第二電極處生成相應的負電壓； 安裝所述多個壓電傳感器使其主靈敏度的主軸彼此對準； 將所述多個壓電傳感器中的每ー個各自電連接在所述輸入端和信號地之間電并聯的多個電流路徑相應的ー個中；以及 將所述多個壓電傳感器中的姆ー個相應的第一電極電連接到輸入端。
11.根據權利要求10所述的方法，包括在所述多個電流路徑中的至少ー個中電連接至少另ー壓電傳感器(402，404, 406)。
12.根據權利要求10或11所述的方法，其中 所述多個壓電傳感器中的第一個(114)具有對所述加速度的輔助靈敏度的第一輔助軸(602)； 所述第一輔助軸朝向與所述第一壓電傳感器的主靈敏度的主軸不同；所述多個壓電傳感器中的第二個(302)具有輔助靈敏度的第二輔助軸(602); 所述第二輔助軸朝向與所述第二壓電傳感器的主靈敏度的主軸不同； 所述方法包括安裝所述第一壓電傳感器和所述第二壓電傳感器使得 -所述第一壓電傳感器響應于平行于所述第一壓電傳感器的第一輔助軸的加速度的另一矢量分量，在所述第一壓電傳感器的第一電極和所述第一壓電傳感器的第二電極之間生成另ー第一電壓； -所述第二壓電傳感器響應于所述加速度的另一矢量分量，在所述第二壓電傳感器的第一電極和所述第二壓電傳感器的第二電極之間生成另ー第二電壓；以及-所述另ー第一電壓和所述另ー第二電壓具有相反的極性。
全文摘要
一種加速度計(102)，通過電平行排列的多個壓電傳感器(114，302，304)響應于加速度而產生的電壓來感測特定方向上的加速度。壓電傳感器的靈敏度的主軸被對準并指向相同的方向。平行排列使得能夠控制源自并聯到壓電傳感器的平行排列的偏置電阻器(116)的、加速度計的輸出信號的熱噪聲電平。
文檔編號G01P15/09GK102859369SQ201080065963
公開日2013年1月2日 申請日期2010年2月2日 優先權日2010年2月2日
發明者H.A.莫爾, L.戈莫斯 申請人:Skf公司