CN100429520C

CN100429520C - 一种压电式三维加速度传感器

Info

Publication number: CN100429520C
Application number: CNB2006100950122A
Authority: CN
Inventors: 刘俊; 秦岚; 刘京诚; 李敏
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2006-08-04
Filing date: 2006-08-04
Publication date: 2008-10-29
Anticipated expiration: 2026-08-04
Also published as: CN1904621A

Abstract

一种压电式三维加速度传感器。它包括一个隔离基座、罩装在该基座上的带插座的壳体、通过预紧螺栓固定地安装在该壳体内的隔离基座的安装盘上的晶片定位架、压电元件、绝缘垫片和惯性质量块、以及连接压电元件与插座的信号引线。其中的压电元件是四片X0°切型石英晶片和四片Y0°切型石英晶片，它们分别安装在两块绝缘垫片之间的一个晶片定位架的四角和四边内。与现有的压电式三维加速度传感器相比较，本发明传感器的重量轻、结构简单、易于加工制造；由于采用了差动测量方式的原因，在外力较小时其输出信号强，其灵敏度高，能克服因环境的变化给测量带来的误差。

Description

一种压电式三维加速度传感器

技术领域

本发明涉及加速度传感器，具体讲，是涉及能进行三维加速度测量的压电式加速度传感器。

背景技术

压电式三维加速度传感器可以同时测量空间三个方向的振动或冲击加速度。目前，公知的压电式三维加速度传感器主要采取两种方案，一种是由在以金属壳体中装入三只具有独立输出的单向加速度传感器，它们相互垂直安装在一起而组成，这类传感器的体积和自重都偏大；另一种是剪切、压缩复合型三维压电加速度传感器，如图1所示，它是将三组压电元件按最大灵敏度轴互成90°角的方式组合后安装在基座上，然后在压电元件上装上惯性质量块预紧后，将壳体和基座焊接在一起，但这种压电式三维加速度传感器在外部振动力较小时输出信号微弱，灵敏度不高，同时还不能克服因环境的变化而引起的测量误差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有的压电式三维加速度传感器之不足，提出一种不但结构简单、重量轻、易于加工制造、在外力较小时其输出信号强、灵敏度高，同时还能克服因环境的变化给测量带来的误差的一种压电式三维加速传感器。

解决本发明的技术问题所采用的技术方案是这样一种压电式三维加速度传感器。与现有的传感器相同的方面是，该传感器包括基座，罩装在该基座上的带插座的壳体，通过预紧螺栓固定地安装在该壳体内的基座安装盘上的晶片定位架、压电元件、绝缘垫片和惯性质量块，以及连接压电元件与插座的信号引线。其改进之处是，其中的基座为隔离基座——通过该基座轴线的竖直截面为工字型，工字型的上一横划部分是基座安装盘，该基座安装盘是其垂直于基座轴线的截面为正方形的一个长方体，基座轴线通过基座安装盘的正方形截面的中心。本发明中，通过拧在该基座上且与该基座轴线同轴的预紧螺栓、在基座安装盘的上表面上从下到上依次固定有绝缘垫片、安装有压电元件的晶片定位架、绝缘垫片和惯性质量块。其中的晶片定位架也是其垂直于基座轴线的截面为正方形的一个长方体，基座轴线通过晶片定位架的正方形截面的中心，且晶片定位架的正方形截面与基座安装盘的正方形截面相等。在该晶片定位架中有均匀分布的八个尺寸相等的正方形的安装压电元件在其内的晶片定位孔，各晶片定位孔的中心连线为正方形、各晶片定位孔的四边均对应地与晶片定位架的四边平行。本发明的压电元件为石英晶片，安装定位在各晶片定位孔中心连线四角的晶片定位孔中的石英晶片均为X0°切型石英晶片，这四块石英晶片的最大灵敏度轴均垂直于基座安装盘的上表面、且相邻角石英晶片的最大灵敏度轴的轴向相反；安装定位在各晶片定位孔中心连线四边中点处的晶片定位孔中的石英晶片均为Y0°切型石英晶片，其中相对两块石英晶片的最大灵敏度轴同轴且轴向相反。各石英晶片的厚度相等、且不小于晶片定位架的厚度；各石英晶片通过信号引线、插座，与差动式电荷放大器连接。

当本发明的传感器感应到平行于预紧螺栓方向(设为Z向)的加速度时，传感器中的惯性质量块将产生一个与该加速度方向相反的惯性力，这时，由于预紧力的原因，一对石英晶片相当于受拉，另一对石英晶片相当于受压，结果在两对X0°切型石英晶片的表面上产生正负变化的电荷；当本发明的传感器感应到一个既垂直于预紧螺栓方向、又垂直于晶片定位架的一个侧面(设为X向)、或者一个既垂直于预紧螺栓方向、又垂直于晶片定位架的另一个侧面(设为Y向)的加速度时，该惯性质量块将产生一个与上述加速度方向相反的惯性力，于是，定位在两组对边中点处的晶片定位孔中的两片Y0°切型石英晶体片的上表面上也将分别产生正电荷和负电荷的电荷变化；同理，当本发明的传感器同时感应到三个方向的加速度时，八个晶片定位孔中的石英晶片将产生相应的正负变化的电荷，这些不同的正负变化的电荷信号通过各个电极、信号引线、插座、最终传递到差动式电荷放大器，这样，就实现了对被测的三维加速度的差动式测量。

本发明的有益效果是：

与现有的在金属壳体中装入三只相互垂直的具有独立输出的单向加速度传感器组成的压电式三维加速度传感器相比较，本发明的传感器由于只有一个惯性质量块，故重量轻、结构简单、易于加工制造；与现有的将三组压电元件按最大灵敏度轴互成90°的方式组合后安装在基座上的传感器相比较，由于采用了差动测量方式的原因，在外力较小时其输出信号强，其灵敏度高，能克服因环境的变化给测量带来的误差。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1是现有的一种压电式三维加速度传感器中的内部结构简图；

图2是本发明的结构简图；

图3是图2的俯视图；

图4是图2中的晶片定位架及其石英晶片的安装图；

图5是图4的俯视图；

图6是图4中一片石英晶片的结构简图。

具体实施方式

一种压电式三维加速度传感器(参考图2、3、4、5)。该传感器包括基座，罩装在该基座上的带插座2的壳体，通过预紧螺栓固定地安装在该壳体内的基座安装盘上的晶片定位架、压电元件、绝缘垫片和惯性质量块，以及连接压电元件与插座2的信号引线。其中：基座1为隔离基座——通过该基座轴线的竖直截面为工字型，工字型的上一横划部分是基座安装盘11，该基座安装盘11是其垂直于基座轴线的截面为正方形的一个长方体，基座轴线通过基座安装盘的正方形截面的中心。本发明中，通过拧在该基座1上且与该基座1轴线同轴的预紧螺栓、在基座安装盘11的上表面上从下到上依次固定有绝缘垫片4、安装有压电元件的晶片定位架3、绝缘垫片4和惯性质量块6。其中的晶片定位架3也是其垂直于基座轴线的截面为正方形的一个长方体，基座轴线通过晶片定位架3的正方形截面的中心，晶片定位架3的正方形截面与基座安装盘11的正方形截面相等。在该晶片定位架3中有均匀分布的八个尺寸相等的正方形的安装压电元件在其内的晶片定位孔，各晶片定位孔的中心连线为正方形、各晶片定位孔的四边均对应地与晶片定位架3的四边平行。所有的压电元件均为石英晶片(81、82、83、84、85、86、87、88)，安装定位在各晶片定位孔中心连线四角晶片定位孔中的石英晶片(81、83、85、87)均为X0°切型石英晶片，这四块石英晶片(81、83、85、87)的最大灵敏度轴均垂直于基座安装盘11的上表面、且相邻角石英晶片的最大灵敏度轴的轴向相反；安装定位在各晶片定位孔中心连线四边中点处的晶片定位孔中的石英晶片(82、84、86、88)均为Y0°切型石英晶片，其中相对的两块石英晶片(82与86、84与88)的最大灵敏度轴同轴且轴向相反(参见图5中的箭头方向)；所有的石英晶片(81、82、83、84、85、86、87、88)的厚度相等、且不小于晶片定位架3的厚度；各石英晶片(81、82、83、84、85、86、87、88)通过信号引线、插座2，与差动式电荷放大器连接。

通过上述具体实施方式的披露，再结合方案中对本发明原理的介绍和优越性的说明，本领域的技术人员已完全能够再现本发明了。故，上述具体实施方式也是以下各例的总述，在以下各例中，与该总述相同的内容不赘述。

实施例1(参考图4、5、6)：

本例是在总述部分的基础上，在提高本发明加工工艺性方面的进一步细化，在本例中，各石英晶片(81、82、83、84、85、86、87、88)的两面均各有一个与对应的信号引线连接的电极(801、802)，所有电极(801、802)均位于晶片定位架3的边缘。

实施例2(参考图2)：

本例是在总述部分或实施例1的基础上，针对其中的隔离基座的具体举例。在本例中，隔离基座1腰间环槽的实体部分的横截面为正方形(该横截面视图未画)，其四边与基座安装盘11的四边平行，其周长等于基座安装盘11周长的1/2(显然，该环槽的实体部分与基座安装盘11的轴线均与预紧螺栓同轴)。

实施例3(参考图2)：

本例是在总述部分或实施例1的基础上，针对其中的隔离基座的具体举例。在本例中，隔离基座1腰间环槽的实体部分的横截面为圆形(该横截面视图未画)，其直径为基座安装盘11任一边长的1/2。

实施例4(参考图2、3)：

本例是在总述部分、实施例1或实施例2的基础上，针对其中预紧螺栓的举例。在本例中，预紧螺栓由一根双头螺杆51与一个预紧螺母52构成，所述惯性质量块6的上表面有容纳下该预紧螺母52、且该预紧螺母52及其对应的螺杆头不超出惯性质量块6的上表面的沉孔。

Claims

1、一种压电式三维加速度传感器，该传感器包括基座，罩装在该基座上的带插座(2)的壳体，通过预紧螺栓固定地安装在该壳体内的基座安装盘上的晶片定位架、压电元件、绝缘垫片和惯性质量块，以及连接压电元件与插座(2)的信号引线，其特征在于，所述基座(1)为隔离基座，通过该基座轴线的竖直截面为工字型，工字型的上一横划部分是基座安装盘(11)，该基座安装盘(11)是其垂直于基座轴线的截面为正方形的一个长方体，基座轴线通过基座安装盘的正方形截面的中心；通过拧在该基座(1)上且与该基座(1)轴线同轴的预紧螺栓、在基座安装盘(11)的上表面上从下到上依次固定有绝缘垫片(4)、安装有压电元件的晶片定位架(3)、绝缘垫片(4)和惯性质量块(6)；其中的晶片定位架(3)也是其垂直于基座轴线的截面为正方形的一个长方体，基座轴线通过晶片定位架(3)的正方形截面的中心，晶片定位架(3)的正方形截面与基座安装盘(11)的正方形截面相等；在该晶片定位架(3)中有均匀分布的八个尺寸相等的正方形的安装压电元件在其内的晶片定位孔，各晶片定位孔的中心连线为正方形、各晶片定位孔的四边均对应地与晶片定位架(3)的四边平行；所述的压电元件为石英晶片(81、82、83、84、85、86、87、88)，安装定位在各晶片定位孔中心连线四角的晶片定位孔中的石英晶片(81、83、85、87)均为X0°切型石英晶片，这四块石英晶片(81、83、85、87)的最大灵敏度轴均垂直于基座安装盘(11)的上表面、且相邻角的石英晶片的最大灵敏度轴的轴向相反；安装定位在各晶片定位孔中心连线四边中点处的晶片定位孔中的石英晶片(82、84、86、88)均为Y0°切型石英晶片，其中相对的两块石英晶片(82与86、84与88)的最大灵敏度轴同轴且轴向相反；所述的各石英晶片(81、82、83、84、85、86、87、88)的厚度相等、且不小于晶片定位架(3)的厚度；各石英晶片(81、82、83、84、85、86、87、88)通过信号引线、插座(2)，与差动式电荷放大器连接。

2、根据权利要求1所述的压电式三维加速度传感器，其特征在于，所述的各石英晶片(81、82、83、84、85、86、87、88)的两面均各有一个与对应的信号引线连接的电极(801、802)，所有电极(801、802)均位于晶片定位架(3)的边缘。

3、根据权利要求1或2所述的压电式三维加速度传感器，其特征在于，所述隔离基座(1)腰间环槽的实体部分的横截面为正方形，其四边与基座安装盘(11)的四边平行，其周长等于基座安装盘(11)周长的1/2；或者是，所述隔离基座(1)腰间环槽的实体部分的横截面为圆形，其直径为基座安装盘(11)任一边长的1/2。

4、根据权利要求1或2所述的压电式三维加速度传感器，其特征在于，所述预紧螺栓由一根双头螺杆(51)与一个预紧螺母(52)构成，所述惯性质量块(6)的上表面有容纳下该预紧螺母(52)、且该预紧螺母(52)及其对应的螺杆头不超出惯性质量块(6)的上表面的沉孔。

5、根据权利要求3所述的压电式三维加速度传感器，其特征在于，所述预紧螺栓由一根双头螺杆(51)与一个预紧螺母(52)构成，所述惯性质量块(6)的上表面有容纳下该预紧螺母(52)、且该预紧螺母(52)及其对应的螺杆头不超出惯性质量块(6)的上表面的沉孔。