CN100594384C - 正交环型压电加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种压电加速度计，其敏感元件是轴对称的，包括四个弹性臂、一个质量块和一基座，弹性臂呈折环形或弧形，四个弹性臂两两相对构成一个正交环形对称结构将质量块与基座连接起来，所述弹性臂本身由压电材料制成或者在其上对称地粘贴有压电片。该加速度计可以进行三轴测量，并且由于结构的对称性，测量轴向加速度时，横向加速度的响应被减掉；测量横向加速度时，轴向加速度响应被减掉，因此通道间的干扰被抑制到最小。本发明的三向加速度计具有灵敏度高、横向干扰小、制作工艺较简单的特点，可广泛应用于工业生产、科学研究和国防领域。

Description

正交环型压电加速度计

技术领域

本发明属于传感器和换能器技术领域，具体涉及到一种压电加速度计。

背景技术

传感器技术是现代科技的前沿技术，是现代信息技术的三大支柱之一，其水平的高低是衡量一个国家科技发展水平的重要标志之一，加速度计作为一种传感器被广泛地应用于航空航天、汽车工业、自动化控制、机器人、生物医学以及军事领域。

加速度计按传感的敏感材料来分可以分为压电式、电容式、动圈式、压阻式、隧道式、扭摆式、力平衡式、谐振式、光纤、温度效应等加速度计；按感应的方向可以分为单轴加速度计和多轴加速度计。

尽管加速度计的种类很多，但是压电加速度计目前依然占主要地位。压电加速计的基本原理是牛顿力学，主要是利用了压电材料的压电效应，它的特点是：高Q值、低阻尼、高的输出阻抗、温度范围广。所谓压电效应是指某些晶体在受到外力作用而发生形变时，在它的某些表面上会出现电荷。压电加速度计的敏感单元是在基座上通过弹性元件连接质量块，弹性元件由压电材料构成或在其上附有压电材料，当外界的加速度作用在基座上时，质量块会受到惯性力的作用，并产生相应的振动，弹性元件在质量块的作用下会发生形变，同时也会使压电材料发生形变，压电材料因为压电效应而产生电压。压电陶瓷是目前主要的压电材料，但是脆性很大，PVDF(聚偏二氟乙烯，Polyvinylidene Fluoride)是一种具有较强压电性的新型的压电材料，并且容易弯曲，是制作传感器的良好材料。

常用的压电式加速度计的结构大体有以下三种类型：压缩式、剪切式和弯曲式。压缩式加速度计是目前比较常见的一种，其中正压式单轴压电加速度计的敏感单元结构如图1所示，包括基座13、质量块11和连接它们的压电片12，该类加速度计结构简单，装配简单，但灵敏度低。剪切式加速度计的敏感单元如图2所示，包括柱状基座23、筒状压电片22和筒状质量块21，该加速度计纵向灵敏度较高，横向灵敏度小，而且能够减少基座应变的影响，容易小型化，有很高的固有频率，所以频率响应的范围宽，适于测量高频率振动，但是装配比较困难，成功率低。弯曲式压电加速度计的敏感单元如图3所示，包括基座33、含压电片的弯曲圆盘或弯曲梁32和质量块31，其固有共振频率低，灵敏度高，适用于低频测量，缺点是体积大，机械强度较差。其它结构加速度计也都基于这三种基本类型，如正交梁式加速度计(见图4)属弯曲式的一种，正交梁42含压电片，其四端置于基座43上，而质量块41置于正交梁中心上。

目前的市场上的压电加速度计多为单轴和二轴加速度计，三轴加速度计一般由一个双轴加速度计和一个单轴加速度计组合而成，体积较大，而且由于结构上的非对称性原因，横向干扰也较大。

发明内容

本发明的目的在于克服常规加速度计一般只能测量单向加速度，并且横向干扰大的缺陷，提供一种能实现三轴加速度的测量，且灵敏度高、横向干扰小的压电加速度计。

本发明的技术方案如下：

一种压电加速度计，包括敏感单元、电极引线、前置放大电路、外壳底座、外壳和输出电缆，其中敏感单元是轴对称的，其又包括四个弹性臂、一个质量块和一基座，弹性臂呈折环形(形如“<”)或弧形，四个弹性臂两两相对构成一个正交环形对称结构将质量块与基座连接起来，所述弹性臂本身由压电材料制成或者在其上对称地粘贴有压电片。

上述弹性臂构成的正交环形对称结构位于基座之上，而质量块可以位于正交环形对称结构另一端的外侧或内侧。

上述弹性臂可以采用金属材料(例如黄铜、不锈钢、铝合金)制成，然后对称地在弹性臂的内表面和/或外表面粘贴压电片；也可以是整个由压电材料制成的本身弯曲的压电片。

本发明使用的压电材料可为PVDF，也可以是压电陶瓷材料(例如PZT)、或者弛豫铁电单晶材料(例如PMN-PT，PZN-PT)。

当弹性臂本身由弯曲的压电片构成时，轴向加速度由四个弹性臂上的电压相加得到，横向加速度由两个相对的弹性臂上的电压相减得到。

当在金属弹性臂的内、外表面都对称地粘贴有压电片时，三个方向的加速度可以通过8片压电片中响应电压不同的相位关系进行加减运算得到。如果弹性臂内外两侧的压电片是反相粘贴的(参见图5，图6)，即压电片与弹性臂粘贴的一侧为“-”极，而另一侧为“+”极，则内外压电片共用“-”极，此时，垂直方向的加速度(即轴向加速度)使得外侧的压电片被拉伸而内侧的压电片被压缩，或者相反，因而会在弹性臂内、外侧压电片中产生相同相位的电压，输出可以由全部四个弹性臂的外侧电压与内侧电压求和得到；对于横向加速度而言，水平x方向的加速度在x方向的两个相对的弹性臂上产生方向相反的形变，即一侧的弹性臂由平衡位置被压缩时，对侧的弹性臂则由平衡位置被拉伸，或者相反，因而两个弹性臂的外侧与外侧、内侧与内侧分别产生相反相位的电压，此时，x方向的加速度响应可以由两个弹性臂内侧电压相减和外侧电压相减之后再求和得到；y方向的加速度响应的获得与x方向类似。

如果弹性臂内外两侧的压电片是同相粘贴的，则轴向加速度由四个弹性臂每臂内侧和外侧的电压分别相减后再对四臂求和得到，横向加速度由两个相对的弹性臂内侧电压相减以及外侧电压相减之后再对内外求和得到。

本发明的优点与技术效果：现有的加速度计多为单轴测量，并且横向干扰较大，本发明压电加速度计的弹性臂采用正交环形结构，可以进行三轴测量，并且由于结构的对称性，垂直方向的加速度测量时，横向加速度的响应被减掉；横向加速度测量时，垂直方向的加速度响应被减掉，因此通道间的干扰被抑制到最小。本发明优选采用压电性能较好，容易弯曲的PVDF材料作为换能材料，可以根据需要改变结构和材料参数设计符合各种频率范围和灵敏度的三向加速度计。总之，本发明利用弹性环的正交特点构成的三轴向加速度计，具有灵敏度高、横向干扰小、制作工艺较简单的特点，可以广泛应用于工业生产、科学研究和国防领域的三向振动测量。

附图说明

图1正压式单轴压电加速度计敏感单元结构示意图，图中：11-质量块，12-压电片，13-基座。

图2剪切式单轴压电加速度计敏感单元结构示意图，图中：21-质量块(筒)，22-压电片(筒)，23-基座。

图3弯曲圆盘式或弯曲梁式单轴压电加速度计敏感单元结构示意图，图中：21-质量块，22-弯曲圆盘或弯曲梁(含压电片)，23-基座。

图4正交梁式加速度计敏感单元示意图，其中(a)为纵向剖视图，(b)为俯视图，图中：41-质量块，42-正交梁(含压电片)，43-基座。

图5本发明实施例加速度计的纵向剖面图。

图6本发明实施例加速度计的敏感单元俯视图。

图5和图6中：51-质量块，52-弹性臂，53-基座，54-压电片，55-电极引线，56-外壳底座，57-外壳，58-前置放大电路，59-输出电缆。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步详细说明本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

如图5所示，该加速度计的敏感单元由一个质量块51、四个弹性臂52，一个基座53和八片压电片54组成，四个弹性臂52两两相对构成正交环形对称结构，八片压电片54对称地粘贴在弹性臂的内、外表面上(参见图6)。压电片54所用材料为PVDF，弹性臂52是由黄铜加工而成的半圆环，压电片54和弹性臂52之间使用环氧树脂粘贴固定，必要时可用少量银浆使压电片54和弹性臂52之间保证电气可靠连接；弹性臂52和质量块51以及基座53之间使用螺丝和环氧树脂耦合牢固。电极引线55先使用银浆粘贴在压电片54上，然后用环氧树脂胶固定，连接电极引线至前置放大电路58的输入端，而前置放大电路58的输出端和输出电缆59相连。圆盘形的外壳底座56和基座53之间使用粘合剂使其连接成一体，外壳57固定于外壳底座56上。

加速度的计算：

如果定义四个弹性臂分别为1，2，3，4，其中，1，2为x方向两个相对的弹性臂，3，4为y方向两个相对的弹性臂；所有弹性臂外侧的压电片用1标记，内侧压电片用2标记，则四个弹性臂上的外侧压电片电压可以分别标记为：

V11，V21，V31，V41

内侧压电片电压可以分别标记为：

V12，V22，V32，V42

于是，当内外侧压电片反向粘贴时(如图5所示)，垂直方向(轴向)的加速度响应可以公式(1)计算：

Vz＝V11+V12+V21+V22+V31+V32+V41+V42    (1)

横向加速度响应可以由公式(2)、(3)计算得到：

x方向：Vx＝V11-V21+V12-V22             (2)

y方向：Vy＝V31-V41+V32-V42             (3)

当内外侧压电片同向粘贴时，垂直方向(轴向)的加速度响应可以由公式(4)计算：

Vz＝V11-V12+V21-V22+V31-V32+V41-V42    (4)

横向加速度响应可以由公式(5)、(6)计算得到：

x方向：Vx＝V11-V21-V12+V22             (5)

y方向：Vy＝V31-V41-V32+V42             (6)

Claims (9)

1.一种压电加速度计，包括敏感单元、电极引线、前置放大电路、外壳底座、外壳和输出电缆，其特征在于：所述敏感单元是轴对称的，其又包括四个弹性臂、一个质量块和一基座，弹性臂呈折环形或弧形，四个弹性臂两两相对构成一个正交环形对称结构将质量块与基座连接起来，所述弹性臂本身由压电材料制成或者在弹性臂上对称地粘贴有压电片。

2.如权利要求1所述的加速度计，其特征在于：所述弹性臂为半圆环形。

3.如权利要求1所述的加速度计，其特征在于：所述弹性臂构成的正交环形对称结构的一端位于基座之上，而质量块位于正交环形对称结构另一端的外侧或内侧。

4.如权利要求1所述的加速度计，其特征在于：所述弹性臂由金属材料制成，在弹性臂的内表面和/或外表面对称地粘贴有压电片。

5.如权利要求4所述的加速度计，其特征在于：每个弹性臂的内表面和外表面均粘贴有一片压电片，弹性臂内侧和外侧的压电片同相或反相粘贴。

6.如权利要求4所述的加速度计，其特征在于：所述金属材料为黄铜、不锈钢或铝合金。

7.如权利要求1所述的加速度计，其特征在于：该加速度计采用的压电材料是聚偏二氟乙烯、压电陶瓷材料或者弛豫铁电单晶材料。

8.如权利要求7所述的加速度计，其特征在于：所述压电陶瓷材料是PZT。

9.如权利要求7所述的加速度计，其特征在于：所述弛豫铁电单晶材料为PMN-PT或PZN-PT。

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