CN101762720A

CN101762720A - 一种压电式加速度传感器

Info

Publication number: CN101762720A
Application number: CN200910263982A
Authority: CN
Inventors: 刘双峰; 马铁华; 赵军荣
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2009-12-31
Filing date: 2009-12-31
Publication date: 2010-06-30

Abstract

一种压电式加速度传感器，目的是灵敏度高、频率响应范围宽、抗横向过载能力强、环境适应性好；本发明包括基座、金属壳体、敏感元件和水银；敏感元件为三层结构，上下层为PVDF压电薄膜，中间层为接电片，接电片与引线相连作为传感器的输出极；基座上方正中间设有闭孔，闭孔底部按从下往上依次设有负电极引线和应力波隔离层；闭孔顶部按从上往下依次设有正电极引线、密封圈、应力波隔离层，上、下应力波隔离层上均装有PVDF压电薄膜；闭孔中间封装有液体水银；金属壳体固定在基座上；在金属壳体下端处与基座的接触部位设有绝缘垫。

Description

一种压电式加速度传感器

技术领域

本发明涉及传感器领域，具体是一种压电式加速度传感器。

背景技术

加速度传感器是将加速度这一物理信号转变成便于测量的电信号的测试仪器。现有的压电式加速度传感器通常采用压电元件的厚度变形结构，其设置主要由基座、中心螺杆、压电转换元件、固体惯性质量块和预紧螺母组成。传感器通过固体惯性质量块作用在压电转换元件而产生电荷量，实现对加速度的测量，惯性质量块通过中心螺杆将预紧力施加到压电转换元件上，当测量运动方向上的加速度时，将传感器壳体固定在被测振动物体上，振动体的振动使得惯性质量块不断作用在压电转换元件，从而在压电转换元件两电极产生电荷，通过与电极连接的后续电路处理，输出一个对应的电压或电荷值，以此求得加速度的值。这种压电式传感器结构简单、灵敏度高、频率响应范围宽、工艺性好。但由于采用固体材料作为惯性质量块，在出现非线性、大冲击或高过载的恶劣环境下，加速度传感器抗横向过载能力急剧降低，使得传感器的测量误差增大，而且受力不均使得压电转换元件极易受到损坏，致使加速度传感器失去作用，其应用范围受到了限制。

发明内容

本发明目的是为了克服上述现有技术的不足，提供一种灵敏度高、频率响应范围宽、抗横向过载能力强、环境适应性好的压电式加速度传感器。

本发明包括基座、金属壳体、敏感元件、水银和预紧螺栓。敏感元件为为三层结构，上下层为PVDF压电薄膜，中间层为接电片，接电片与引线相连作为传感器的输出极。基座上方正中间设有闭孔，闭孔为圆形孔，闭孔底部按从下往上依次设有负电极引线和应力波隔离层；闭孔顶部按从上往下依次设有正电极引线、密封圈、应力波隔离层，应力波隔离层采用弹性模量不低于基座和外壳的金属材料，上、下应力波隔离层上均装有敏感元件；应力波隔离层有效的隔离了应力波对压电加速度器敏感元件的作用。闭孔中间封装有表面张力大、热膨胀系数稳定的液体水银。金属壳体为圆筒状，扣在基座上方，用四个螺栓固定在基座上。在金属壳体下端处与基座的接触部位设有绝缘垫，绝缘垫为环形，目的是隔热、隔应力。封装在闭孔内的液体水银充当了惯性质量块，它与闭孔内上、下端面的敏感元件构成了压电传感器的敏感部分。由于水银本身的表面张力原因，水银在密封闭孔内的敏感元件两端角形成特定的曲面。当加速度为零时，水银与密封闭孔内上、下端面的敏感元件接触面积一定，压力一定，上、下端面敏感元件接电片上的电荷为零；当加速度不为零时，水银两端面出现压差，两端曲面发生变化，水银与密封闭孔内上、下端面敏感元件的接触面积随之变化，水银对上、下端面敏感元件的压力发生变化，上、下端面敏感元件接电片上电荷也随着变化，电荷大小的变化值与加速度的大小对应，即电荷的变化量反映了加速度的大小。PVDF压电薄膜要进行边缘非金属化处理，防止PVDF薄膜受压后两端接触短路。水银也可以选用表面张力大、热膨胀系数稳定的符合要求的其它液体替代。

本发明采用封装于闭孔内的液体水银替代原有固体材料作为惯性质量块。由于水银本身张力特性以及常温下成液态，并且密封的闭孔体积较小，在非线性、高冲击或高过载状态下，水银不会出现被击散情况，而且有效的抑制了PVDF压电敏感元件的横向效应，提高了加速度传感器抗横向过载能力。因此能在非线性、大冲击或高过载的恶劣条件下正常工作，具有灵敏度高、频率响应范围宽、抗横向过载能力强、环境适应性好等优点，广泛适用于车辆，船舰的控制系统等测试系统。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为上端面敏感元件结构图；

图4为下端面敏感元件结构图。

图中：1.预紧螺栓，2.金属壳体，3.环形密封圈，4.PVDF压电薄膜，5.闭孔，6.正电极引线，7.正电极引线通孔，8.同轴去噪电缆，9.通孔，10.接电片，11.水银，12.应力波隔离层，13.负电极引线，14.绝缘垫，15.基座。

具体实施方式

基座15上方闭孔5内按从下往上依次装配有应力波隔离层12、PVDF压电薄膜4、接电片10、PVDF压电薄膜4、水银11、PVDF压电薄膜4、接电片10、PVDF压电薄膜4、应力波隔离层12、环形密封圈3。金属壳体2通过预紧螺栓1扣在基座15上，将水银11、PVDF压电薄膜4、接电片10、应力波隔离层12、环形密封圈3固定在基座15的闭孔5内。预紧螺栓1通过金属外壳2、应力波隔离层12和水银11施加给PVDF压电薄膜4一定的预紧力，预紧力的大小大于最大冲击加速度所引起的力，此时同轴去噪电缆8输出为零。

敏感元件由两片圆形PVDF压电薄膜4叠放在一起，中间放置一个圆形且焊有引线6、13的接电片10，作为传感器的输出极。这种柔性PVDF压电薄膜增强了压电式加速度传感器抗横向过载能力和零漂问题。两片压电薄膜4叠放在一起相当于并联，目的是提高传感器的灵敏度。环形密封圈3的目的是防止水银11泄露。金属外壳2还具有隔离一部分外界干扰的作用。绝缘垫14的目的是隔热、隔应力，以增加传感器抗基座15变形的能力和对热的隔离。

封装在闭孔5内的水银11与固定于应力波隔离层12上的敏感元件构成压电式加速度传感器的敏感部分，由于水银11本身的表面张力原因，水银11在密封闭孔5内的敏感元件两端角形成特定的曲面。当加速度为零时，水银11与密封闭孔5上、下端面的敏感元件接触面积一定，压力一定，上、下端面敏感元件接电片10上的电荷为零；当加速度不为零时，水银11两端面出现压差，两端曲面发生变化，水银11与密封闭孔5上、下端面的敏感元件接触面积发生变化，水银11对上、下端面的压力一个增大，一个减小，产生差值，上、下端面敏感元件接电片10上的电荷也随着一个增多，一个减少，产生差值。电荷的差值与加速度的大小对应，以此达到测加速度的目的。

Claims

1.一种压电式加速度传感器，其特征是包括基座、金属壳体、敏感元件和水银；敏感元件为三层结构，上下层为PVDF压电薄膜，中间层为接电片，接电片与引线相连作为传感器的输出极；基座上方正中间设有闭孔，闭孔为圆形孔，闭孔底部按从下往上依次设有负电极引线和应力波隔离层；闭孔顶部按从上往下依次设有正电极引线、密封圈、应力波隔离层，上、下应力波隔离层上均装有敏感元件；闭孔中间封装有液体水银；金属壳体为圆筒状，扣在基座上方，用四个螺栓固定在基座上；在金属壳体下端处与基座的接触部位设有绝缘垫，绝缘垫为环形；水银对敏感元件上、下端面的压力发生变化，上、下敏感元件接电片上电荷也随着变化，电荷大小的变化值与加速度的大小对应，即电荷的变化量反映了加速度的大小。

2.如权利要求1所述的压电式加速度传感器，其特征是应力波隔离层采用弹性模量不低于基座和外壳的金属材料。

3.如权利要求1所述的压电式加速度传感器，其特征是PVDF压电薄膜需要进行边缘非金属化处理。

4.如权利要求1所述的压电式加速度传感器，其特征是用表面张力大、热膨胀系数稳定的符合要求的其它液体替代水银。