CN102183676B - 聚偏氟乙烯压电薄膜低频超低频加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种聚偏氟乙烯压电薄膜低频超低频加速度传感器，包括：用于作为聚偏氟乙烯压电薄膜低频超低频加速度传感器主体的支撑筒，该支撑筒两端固定两片弹性膜片结构，两片弹性膜片结构的中心有小孔，传感器的中心轴通过该小孔固定于传感器上盖和底座的两端中心处；安装在弹性膜片结构中央的中空可滑动的质量块套在中心轴上，与上、下弹性膜片结构固定，压电材料聚偏氟乙烯薄膜粘贴于上下弹性膜片之上。本发明的传感器提高了聚偏氟乙烯压电薄膜低频超低频加速度传感器的测量灵敏度，减小了轴间干扰和传感器的体积，改善了工艺，提高了低频段的抗干扰能力，也提高了传感器的单向性和稳定性。

Description

聚偏氟乙烯压电薄膜低频超低频加速度传感器

技术领域

本发明涉及一种聚偏氟乙烯压电薄膜低频超低频加速度传感器，尤其涉及一种新型的压电材料和新型结构的低频超低频加速度传感器。

背景技术

低频、超低频振动是一种常见的物理现象，井架、输电塔、高层建筑物、铁路公路桥梁、大坝的振动、地震波等都属此类。这类振动的主模态都集中在低频段，振动频率很低，1Hz以下频率成份复杂、振幅大、破坏力强、检测难度大，而目前大多数惯性式传感器的实际使用频率大都在2Hz以上，甚至更高，在这么一个低频段，这类传感器的输出信号往往被淹没在噪声信号之中，难以实现准确的测量分析。现在，国内外对低频、超低频的测量研究都比较重视，各国科学家、学者都试图采用新的方法以达到测量目的，但是突破不明显。因此，此处提出采用新的结构、新型敏感元件来提高加速度传感器的灵敏度，改善其低频、超低频段的性能。

发明内容

本发明提出一种聚偏氟乙烯压电薄膜低频超低频加速度传感器，是采用聚偏氟乙烯压电薄膜为敏感元件及新型结构的惯性式加速度传感器，以提高聚偏氟乙烯压电薄膜低频超低频加速度传感器的测量灵敏度，减小传感器的体积，改善工艺，保证稳定性。

本发明的技术方案如下：

一种聚偏氟乙烯压电薄膜低频超低频加速度传感器，该聚偏氟乙烯压电薄膜低频超低频加速度传感器包括：

作为聚偏氟乙烯压电薄膜低频超低频加速度传感器主体的支撑筒1，在该所述支撑筒1上、下端固定两片弹性膜片结构4、5，用于在加速度作用下产生形变；

固定在支撑筒1两端的两片弹性膜片结构4、5中心有一小孔，传感器的中心轴杆6通过该小孔固定于传感器的支撑筒1的上盖2和底座3的中心处；

安装在弹性膜片结构4、5中央处的中空可滑动质量块7套在中心轴杆6上，并与上、下弹性膜片结构4、5固定，用于增加弹性膜片结构4、5在加速度作用下产生的形变；

底座3上螺孔9用于固定加速度传感器；

安装在底座3上的外盖8用于保护整个传感器的内部结构；

粘贴在2片弹性膜片结构4、5上的聚偏氟乙烯压电薄膜，用于测量加速度。

上述方案中，所述上盖2开有第一小孔10，用于引出聚偏氟乙烯压电薄膜的输出信号线；底座3开有第二小孔14，用于引出聚偏氟乙烯压电薄膜23的输出信号线；外盖8亦开有第三小孔15用于引出聚偏氟乙烯压电薄膜23的输出信号线。

上述方案中，所述上盖2包括一凸台结构11，该凸台结构11的内径与支撑筒1的内径相同，外径与支撑筒1的外径相同，上弹性膜片结构4被夹紧固定在该凸台结构11与支撑筒1的上开口端之间。

上述方案中，所述底座3包括两个凸台结构，内凸台结构12的内径与支撑筒1的内径相同，外径与支撑筒1的外径相同，下弹性膜片结构5被夹紧固定在内凸台结构12与支撑筒1的下开口端之间；外凸台结构13的内径与外盖8的内径相同，外凸台结构13的外径与外盖8的凸台结构16的外径相连接。

上述方案中，所述支撑筒1上、下开口端的外表面具有螺纹，上盖2和底座3的内凸台结构12的内表面也具有螺纹，通过将支撑筒1的上、下开口端旋入上盖2和底座3的内凸台结构12，分别将上弹性膜片结构4夹紧固定在凸台结构11与支撑筒1的上开口端之间，将下弹性膜片结构5夹紧固定在内凸台结构12与支撑筒1的下开口端之间。

上述方案中，所述底座3的外凸台结构13的内表面具有螺纹，外盖8的外表面具有螺纹，通过将底座3的外凸台结构13旋入外盖8，以达到密封整个传感器内部结构之目的。

上述方案中，所述中空可滑动质量块7通过焊接与上弹性膜片结构4和下弹性膜片结构5固定。

本发明的运动可以看作是弹簧k、阻尼c和质量m的单自由度系统，系统的动力学方程为：

$m\frac{d^2{x}_o}{{\mathrm{dt}}^2}+c\frac{{\mathrm{dx}}_o}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{kx}}_o=-m{a}_i---\left(1\right)$

式中a_i为外界振动加速度，在k、c和m的前提下，x_o为惯性质量块相对于传感器外壳位移。

聚偏氟乙烯薄膜电荷量和应变的关系：

Q(t)＝Q(t₀)+E_Pd₃₁S₁lw    (2)

当初始值为0时，上式可简化成：

Q(t)＝E_Pd₃₁S₁lw    (3)

式中Q(t)为t时刻的聚偏氟乙烯表面电荷量，Q(t₀)为t₀时刻的聚偏氟乙烯表面电荷量，S₁为拉伸方向的应变，l为聚偏氟乙烯薄膜的长，w为聚偏氟乙烯薄膜的宽，E_P为聚偏氟乙烯薄膜的弹性模量，d₃₁为压电系数。

弹性膜片结构采用圆形平膜片，其在集中力作用下的径向应变：

${\mathrm{\ϵ}}_r=\frac{1}{E}\·\frac{3F}{2\mathrm{\π}{h}^2}\·(1-{\mathrm{\μ}}^2)(\ln \frac{R}{r}-1)---\left(4\right)$

式中ε_r为膜片的径向应变，E为膜片的弹性模量，h为膜片的厚，μ为泊松比，R为膜片半径，r为距平膜片中心点的距离，F为作用于平膜片的集中力。

对于弯曲型结构来说，相对位移x_o与压电转换元件受力产生的变形量有一定的关系，根据二向应力状态下的广义胡克定律有：

F＝kx_o    (5)

式中F-作用在压电元件上的力，即作用于平膜片的集中力；k-传感器的等效刚度系数。

式(4)中的ε_r等于式(3)中的S₁，由式(1)、式(3)、式(4)和式(5)就建立了输入量外界振动加速度a_i和输出量聚偏氟乙烯的输出电荷Q(t)之间的关系。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种聚偏氟乙烯压电薄膜低频超低频加速度传感器，采用上下两片弹性膜片结构对加速度传感器进行增敏，有效的提高了传感器的灵敏度。

2、本发明提供的这种聚偏氟乙烯压电薄膜低频超低频加速度传感器，采用聚偏氟乙烯新型压电薄膜，利用其低频性能好的特点，拓宽了聚偏氟乙烯压电薄膜低频超低频加速度传感器的低频范围，提高了其在低频段的抗干扰能力。

3、本发明提供的这种聚偏氟乙烯压电薄膜低频超低频加速度传感器，采用中空可滑动质量块减小了垂直轴向上其他轴向加速度带来的干扰，提高了传感器的单向性和稳定性。

附图说明

图1是本发明的聚偏氟乙烯压电薄膜低频超低频加速度传感器的结构示意图。

图2是本发明的聚偏氟乙烯压电薄膜低频超低频加速度传感器的支撑筒的结构示意图。

图3是本发明的聚偏氟乙烯压电薄膜低频超低频加速度传感器的上盖的结构示意图。

图4是本发明的聚偏氟乙烯压电薄膜低频超低频加速度传感器的底座的结构示意图。

图5是本发明的聚偏氟乙烯压电薄膜低频超低频加速度传感器的外盖的结构示意图。

图6是本发明的聚偏氟乙烯压电薄膜低频超低频加速度传感器的中空可滑动质量块的结构示意图。

图7是本发明的聚偏氟乙烯压电薄膜低频超低频加速度传感器的弹性膜片结构及聚偏氟乙烯薄膜粘贴的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点叙述更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供的聚偏氟乙烯压电薄膜低频超低频加速度传感器的结构示意图，如图1所示。该聚偏氟乙烯压电薄膜低频超低频加速度传感器包括支撑筒1、上盖2、底座3、外盖8、中心轴杆6、中空可滑动质量块7、弹性膜片结构4、5和聚偏氟乙烯压电薄膜23。

如图2至图5所示，支撑筒1作为聚偏氟乙烯压电薄膜低频超低频加速度传感器的主体，两端开口。上盖2安装在支撑筒1的上开口端，用于固定上弹性膜片结构4，并引出粘贴于上弹性膜片结构4上的聚偏氟乙烯压电薄膜23的输出信号线。底座3安装在支撑筒1的下开口端，用于固定下弹性膜片结构5，并引出粘贴于下弹性膜片结构5上的聚偏氟乙烯压电薄膜23的输出信号线；另外，用于将整个传感器固定于被测对象上。弹性膜片结构4、5用于在加速度作用下产生形变。中心轴杆6固定于上盖2和底座3的中心处，供质量块在其上滑动。中空可滑动质量块7安装在上弹性膜片结构4和下弹性膜片结构5之间，并且套在中心轴杆6之上，用于增加弹性膜片结构4、5在加速度作用下产生的形变。

如图2所示，支撑筒1上下开口端的外表面具有螺纹17，上盖2的内表面也具有螺纹18，底座3的内凸台结构12的内表面亦具有螺纹19，通过将支撑筒1的上、下开口端旋入上盖2和底座3的内凸台结构12，分别将上弹性膜片结构4夹紧固定在凸台结构11与支撑筒1的上开口端之间，将下弹性膜片结构5夹紧固定在内凸台结构12与支撑筒1的下开口端之间。

如图3所示，上盖2旁边开有一小孔，用于引出粘贴于上弹性膜片结构4上的聚偏氟乙烯压电薄膜23的输出信号线。上盖2包括一凸台结构11，该凸台结构11的内径与支撑筒1的内径相同，外径与支撑筒1的外径相同，上弹性膜片结构4被夹紧固定在该凸台结构11与支撑筒1的上开口端之间。

如图4所示，底座3底部中心处有一带螺纹的孔，用于将传感器固定于待测对象上；有2个凸台结构，内凸台结构12的内径与支撑筒1的内径相同，外径与支撑筒1的外径相同，下弹性膜片结构5被夹紧固定在内凸台结构12与支撑筒1的下开口端之间，另外内凸台结构旁边有一小孔，用于引出粘贴于下弹性膜片结构5上的聚偏氟乙烯压电薄膜23的输出信号线；外凸台结构13的内径与外盖8的内径相同，外凸台结构13的外径与外盖8的凸台结构16的外径相连接。

如图5所示，外盖8的旁边开有小孔，用于引出弹性膜片结构4、5上的聚偏氟乙烯压电薄膜23的输出信号线，外盖8具有螺纹20，底座3的外凸台结构13的内表面具有螺纹21，通过将底座3的外凸台结构13旋入外盖8，以达到密封整个传感器内部结构之目的。

如图6所示，所述中空可滑动质量块7通过焊接与上弹性膜片结构4和下弹性膜片结构5固定。

如图7所示，弹性膜片结构4、5的外径应该等于支撑筒1的外径，以便可以顺利的安装在凸台结构11和内凸台结构12处。弹性膜片结构4、5的中间具有小孔22，孔径应略大于中心轴杆6的直径，中心轴杆6通过该小孔固定于上盖2和底座3的中心处。中空可滑动质量块7焊接于弹性膜片结构4、5的中间。

本发明提供的这种聚偏氟乙烯压电薄膜低频超低频加速度传感器的工作原理如下：

在外界振动信号作用下，中空可滑动质量块7和弹性膜片结构4、5构成一质量-弹簧系统。中空可滑动质量块7在传感器的垂直方向上发生振动，致使弹性膜片结构4、5产生径向形变，于是粘贴于弹性膜片结构4、5上的聚偏氟乙烯压电薄膜23在直径方向上产生应变，其输出的电荷量与所受到的应变量成正比，故通过检测电荷量的大小就可以得到外界振动加速度的大小。

弹性膜片结构4、5在一定范围内可以调节传感器的灵敏度和自振频率，可以通过调整弹性膜片结构4、5的厚度，弹性模量等参数来实现。另外，弹性膜片结构4、5这种结构可以降低传感器的横向灵敏度。

Claims (7)

1.一种聚偏氟乙烯压电薄膜低频超低频加速度传感器，其特征在于，该加速度传感器包括：作为聚偏氟乙烯压电薄膜低频超低频加速度传感器主体的支撑筒(1)，在该支撑筒(1)上、下端固定两片弹性膜片结构(4、5)；弹性膜片结构(4、5)中心有一小孔，传感器的中心轴杆(6)通过该小孔固定于传感器的上盖(2)和底座(3)的中心处；安装在弹性膜片结构(4、5)中央处的中空可滑动质量块(7)套在中心轴杆(6)上，并与上、下弹性膜片结构(4、5)固定；底座(3)上有螺孔(9)；外盖(8)安装在底座(3)上；聚偏氟乙烯压电薄膜粘贴在两片弹性膜片结构(4、5)上。

2.根据权利要求1所述的聚偏氟乙烯压电薄膜低频超低频加速度传感器，其特征在于：所述上盖(2)开有第一小孔(10)，底座(3)开有第二小孔(14)，外盖(8)亦开有第三小孔(15)。

3.根据权利要求1所述的聚偏氟乙烯压电薄膜低频超低频加速度传感器，其特征在于：所述上盖(2)包括一凸台结构(11)，该凸台结构(11)的内径与支撑筒(1)的内径相同，外径与支撑筒(1)的外径相同，上弹性膜片结构(4)被夹紧固定在该凸台结构(11)与支撑筒(1)的上开口端之间。

4.根据权利要求1所述的聚偏氟乙烯压电薄膜低频超低频加速度传感器，其特征在于：所述底座(3)包括两个凸台结构，内凸台结构(12)的内径与支撑筒(1)的内径相同，外径与支撑筒(1)的外径相同，下弹性膜片结构(5)被夹紧固定在内凸台结构(12)与支撑筒(1)的下开口端之间；外凸台结构(13)的内径与外盖(8)的内径相同，外凸台结构(13)的外径与外盖(8)的凸台结构(16)的外径相连接。

5.根据权利要求4所述的聚偏氟乙烯压电薄膜低频超低频加速度传感器，其特征在于：所述支撑筒(1)上、下开口端的外表面具有螺纹，上盖(2)和底座(3)的内凸台结构(12)的内表面也具有螺纹，通过将支撑筒(1)的上、下开口端旋入上盖(2)和底座(3)的内凸台结构(12)，分别将上弹性膜片结构(4)夹紧固定在凸台结构(11)与支撑筒(1)的上开口端之间，将下弹性膜片结构(5)夹紧固定在内凸台结构(12)与支撑筒(1)的下开口端之间。

6.根据权利要求4所述的聚偏氟乙烯压电薄膜低频超低频加速度传感器，其特征在于：所述底座(3)的外凸台结构(13)的内表面具有螺纹，外盖(8)的外表面具有螺纹。

7.根据权利要求1所述的聚偏氟乙烯压电薄膜低频超低频加速度传感器，其特征在于：所述中空可滑动质量块(7)通过焊接与上弹性膜片结构(4)和下弹性膜片结构(5)固定。

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