CN102798460A - 一种冲击式压电加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冲击式压电加速度传感器，属于冲击振动技术领域。传感器包括：十字弹性梁、质量块、压电材料、冲击垫、底座、基座芯、绝缘螺母、限位盖和引线。其中质量块、压电材料、基座芯组成压电模块。十字弹性梁支撑压电模块，并由限位盖给十字弹性梁一个预压抗力，只有传感器受到的惯性力大于预压抗力时，十字弹性梁才会运动，因此传感器具有开关的特性。当压电模块与冲击垫发生碰撞，传感器输出模拟量加速度信号。本发明的压电加速度传感器具有结构简单、开关位移可调、输出信号特征明显、易于后续处理的特点。

Description

一种冲击式压电加速度传感器

技术领域

发明涉及压电加速度传感器，具体涉及一种兼有开关量和模拟量输出特性的压电加速度传感器，属于冲击振动技术领域。

背景技术

目前加速度传感器的输出一般分为模拟量输出和开关量输出，比如压电加速度传感器和加速度阈值开关，这两种输出模式的传感器各有优缺点。在一些特殊场合依靠单一输出模式的传感器已经不能满足使用要求。将模拟量输出传感器的特点和开关量传感器输出的特点结合起来，可以满足某些特殊场合测试的需要，但目前同时兼有模拟量和开关量输出的加速度传感器还很少。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种冲击式压电加速度传感器，同时兼有开关量输出特性和模拟量输出特性。

本发明的冲击式压电加速度传感器包括十字弹性梁、压电模块、冲击垫、底座、上盖、正极引线和负极引线，其中十字弹性梁为十字形平面结构，其中心有圆形过孔；基座芯为倒T型圆柱台阶结构，台阶结构的台阶面上设有环形槽，台阶上圆柱的表面加工有螺纹段；压电模块包括质量块、压电材料、基座芯和绝缘螺母，其中，压电材料和质量块顺序套装在基座芯的台阶面上，绝缘螺母与基座芯上圆柱表面的螺纹段固定连接，绝缘螺母的底部伸入基座芯的台阶面上的环形槽中，绝缘螺母将压电材料的两个电极进行隔离绝缘；底座和上盖通过螺纹配合组成传感器的外壳，其内部为空腔结构，底座空腔的底部设有冲击垫，底座上具有螺纹的台阶面与上盖的底面之间留有间隙；

其整体连接关系为：十字弹性梁水平设置于压电模块中质量块的上表面与绝缘螺母凸台的下表面之间，并且绝缘螺母的下端穿过十字弹性梁的圆形过孔；十字弹性梁的四个端部平面卡装在底座与上盖之间的间隙内使压电模块整体位于空腔结构之中，绝缘螺母的上端面与上盖的内表面抵触，使十字弹性梁弯曲变形并产生一个预压抗力，压电模块的基座芯与冲击垫之间留有间隙，此间隙为开关位移；信号线由压电材料的正极经过质量块、十字弹性梁和上盖引出；地线由压电材料的负极经过基座芯引出。

工作原理：本发明的压电加速度传感器的开关量特性体现在只有传感器所受到的冲击加速度达到一定阈值的时候，压电模块才能运动，与冲击垫发生碰撞，产生信号输出。

开关响应时间由十字弹性簧的刚度和开关位移的大小决定。

本发明的压电加速度传感器的模拟量特性体现在压电模块与冲击垫碰撞产生的信号为连续的模拟信号。

当本发明的压电加速度传感器在作用方向受到冲击加速度时，压电模块受到一个与冲击加速度作用方向相反的惯性力的作用。当惯性力小于十字弹性梁的预压抗力时，压电模块静止不动，此时压电模块不会与冲击垫发生碰撞，传感器不会有信号输出。当惯性力大于预压抗力时，压电模块将克服十字弹性梁的预压抗力，向下运动，接着会产生以下两种情况之一：（1）当冲击加速度的作用时间较短时，压电模块的运动时间有限，在惯性力的作用时间内，压电模块的运动位移小于开关位移，不会与冲击垫发生碰撞，传感器不会有信号输出。（2）当冲击加速度的作用时间较长时，压电模块的运动位移大于开关位移，与冲击垫发生碰撞，压电模块上的质量块给压电材料施加一个向下的惯性力，使传感器产生一个连续的模拟量输出，输出的大小与冲击加速度的幅值有关。

有益效果：

1、本发明通过十字弹性梁支撑压电模块，利用上盖给弹性梁预压抗力，使加速度传感器同时具有开关的特性；

2、本发明利用压电模块与冲击垫相碰，从而产生一个连续的模拟量输出，因此传感器兼有开关和模拟量输出的特性；

3、本发明中开关响应时间由十字弹性簧的刚度和开关位移的大小决定，因此开关响应时间可根据实际需要方便的调整。

附图说明

图1是本发明冲击式压电加速度传感器结构剖面图；

图2是本发明中十字弹性梁的结构示意图。

其中，1—十字弹性梁、2—质量块、3—压电材料、4—冲击垫、5-底座、6—基座芯、7—绝缘螺母、8—上盖、9—信号线、10—地线。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如附图1表示，本发明的冲击式压电加速度传感器包括十字弹性梁1、压电模块、冲击垫4、底座5、上盖8、正极引线9和负极引线10，其中十字弹性梁1为十字形平面结构，其中心有圆形过孔；基座芯6为倒T型圆柱台阶结构，台阶结构的台阶面上设有环形槽，台阶面上的圆柱表面加工有螺纹段；压电模块包括质量块2、压电材料3、基座芯6和绝缘螺母7，其中，压电材料3和质量块2顺序套装在基座芯6的台阶面上，绝缘螺母7与基座芯6上圆柱表面的螺纹段固定连接，绝缘螺母7的底部伸入基座芯6的台阶面上的环形槽中，绝缘螺母7将压电材料3的两个电极进行隔离绝缘；底座5和上盖8通过螺纹配合组成传感器的外壳，其内部为空腔结构，底座5空腔的底部设有冲击垫4，底座5上具有螺纹的台阶面与上盖8的底面之间留有间隙；

其整体连接关系为：十字弹性梁1水平设置于压电模块中质量块2的上表面与绝缘螺母7凸台的下表面之间，并且绝缘螺母7的下端穿过十字弹性梁1的圆形过孔；十字弹性梁1的四个端部平面卡装在底座5与上盖8之间的间隙内使压电模块整体位于空腔结构之中，绝缘螺母7的上端面与上盖8的内表面抵触，使十字弹性梁弯曲变形并产生一个预压抗力，压电模块的基座芯6与冲击垫4之间留有间隙，此间隙为开关位移；信号线9由压电材料3的正极经过质量块2、十字弹性梁1和上盖8引出；地线10由压电材料3的负极经过基座芯引出。

其中，十字弹性梁1由铍青铜制成，压电材料3可以采用PVDF膜或压电陶瓷，质量块2由不锈钢制成。

由于绝缘螺母7将十字弹性梁1固定在基座芯6上，当惯性力足以使压电模块克服十字弹性梁1的抗力时，将向下运动。在运动过程中，质量块2、压电材料3、基座芯6的相对速度为零，作用在压电材料3上的合力为零，因此不会产生响应；直到压电模块与冲击垫4发生碰撞时，此时压电材料3受到的合力不再为零，由压电效应可知，压电传感器产生输出响应信号。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种冲击式压电加速度传感器，其特征是，包括十字弹性梁（1）、压电模块、冲击垫（4）、底座（5）、上盖（8）、正极引线（9）和负极引线（10），其中十字弹性梁（1）为十字形平面结构，其中心有圆形过孔；基座芯（6）为倒T型圆柱台阶结构，台阶结构的台阶面上设有环形槽，台阶上圆柱的表面加工有螺纹段；压电模块包括质量块（2）、压电材料（3）、基座芯（6）和绝缘螺母（7），其中，压电材料（3）和质量块（2）顺序套装在基座芯（6）的台阶面上，绝缘螺母（7）与基座芯（6）上圆柱表面的螺纹段固定连接，绝缘螺母（7）的底部伸入基座芯（6）的台阶面上的环形槽中，绝缘螺母（7）将压电材料（3）的两个电极进行隔离绝缘；底座（5）和上盖（8）通过螺纹配合组成传感器的外壳，其内部为空腔结构，底座（5）空腔的底部设有冲击垫（4），底座（5）上具有螺纹的台阶面与上盖（8）的底面之间留有间隙；

其整体连接关系为：十字弹性梁（1）水平设置于压电模块中质量块（2）的上表面与绝缘螺母（7）凸台的下表面之间，并且绝缘螺母（7）的下端穿过十字弹性梁（1）的圆形过孔；十字弹性梁（1）的四个端部平面卡装在底座（5）与上盖（8）之间的间隙内使压电模块整体位于空腔结构之中，绝缘螺母（7）的上端面与上盖（8）的内表面抵触，使十字弹性梁弯曲变形并产生一个预压抗力，压电模块的基座芯（6）与冲击垫（4）之间留有间隙，此间隙为开关位移；信号线（9）由压电材料（3）的正极经过质量块（2）、十字弹性梁（1）和上盖（8）引出；地线（10）由压电材料（3）的负极经过基座芯引出。

2.如权利要求1所述的冲击式压电加速度传感器，其特征是所述传感器的开关响应时间由十字弹性簧（1）的刚度和开关位移的大小决定。

3.如权利要求1或2所述的冲击式压电加速度传感器，其特征是所述十字弹性梁（1）的材料为铍青铜。

4.如权利要求1或2所述的冲击式压电加速度传感器，其特征是所述压电材料（3）为PVDF膜或压电陶瓷。

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