CN102901841B - 一种智能三向加速度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能三向加速度传感器，包括基座、敏感芯体、绝缘隔离圈、压圈、内盖、外壳、上盖、电路板、定位支柱、引线、输出插座和自检插座；所述的敏感芯体通过压圈设在基座内，在压圈的下方设绝缘隔离圈将敏感芯体悬浮；所述的内盖将基座封装屏蔽在基座内；所述的电路板通过定位支柱设在基座上，所述的电路板通过引线与敏感芯体连接；在所述的基座上设外壳，在外壳上设有输出插座和自检插座；所述的输出插座与电路板相连；所述的自检插座与敏感芯体和电路板分别相连；在所述的外壳上设上盖。该传感器，灵敏度高，使用温度可达260℃；体积小，可靠性好，三向间干扰小，性能优越；具有自检功能，保证整个传感器信号的精度和可靠性。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种智能三向加速度传感器。
背景技术
振动测量原理有压阻式测量、电容式测量及压电式测量。压阻式加速度传感器的敏感芯体为半导体材料制成电阻测量电桥，其结构动态模型仍然是弹簧质量系统，超小型化的设计是其亮点，但缺点是受温度的影响比较大，必须进行温度补偿。电容式加速度传感器结构形式也采用弹簧质量系统，在实际使用中较多用于低频测量，其通用性不如压电式加速度传感器，非线性较差，量程有限，成本较高。
压电式加速度传感器是以压电材料为转换元件，输出与加速度成正比的电荷量的一次仪表。由于它具有结构简单、敏感件无源、无活动部件、刚度大、动态范围宽、频响宽、工作可靠等一系列优点，目前已成为冲击振动测量技术中使用广泛的一种传感器。世界上作为量值传递标准的高频和中频振动基准的标准加速度传感器，大多采用压电结构。由此可见，压电式加速度传感器具有高精度、高可靠性和长期稳定性等优良的综合性能，且压电式加速度传感器量程大、频带宽、体积小、重量轻、安装简单、接线方便，适用于较为恶劣的环境条件，广泛地应用于航天、航空、兵器、船舶、纺织、农机、车辆、电器等各系统的振动、冲击测试、信号分析、机械动态实验、环境模态试验、振动校准、工业监测、模态分析、故障诊断、优化设计等。其应用量约占目前所用的各种加速度传感器总数的80%左右。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种智能三向加速度传感器，以使其具有在确保产品的可靠性的基础上，尽可能减小体积，使产品结构紧凑、坚固。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
一种智能三向加速度传感器，包括基座、敏感芯体、绝缘隔离圈、压圈、内盖、外壳、上盖、电路板、定位支柱、引线、输出插座和自检插座；所述的敏感芯体通过压圈设在基座内，在压圈的下方设绝缘隔离圈将敏感芯体悬浮；所述的内盖将基座封装屏蔽在基座内；所述的电路板通过定位支柱设在基座上，所述的电路板通过引线与敏感芯体连接；在所述的基座上设外壳，在外壳上设有输出插座和自检插座；所述的输出插座与电路板相连；所述的自检插座与敏感芯体和电路板分别相连；在所述的外壳上设上盖。
在所述的电路板上设有由若干个元器件组成的电路，所述的电路包括电荷放大电路、高通滤波电路、低通滤波电路、偏置电路、放大器和限幅电路，所述的电荷放大电路、高通滤波电路、低通滤波电路、偏置电路和放大器依次连接，所述的限幅电路与放大器相连；所述的高通滤波器与电荷放大电路和加载自检电路分别相连。
所述的敏感芯体包括紧固圈、中心支柱、压电陶瓷和质量块，所述的压电陶瓷围绕中心支柱设置，在压电陶瓷外侧设质量块，所述的紧固圈从外侧紧固质量块。
该敏感芯体的压电陶瓷，具有高居里点（470℃以上）、高压电系数d33大于450 pC/N等特性，从而保证传感器芯体的灵敏度高，使用温度可达260℃。此外，该敏感芯体采用三向剪切结构，即在同一个方形中心支柱上，用记忆合金环（紧固圈）将三个互为垂直方向上的压电陶瓷和质量块紧固在一起，体积小，可靠性好，三向相间干扰小。
有益效果：与现有技术相比，本发明的智能三向加速度传感器具有如下优点：
（1）核心敏感件采用了具有高居里点（470℃以上），d33大于450 pC/N高压电系数的压电陶瓷，从而保证传感器芯体的灵敏度高，使用温度可达260℃；
（2）采用三向剪切结构，在同一个方形中心支柱上，用记忆合金环将三个互为垂直方向上的压电陶瓷和质量块紧固在一起，工艺新，体积小，可靠性好，三向相间干扰小；
（3）采用内部隔离双层屏蔽结构，最大限度的抑制外部干扰，获得更好的抗干扰性能；
（4）在一只传感器中，分别在互为垂直的三个方向上，均输出两个不同灵敏度的加速度；
（5）具有自检功能，高度集成电荷放大变换、高低通滤波、移位限幅电路，保证整个传感器信号的精度和可靠性。
附图说明
图1是智能三向加速度传感器的结构示意图；
图2是智能三向加速度传感器的电路原理示意图；
图3是敏感芯体的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步阐明本发明，本具体实施方式在以本发明技术方案为前提下进行实施，应理解这些方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图1所示，智能三向加速度传感器，包括基座1、敏感芯体2、绝缘隔离圈3、压圈4、内盖5、外壳6、上盖7、电路板8、定位支柱10、引线11、输出插座12和自检插座13；用压圈4将敏感芯体2固定在基座1中，中间用绝缘隔离圈3将敏感芯体2与基座1隔离，然后用带孔的内盖5封装屏蔽敏感芯体2，将电路板8用定位支柱10固定在基座1上，敏感芯体2的引线11通过内盖5上的孔焊接到电路板8的输入端，将装有两个自检插座13和输出插座12的外壳6装在基座1上，并将电路板8的自检接口引线和输出引线分别焊接到自检插座13和输出插座12，最后将上盖7用四个螺钉与外壳6和基座1固定在一起。其中，敏感芯体2为具有高居里点（470℃以上），d33大于450 pC/N高压电系数的压电陶瓷，基座1、、压圈4、内盖5和定位支柱10优选采用金属材料。
在电路板8上是有由若干个元器件9组成的电路，如图2所示，包括电荷放大电路、高通滤波器电路、低通滤波器电路、偏置电路、放大器和限幅电路，电荷放大电路、高通滤波器电路、低通滤波器电路、偏置电路和放大器依次连接，限幅电路与放大器相连；高通滤波器电路与加载自检电路相连。电荷放大电路：将从传感器压电晶片传输过来的电荷信号转换为电压信号并进行放大；自检电压信号经由一电容模拟为电荷信号，对整个电路进行检测。自检信号输入端采用低噪音、高阻抗（输入阻抗达1012以上）的运算放大器来保证整个电路完全符合设计要求。
高通滤波器电路用于滤除不需要的低频成分。低通滤波器电路用于滤除不需要的高频成分。偏置电路用于提供所需的零位电压。限幅电路用于设定所需的限幅电压，具体电路根据实际需要可作适当调整。放大器用于放大、调整、输出信号。
如图3所示，敏感芯体2包括紧固圈21、中心支柱22、压电陶瓷23和质量块24，压电陶瓷23围绕方形中心支柱22设置，在压电陶瓷23外侧设质量块24，紧固圈21从外侧紧固质量块24。该压电陶瓷23，具有高居里点（470℃以上）、高压电系数d33大于450 pC/N等特性，从而保证传感器芯体的灵敏度高，使用温度可达260℃。此外，该敏感芯体采用三向剪切结构，即在同一个方形中心支柱22上，用记忆合金环（紧固圈21）将三个互为垂直方向上的压电陶瓷23和质量块24紧固在一起，体积小，可靠性好，三向相间干扰小。
该智能三向加速度传感器的工作过程：在待测物体上安装好本专利传感器，待测物体的振动传递给该传感器，传感器内的质量块产生惯性力作用到压电陶瓷器件，从而在压电陶瓷表面产生与此作用力成正比的高阻电荷信号，此电荷信号通过引线连接到电路板上的输入端，然后分别经过电荷放大电路转变为低阻电压信号，在经过高、低通滤波电路滤除不需要的高频和低频成分，最后通过限幅放大电路输出。
该智能三向加速度传感器，内部敏感芯体采用隔离双屏蔽，具有良好的抗干扰性能；集成度高，一个传感器相当与一个多通道振动检测系统，体积小；同时省却了大量的外部电缆，可靠性高；带自检功能，确保系统能可靠工作。
本发明是组合了两个不同灵敏度的三向压电加速度计为一体的加速度传感器，及在X、Y、Z三个互为垂直的方向上有高低两种灵敏度输出，内装调节放大滤波等电路，且具有自检功能，它是为同时测量一点上互为垂直的xyz三轴向上的两种量程的低频的振动加速度而专门设计的。具有创新的三向剪切结构，便于安装调试结构设计、内部隔离双屏蔽结构提高抗干扰能力，体积小，集成度高、是一种新型的智能传感器。各向传感器都具有高低两种电荷灵敏度和优良的横向特性，因此低频振动测量中，尤其是需测量在同一点的多个不同方向上加速度分量的实验中有重要用途，它也可以用于大型结构大冲击的动态监测仪表系统中。
Claims (2)
1.一种智能三向加速度传感器，其特征在于：包括基座（1）、敏感芯体（2）、绝缘隔离圈（3）、压圈（4）、内盖（5）、外壳（6）、上盖（7）、电路板（8）、定位支柱（10）、引线（11）、输出插座（12）和自检插座（13）；所述的敏感芯体（2）通过压圈（4）设在基座（1）内，在压圈（4）的下方设绝缘隔离圈（3）将敏感芯体（2）悬浮；所述的内盖（5）将敏感芯体（2）封装屏蔽在基座（1）内；所述的电路板（8）通过定位支柱（10）设在基座（1）上，所述的电路板（8）通过引线（11）与敏感芯体（2）连接；在所述的基座（1）上设外壳（6），在外壳（6）上设有输出插座（12）和自检插座（13）；所述的输出插座（12）与电路板（8）相连；所述的自检插座（13）与敏感芯体（2）和电路板（8）分别相连；在所述的外壳（6）上设上盖（7）；在所述的电路板（8）上设有由若干个元器件（9）组成的电路，所述的电路包括电荷放大电路、高通滤波电路、低通滤波电路、偏置电路、放大器和限幅电路，所述的电荷放大电路、高通滤波电路、低通滤波电路、偏置电路和放大器依次连接，所述的限幅电路与放大器相连；所述的高通滤波器与电荷放大电路和加载自检电路分别相连；所述的敏感芯体（2）为压电陶瓷敏感芯体。
2.根据权利要求1所述的智能三向加速度传感器，其特征在于：所述的敏感芯体（2）包括紧固圈（21）、中心支柱（22）、压电陶瓷（23）和质量块（24），所述的压电陶瓷（23）围绕中心支柱（22）设置，在压电陶瓷（23）外侧设质量块（24），所述的紧固圈（21）从外侧紧固质量块（24）。
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