CN103675341A

CN103675341A - 压电式加速度传感器

Info

Publication number: CN103675341A
Application number: CN201310732589.XA
Authority: CN
Inventors: 毛利萍; 李鑫; 董显林; 王根水
Original assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority date: 2013-12-26
Filing date: 2013-12-26
Publication date: 2014-03-26

Abstract

本发明涉及一种压电式加速度传感器，包括：壳体；与所述壳体相连的基座，所述基座包括从该基座延伸至所述壳体内的中心柱；容纳于所述壳体内且从所述中心柱径向向外依次设置的压电元件组和质量块；以及容纳于所述壳体内且将所述压电元件组和所述质量块固定在所述中心柱上的预载筒。本发明的压电式加速度传感器能够在任何温度下均可采用剪切型结构。

Description

压电式加速度传感器

技术领域

本发明属于传感器和换能器技术领域，具体地，涉及一种主要应用于机械设备的振动测试和监测的压电式加速度传感器。

背景技术

加速度传感器是一种用于测量设备、物体等振动的机电传感器，广泛应用于航空航天、核能电力、船舶交通、生物医学等各个行业领域。加速度传感器按其原理可以分为压电式、压阻式、电容式、谐振式等多种类型，这其中压电式加速度传感器以其灵敏度高、使用温度范围宽、稳定性好等众多优点，成为使用最为广泛的加速度传感器。特别是对于航空发动机、核电机组等环境温度非常高的应用场合（通常高于400℃），压电式加速度传感器是不可替代的选择。

压电式加速度传感器是基于压电材料的压电效应而工作的。其原理是利用诸如压电陶瓷或石英晶体等压电材料的压电效应，在加速度传感器受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度传感器的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。

目前使用较多的压电式加速度传感器的结构主要为压缩型和剪切型。相对于压缩型结构，剪切型结构通常具有更高的输出、更小的尺寸、更大的带宽和更低的横向输出等，因此成为了压电式加速度传感器设计时优先选用的结构。尤其值得一提的是，剪切型结构的压电式加速度传感器中，不直接与压电元件接触，因此具有更低的瞬变温度灵敏度和更好的温度性能。常温的压电式加速度传感器现已普遍采用剪切型结构。但对于可在350℃以上高温工作的商业压电式加速度传感器，却大多采用压缩型结构。

压电式加速度传感器的核心敏感元件为压电元件，压电元件主要分为压电晶体和压电陶瓷两大类，由于压电晶体材料价格昂贵、不易加工且压电系数低，因此绝大多数压电式加速度传感器都采用压电陶瓷材料作为压电元件。而对于采用高温压电陶瓷材料作为敏感元件材料的压电式加速度传感器，剪切型结构难以实现对压电元件等零件的固定。

这是由于，现有的剪切型结构的压电式加速度传感器中，对于压电元件等零件一般有两种固定方式，第一种固定方式是采用弹性材料加工成预紧筒，紧固在压电元件和质量块侧边，利用其弹性收缩将压电元件固定在基座的中心柱上。例如，如图1（a）所示，在壳体18内，采用由弹性材料加工而成的预紧筒14，利用该预紧筒14的弹性收缩将压电元件11和质量块12固定在基座17的中心柱13上。

另一种固定方式是采用螺纹固定，即，将螺栓依次通过压电元件、质量块等，且在螺栓的梢端处用螺母拧紧，从而将各元件固定在中心柱上。例如，如图1（b）所示，在壳体18内，将螺栓15从质量块12的径向外侧依次通过质量块12、压电元件11，并在穿过基座17的中心柱13后再依次通过压电元件11、质量块12，且在螺栓15的梢端处用螺母16拧紧，从而将各元件固定在中心柱13上。

如采用现有方法制作高温剪切型压电式加速度传感器，上述第一种固定方式需要可在高温下使用的弹性材料，而目前尚无此种材料，且此方法预紧力较小，导致压电式加速度传感器结构不够牢固，不能承受较大的振动和冲击。而上述第二种固定方式需要在压电元件中心处开孔，以通过固定螺栓，但高温压电陶瓷材料由于极化难度大，一般仅能做到两三毫米的高度，因此没有足够的高度来开孔以通过螺栓，而压电晶体材料由于加工难度大，也不易在中心开孔。

另外，高温压电材料压电系数低，尤其是高温压电晶体材料，压电系数仅几pC/g，而剪切型结构的质量块重量不易做大，这样会致使压电式加速度传感器的输出灵敏度极低，无法满足实际测试要求。综上所述，现有的高温压电式加速度传感器难以采用剪切型结构。

发明内容

鉴于以上所述，本发明所要解决的技术问题在于提供一种压电式加速度传感器，能够在任何温度下均可采用剪切型结构。

为了解决上述技术问题，本发明的压电式加速度传感器包括：壳体；与所述壳体相连的基座，所述基座包括从该基座延伸至所述壳体内的中心柱；容纳于所述壳体内且从所述中心柱径向向外依次设置的压电元件组和质量块；以及容纳于所述壳体内且将所述压电元件组和所述质量块固定在所述中心柱上的预载筒。

根据本发明，通过预载筒直接对压电元件组和质量块施加预紧力来将压电元件组和质量块固定在基座的中心柱上，即通过预载筒在压电元件组及质量块零件平面上施加垂直于该平面的预紧力来固定这些零件，因而无需对压电元件组等开固定孔即可进行预紧固定，且克服了现有在350℃以上高温工作的压电式加速度传感器难以采用剪切型结构的问题。

本发明的压电式加速度传感器可适用于各种温度的场合，并能应用于具有各种高度的压电元件组，且预紧力可调，可对零件施加和压缩型结构一样较大的预紧力，从而该压电式加速度传感器结构稳定，能承受较大的振动和冲击。从而，本发明的压电式加速度传感器可兼具压缩型结构稳定可靠和剪切型结构横向灵敏度低、温度性能好的优点，且制作工艺简单，因而可以广泛应用于工业生产、科学研究和国防领域的高温振动测量。另外，亦可应用于常温和低温领域。

在本发明中，也可以是，所述预载筒紧固于所述中心柱。

根据本发明，通过将预载筒紧固于所述中心柱，以此可有效地将压电元件组和质量块固定在中心柱上。优选地，该预载筒可通过焊接或螺纹连接等形式紧固于中心柱。

在本发明中，也可以是，包括围绕所述中心柱均匀分布的多组所述压电元件组和所述质量块。

根据本发明，设有多组围绕中心柱均匀分布的压电元件组和质量块，可以实现多组并联，以增大传感器输出。

在本发明中，也可以是，所述压电元件组由多个压电元件并联或并联后再串联而构成。

根据本发明，压电元件组由多个压电元件并联或并联后再串联而构成，由此可使得压电式加速度传感器具有较高的灵敏度。

在本发明中，也可以是，还包括：与所述压电元件组相连的导电片；设于所述压电元件组与所述质量块之间以及所述压电元件组与所述中心柱之间的绝缘片；设置于所述壳体上的接插件；以及连接于所述导电片与所述接插件之间的导线。

根据本发明，可通过绝缘片使压电元件组与质量块、中心柱形成绝缘，以对各部件进行绝缘保护；且可通过导线连接导电片与接插件，以将压电元件组产生的电信号经导电片和导线通过接插件输出到外部电缆。

在本发明中，也可以是，所述压电元件为剪切型压电元件。

根据本发明，更有利于降低压电式加速度传感器的横向灵敏度、并提高该压电式加速度传感器的温度性能。

在本发明中，也可以是，所述剪切型压电元件包括高温压电元件。

根据本发明，更有利于在高温下实现压电式加速度传感器的剪切型结构。

在本发明中，也可以是，所述高温压电元件包括高温压电陶瓷材料或高温压电晶体材料。

根据本发明，该高温压电元件可以是诸如CaBi₄Nb₄O₁₅、Bi₃TiNbO₉等的高温压电陶瓷材料或诸如LGS、LGT等的高温压电晶体材料，以进一步有利于在高温下实现压电式加速度传感器的剪切型结构。

在本发明中，也可以是，所述壳体、基座、预载筒由耐高温合金钢材构成，且所述质量块由高比重合金材料构成。

根据本发明，壳体、基座、预载筒均可采用诸如Inconel 600、Inconel 718等的耐高温合金钢材。且质量块可采用高比重合金材料，该高比重合金可指一类以钨为基体的合金，其密度高达16.5-19.0g/cm³，例如可以是97WNiWu。从而更有利于在高温下实现压电式加速度传感器的剪切型结构，且可使得该压电式加速度传感器的结构更稳定可靠。

在本发明中，也可以是，所述导电片由耐高温导电金属材料构成，且所述绝缘片由耐高温绝缘材料构成。

根据本发明，导电片可采用诸如高温钢、铂金等的耐高温导电金属材料，有利于在高温下传输电信号；且绝缘片可采用诸如氧化铝的耐高温绝缘材料，有利于在高温下对压电元件组、质量块、中心柱等进行绝缘保护。

本发明可包含权利要求书和/或说明书和/或附图中公开的至少两个结构的任意组合。尤其是，本发明包含权利要求书的各项权利要求的两个以上的任意组合。

根据下述具体实施方式并参考附图，将更好地理解本发明的上述及其他目的、特征和优点。

附图说明

图1是现有技术中的剪切型压电式加速度传感器的结构示意图；

图2是本发明的压电式加速度传感器的一实施形态的剖视图；

图3是本发明的压电式加速度传感器的一优先实施例的局部分解立体示意图；

图4是本发明的压电式加速度传感器的另一优选实施例的局部分解立体示意图；

图5是本发明的压电式加速度传感器中的压电元件并联的结构示意图。

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。在所有附图中相同或相应的部件标以相同或相似的附图标记。

图2是本发明的压电式加速度传感器的一实施形态的剖视图。如图2所示，本发明的压电式加速度传感器包括壳体28和与该壳体28相连的基座27。该基座27包括从其延伸至壳体28内的中心柱26。该压电式加速度传感器包括容纳于壳体28内且从中心柱26径向向外依次设置的压电元件组21和质量块24，以及容纳于壳体28内且将压电元件组21和质量块24固定在中心柱26上的预载筒25。

本发明通过预载筒25直接对压电元件组21和质量块24施加预紧力来将压电元件组21和质量块24固定在基座27的中心柱26上，即通过预载筒25在压电元件组21及质量块24等零件平面上施加垂直于该平面的预紧力来固定这些零件，因而无需对压电元件组21等开固定孔即可进行预紧固定，且克服了现有在350℃以上高温工作的压电式加速度传感器无法采用剪切型结构的问题。

在本发明中，上述壳体28、基座27、预载筒25均可采用诸如Inconel 600、Inconel 718等的耐高温合金钢材，且质量块24可采用以钨为基体的合金，其密度高达16.5-19.0g/cm³的高比重合金材料，例如97WNiWu，从而更有利于在高温下实现压电式加速度传感器的剪切型结构，且可使得该压电式加速度传感器的结构更稳定可靠。

此外，预载筒25可紧固于中心柱26。例如，预载筒25可通过焊接或螺纹连接等形式紧固于中心柱26。以此可有效地将压电元件组21和质量块24固定在中心柱26上。且在该压电式加速度传感器使用时，上述基座27可以以三孔螺钉安装方式、或中心M5螺纹安装方式安装在被测设备上。

在图2所示的实施形态中，该压电式加速度传感器还包括与压电元件组21相连的导电片22。此外，还包括设于压电元件组21与质量块24之间以及压电元件组21与中心柱26之间的绝缘片23，可通过绝缘片23使压电元件组21与质量块24、中心柱26形成绝缘，以对各部件进行绝缘保护。还如图2所示，该压电式加速度传感器还包括设置于壳体28上的接插件29，该接插件29例如可以是密封接插件。在导电片22与接插件29之间连接有导线22a。例如，如图所示，该导线22a的一端连接至导电片22，另一端穿过预载筒25后连接至接插件29的插针30。由此，可将压电元件组21产生的电信号经导电片22和导线22a通过接插件29输出到外部电缆（图示省略）。该导线22a可采用一定保护措施（如氧化铝套管、绝缘镀层等）以确保与外部绝缘。

另外，上述导电片22可采用诸如高温钢、铂金等的耐高温导电金属材料，有利于在高温下传输电信号。绝缘片23可采用诸如氧化铝的耐高温绝缘材料，有利于在高温下对压电元件组21、质量块24、中心柱26等进行绝缘保护。

在本发明中，优选地，压电元件组21和质量块24可以设置成围绕中心柱26均匀分布有多组，从而实现多组并联，以增大传感器输出。

此外，上述压电元件组21优选地可以由多个压电元件并联或并联后再串联而构成，由此可使得本发明的压电式加速度传感器具有较高的灵敏度。图5是本发明的压电式加速度传感器中的压电元件并联的结构示意图，包括压电元件51和导电片52，其中箭头所示的方向表示压电元件极化方向。图5（a）示出了多个压电元件51并联构成压电元件组，而图5（b）示出了多个压电元件51并联后再串联而构成压电元件组。

并且，上述压电元件可以为剪切型压电元件，优选地为高温压电元件。所谓高温压电元件通常指超出常温范围的压电元件，例如为两百多度等。在本发明中，该高温压电元件可以是诸如CaBi₄Nb₄O₁₅、Bi₃TiNbO₉等的高温压电陶瓷材料或诸如LGS、LGT等的高温压电晶体材料，以进一步有利于在高温下实现压电式加速度传感器的剪切型结构。

以下结合图3和图4的不同实施例进一步说明本发明的压电式加速度传感器的装配过程。图3是本发明的压电式加速度传感器的一优先实施例的局部分解立体示意图；图4是本发明的压电式加速度传感器的另一优选实施例的局部分解立体示意图。图3和图4均只示出了围绕中心柱26均匀分布的多组压电元件组和质量块中的一组。

如图3所示，该压电式加速度传感器的敏感单元（即压电元件组）由多片剪切型压电片（即压电元件）31、导电片32共同组成，多片压电片31间为并联结构形式，或多片并联后再串联；敏感单元通过绝缘片33与质量块34、中心柱36形成绝缘，并通过导线与接插件的插针连接（图示省略）。装配时，首先用装配夹具将绝缘片33、压电片31、导电片32、质量块34按顺序依次叠放构成所需连接结构形式，并整齐固定在中心柱36上；接着将导线的一头焊在导电片32上，另一头通过预载筒35穿出；用压力装置将预载筒35压紧在压电元件组及质量块等上，达到合适预压力，再将预载筒35与中心柱36焊接固定；把装配好的基座37装入壳体后，将导线的另一头与插针焊在一起，再将基座与壳体焊好。至此，该压电式加速度传感器装配完毕。

图4所示的实施例与图3大致相同，其区别点在于预载筒和质量块的结构以及预载筒的安装方式。图3所示的预载筒35为长方体形状，且质量块34也相应地为长方体形状。而图4所示的预载筒45为大致圆柱形状，该预载筒45的轴向与多片压电片41的排列方向大致平行。且质量块44具备与该圆柱状预载筒45的轴向端面相配合的端面。在图4所示的实施例中，用力矩扳手将预载筒45与中心柱46通过螺纹连接拧紧，达到合适预压力，再将预载筒45与中心柱46焊接固定。图4中与图3相同的结构不再赘述。

此外，本发明的剪切型高温压电式加速度传感器在组装前可对其相关零件进行超声波清洗并进行表面处理和热处理以达到产品更好的稳定性。

在不脱离本发明的基本特征的宗旨下，本发明可体现为多种形式，因此本发明中的实施形态是用于说明而非限制，由于本发明的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围、或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。

Claims

1.一种压电式加速度传感器，其特征在于，包括：

壳体；

与所述壳体相连的基座，所述基座包括从该基座延伸至所述壳体内的中心柱；

容纳于所述壳体内且从所述中心柱径向向外依次设置的压电元件组和质量块；以及

容纳于所述壳体内且将所述压电元件组和所述质量块固定在所述中心柱上的预载筒。

2.根据权利要求1所述的压电式加速度传感器，其特征在于，所述预载筒紧固于所述中心柱。

3.根据权利要求1所述的压电式加速度传感器，其特征在于，包括围绕所述中心柱均匀分布的多组所述压电元件组和所述质量块。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的压电式加速度传感器，其特征在于，所述压电元件组由多个压电元件并联或并联后再串联而构成。

5.根据权利要求1所述的压电式加速度传感器，其特征在于，还包括：

与所述压电元件组相连的导电片；

设于所述压电元件组与所述质量块之间以及所述压电元件组与所述中心柱之间的绝缘片；

设置于所述壳体上的接插件；以及

连接于所述导电片与所述接插件之间的导线。

6.根据权利要求4所述的压电式加速度传感器，其特征在于，所述压电元件为剪切型压电元件。

7.根据权利要求6所述的压电式加速度传感器，其特征在于，所述剪切型压电元件包括高温压电元件。

8.根据权利要求7所述的压电式加速度传感器，其特征在于，所述高温压电元件包括高温压电陶瓷材料或高温压电晶体材料。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的压电式加速度传感器，其特征在于，所述壳体、基座、预载筒由耐高温合金钢材构成，且所述质量块由高比重合金材料构成。

10.根据权利要求5所述的压电式加速度传感器，其特征在于，所述导电片由耐高温导电金属材料构成，且所述绝缘片由耐高温绝缘材料构成。