CN104266745A - 一体集成式振动传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种一体集成式振动传感器，用于解决压电陶瓷材料作为敏感元件的振动传感器低频灵敏度低、输出阻抗高、易引入外部噪声干扰等问题。本发明采用多片压电陶瓷片叠加并联构成压电晶堆，通过增大压电敏感元件静态电容来降低输出阻抗；压电晶堆用螺杆紧固并施加一定的预紧力，提高压电晶堆的弹性模量，从而提高其低频响应灵敏度；信号调理电路与压电晶堆通过金属紧固件集成一体化安装，提高二者公共接地端的联接可靠性，并降低信号传输的环路面积，提高了对外部环境干扰的抑制能力。

Description

一体集成式振动传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器，具体涉及一种振动传感器。

背景技术

压电陶瓷作为敏感元件的地震波传感器，稳定性、抗冲击性能好。但压电陶瓷材料敏感元件固有特性是低频响应灵敏度低而输出阻抗高，对信号调理电路的阻抗匹配与频率响应相应要求较高，而且容易引入外部电噪声干扰。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种一体集成式振动传感器，能够解决压电陶瓷材料作为敏感元件的地震波传感器低频灵敏度低、输出阻抗高、易引入外部噪声干扰等问题。

所述的一体集成式振动传感器包括信号调理电路板、连接杆、惯性元件、压电晶堆和底座；所述压电晶堆由N个压电陶瓷片和(N-1)个接电片组成，N为大于等于2的偶数，每两个压电陶瓷片之间放置一个接电片；所述连接杆、惯性元件和底座均具备导电性能。

所述压电晶堆位于惯性元件和底座之间，压电晶堆中任意相邻两压电陶瓷片均为同极相对，其两端与惯性元件和底座接触部分的均为对应压电陶瓷片的负极。

所述压电晶堆中，与压电陶瓷片正极接触的接电片分别与电缆固接，将压电晶堆的正极引出；与压电陶瓷片负极接触的接电片分别与另一根电缆固接，将压电晶堆的负极引出；通过连接杆将压电晶堆、惯性元件和底座连为一体，其中连接杆与压电晶堆间绝缘。

所述信号调理电路板固接在惯性元件上，压电晶堆的正极由电缆引出后与信号调理电路板上信号调理电路的信号输入端相连，压电晶堆的负极由另一根电缆引出后与惯性元件相连；所述信号调理电路板的公共接地端与惯性元件相连。

所述信号调理电路包括正相放大器和位于正相放大器输入端与输出端之间的直流负反馈网络，其中正相放大器的输入端即为信号调理电路的信号输入端。

作为本发明的一种优选方式，所述连接杆为螺杆，依次穿过质量元件和压电晶堆的中心孔后与底座上的螺纹孔配合，并为压电晶堆提供预应力；所述螺杆与压电晶堆之间通过间隙配合实现绝缘。

作为本发明的一种优选方式，所述信号调理电路板通过螺钉和空心金属支柱紧固在惯性元件上；所述空心金属支柱作为导电体将信号调理电路板的公共接地端与惯性元件相连。

有益效果：

(1)由多个压电陶瓷片并联构成压电晶堆，能够增加静态电容，降低输出阻抗，便于后续的阻抗匹配；压电晶堆用螺杆紧固并施加一定的预紧力，能够提高压电晶堆的弹性模量，从而提高其低频响应灵敏度。

(2)将信号调理电路直接安装在传感器惯性质量元件上，取消了前端的信号传输电缆，增加了惯性质量元件的有效质量，缩短了信号传输的距离并且提高了敏感元件与信号调理电路公共接地端的可靠性，降低信号传输回路的环路面积，有利于抑制外部环境干扰，并同时提高电路工作的稳定性与可靠性。

附图说明

图1为集成式振动传感器的结构示意图；

图2为压电晶堆连接示意图；

图3为信号调理电路原理图。

其中：1-信号调理电路板、2-空心金属支柱、3-预应力螺杆、4-质量块、5-接电片、6-压电陶瓷圆片、7-电缆A、8-底座、9-电缆B

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。

本实施例提供一种用于测量地震波信号的一体集成式振动传感器，解决了压电陶瓷材料作为敏感元件的传统地震波传感器低频灵敏度低、输出阻抗高、易引入外部噪声干扰等问题

该传感器的具体结构如图1所示，包括信号调理电路板1、空心金属支柱2、螺杆3、质量块4、接电片5、压电陶瓷片6、电缆A7、电缆B9和底座8。其中质量块4为其惯性元件，质量块4、底座8和接电片5均由硬度较高、密度较大的金属材料制成，并在表面进行精密抛光处理；为提高接电片5的导电性能，在接电片5的表面应镀上导电性能较好的金属，如金、银等。

本实施例中使用了六片介电常数与压电系数较高的PMg-51压电陶瓷圆片6，每两个压电陶瓷圆片6之间放置一个接电片5，由此六片压电陶瓷圆片6和五个接电片5层层同轴叠加构成压电晶堆。压电晶堆的连接如图2所示，六片压电陶瓷圆片6从上至下排列两两成对，第一片与第二片组成第一对，第三片与第四片组成第二对，第五片与第六片组成第三对。每对压电陶瓷圆片之间正极与正极相对，从而通过位于其中间的接电片相连，该位置下的三个接电片的边缘伸出压电晶堆后与电缆A7焊接，由电缆A7将压电晶堆的正极引出。相邻两对之间负极与负极相对，通过位于其中间的接电片相连，该位置下的两个接电片的边缘伸出压电晶堆后与电缆B9焊接，由电缆B9将压电晶堆的负极引出。由此在电气连接上六片压电陶瓷圆片就构成了并联关系，增大了传感器的静态电容C₀，而压电陶瓷类传感器的输出阻抗Z与其静态电容有关，静态电容C₀越大，输出阻抗Z越低。六片压电陶瓷圆片并联，其静态电容C₀增大到单片压电陶瓷圆片的六倍，有效降低了传感器的输出阻抗，有利于提高其低频灵敏度并降低外部噪声干扰的影响。

每片压电陶瓷圆片和接电片的中心均留有圆孔，由此形成压电晶堆的中心孔。将上述压电晶堆放置在底座8与质量块4之间，质量块4上与压电晶堆中心孔对应位置加工有圆形通孔，底座8上与压电晶堆中心孔对应位置加工有螺纹孔，由此通过预应力螺杆3将质量块4、压电晶堆和底座8紧固在一起，预应力螺杆3与压电晶堆之间通过间隙配合实现绝缘。为提供一定的预应力，预应力螺杆3紧固过程中可以使用平垫片、弹性垫圈此类的辅助器件，具体为：安装过程中将预应力螺杆3上先套入弹性垫圈、平垫片，再穿过质量块4以及压电晶堆上的通孔，紧固在底座8上的螺纹孔中。拧紧预应力螺杆3直至克服弹性垫圈的弹力，使弹性垫圈压平，这时，压电晶堆上就存在一定的预应力。

压电晶堆的正极由电缆A7引出后与信号调理电路板1上信号调理电路的信号输入端相连，负极由电缆B9引出后与质量块4相连。质量块4的上表面加工有多个螺纹孔，用螺钉将信号调理电路板1通过空心金属支柱2紧固在质量块4上，空心金属支柱2作为导电体将信号调理电路板1上裸露的公共接地端与质量块4联接。同样，金属材质的预应力螺杆3也为质量块4与底座8提供了电联接。因此，信号调理电路板1的公共接地端与压电晶堆的负极、质量块4和底座8在电信号上是连接在一起的。

由于该地震波传感器的压电晶堆通过预应力螺杆3施加了预应力，压电晶堆中压电陶瓷圆片与接电片紧密结合，由于各种材料的热膨胀系数不同，有可能由于温度变化引起压电陶瓷圆片细微的形变，从而产生缓慢变化的温度蠕变信号，其频率要低于地震波信号频率，这种信号是不希望的，因此采用一种带有低频信号负反馈的信号调理电路来放大地震波段信号的同时来抑制这种频率更低、缓慢变化的温度蠕变信号。

由此信号调理电路板1上的信号调理电路如图3所示，包括正相放大器与直流反馈网络，其中运算放大器U1与外围阻容器件构成正相放大器，运算放大器U2与外围阻容器件构成积分电路，起到直流负反馈的作用。

其具体连接为：所述运算放大器U1选用低噪声、低直流偏移的运放AD797，压电晶堆正极的输出信号通过电缆A7接入运算放大器U1的正相输入端；电阻R2和电容C1并联后一端接运算放大器U1的反相输入端，另一端通过反馈电阻R3接入运算放大器U1的输出端，起到平衡直流偏移的作用；限流电阻R1接在反馈电阻R3与地之间。反馈电阻R3与限流电阻R1的阻值控制正相放大器的增益倍数：增益运算放大器U1的输出端用于输出调理后的信号。

单纯的正相放大器U1输出信号中除了有用信号，还包含了运算放大器本身的直流偏移、经过放大了的压电晶堆的温度蠕变信号(这是一种缓慢变化、近似直流的信号)，因此需要通过一个负反馈网络来抑制以上这两种近似直流的信号。

限流电阻R4、反馈电容C2和运算放大器U2构成积分电路，位于运算放大器U1的同相输入端与输出端之间，其中运算放大器U2的反相输入端通过限流电阻R4后与运算放大器U1的输出端相连，运算放大器U2的同相输入端通过电阻R8后接地，电阻R8起到平衡运算放大器U2自身直流偏移的作用；反馈电容C2接在运算放大器U2的反相输入端与输出端之间；运算放大器U2的输出端依次通过电阻R6和电阻R5后与运算放大器U1的同相输入端相连，在电阻R6与地之间连接电阻R7，所述电阻R6、R5和R7形成分流网络。该积分电路的积分时间常数为：τ＝R4·C2。

缓慢变化、近似直流的信号经过积分后经过电阻R6、R7、R5构成分流电阻网络反馈回到正相放大器中运放U1的输入端，这是一种负反馈，将U1输入端的温度蠕变信号与直流偏移抵消掉一部分；而频率稍高的地震波信号可以正常通过电路并被放大。

通过信号调理电路能够完成阻抗匹配，将高阻抗变为低阻，以便于后级电路正常采集震动信号；对敏感元件的输出信号进行放大，以便于后级电路采集；消除温度蠕变信号的影响。

该地震波传感器的工作原理为：将传感器放置在与地面良好耦合的条件下，地面传播的地震波引起振动使地震波传感器也随之振动，传感器中的质量块由于自身存在惯性，为克服这种惯性，压电晶堆将被压缩或拉伸，从而产生形变。由于压电材料的压电特性，其形状发生变化就会相应产生电信号输出。压电晶堆产生的电信号被信号调理电路放大后输出。

该传感器适用于测各种振动体的振动信号，测量时将传感器设置在振动体上，当振动体有振动时，传感器整体产生振动，压电晶堆为克服质量块的惯性产生形变，从而输出电信号。

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 (3)

1.一体集成式振动传感器，其特征在于，包括信号调理电路板、连接杆、惯性元件、压电晶堆和底座；所述压电晶堆由N个压电陶瓷片和(N-1)个接电片组成，N为大于等于2的偶数，每两个压电陶瓷片之间放置一个接电片；所述连接杆、惯性元件和底座均具备导电性能；

所述压电晶堆位于惯性元件和底座之间，压电晶堆中任意相邻两压电陶瓷片均为同极相对，其两端与惯性元件和底座接触部分的均为对应压电陶瓷片的负极；

所述压电晶堆中，与压电陶瓷片正极接触的接电片分别与电缆固接，将压电晶堆的正极引出；与压电陶瓷片负极接触的接电片分别与另一根电缆固接，将压电晶堆的负极引出；通过连接杆将压电晶堆、惯性元件和底座连为一体，其中连接杆与压电晶堆间绝缘；

所述信号调理电路板固接在惯性元件上，压电晶堆的正极由电缆引出后与信号调理电路板上信号调理电路的信号输入端相连，压电晶堆的负极由另一根电缆引出后与惯性元件相连；所述信号调理电路板的公共接地端与惯性元件相连；

所述信号调理电路包括正相放大器和位于正相放大器输入端与输出端之间的直流负反馈网络，其中正相放大器的输入端即为信号调理电路的信号输入端。

2.如权利要求1所述的一体集成式振动传感器，其特征在于，所述连接杆为螺杆，依次穿过质量元件和压电晶堆的中心孔后与底座上的螺纹孔配合，并为压电晶堆提供预应力；所述螺杆与压电晶堆之间通过间隙配合实现绝缘。

3.如权利要求1或2所述的一体集成式振动传感器，其特征在于，所述信号调理电路板通过螺钉和空心金属支柱紧固在惯性元件上；所述空心金属支柱作为导电体将信号调理电路板的公共接地端与惯性元件相连。