CN105891878A - 一种震动传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种震动传感器，其特征在于所述的震动传感器是一种震声耦合式震动传感器，将震动波转为声波，再由传声器将声波转变为电信号输出；所述的传感器包括一个密闭空腔，空腔上面连接弹性膜片，该弹性膜片中心位置上连接有配重质量体，配重质量体通过膜支架间接连接到弹性膜片上，以达到控制接触面积的目的，密闭空腔底面则由传声器及印刷电路板密封，传声器指向密闭空腔内部，密闭空腔配以外壳。本发明解决了以往低频震动传感器体积大，重量重，以及MEMS加速度计对低频信号接收能力差等技术难题，较好的解决了传感器体积、重量与低频信号接收能力之间的矛盾。

Description

一种震动传感器

技术领域

本发明涉及一种震动传感器，特别是涉及一种感知频率低、体积小、重量轻的声耦合式震动传感器。

背景技术

在传感器网络的应用以及研究领域中，通常采用动圈式地听器或者MEMS加速度计探测震动波，以实现对震源目标的监测。不论是机械诊断，还是安防领域，亦或者地震监测领域都需要监测震源。特别是安防领域，由于土壤介质的低通特性，远处的运动目标所产生的地震波在到达传感器处时，地震波的高频分量被大幅度的衰减，由于动圈式地听器能够探测到更低频率的地震波，所以通常采用动圈式地听器来探测地面机动目标产生的地震波。

在传感器网络的实际应用中，通常要求传感器节点拥有较长的电池寿命，较轻的重量和较小的体积，以方便实现传感器网络的布设和维护。根据这些要求，上面提及的动圈式地听器或MEMS加速度计都存在各自的不足之处。主要是动圈式地听器的体积以及质量都较大。而MEMS加速度计的低频响应特性较差，难以满足工程设计要求，另外高性能的MEMS加速度计则价格较高，不利于批量生产。

由于声波与震动总是相辅相成，如果存在声传播介质，则震动源在产生震动波的同时不可避免的会产生声波，而传声器具有体积小，重量轻，探测频率低等特点。当存在适当的结构件时，如能够相对高效地将震动波转变为声波，则既可用传声器间接地探测震动波，实现震动传感器的功能。据发明人所知目前这方面已公开的，或与本发明工作机制相似或相近的震动传感器鲜有报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种震动传感器，所述的震动传感器为声耦合式震动传感器。用于解决现有震动传感器低频响应特征与传感器体积和重量之间的矛盾，也即提供一种低频响应优于MEMS加速度计，而体积和重量小于动圈式地听器的震动传感器。

本发明所述震动传感器主要由弹性膜片、配重质量体、薄壁管、传声器及其电路板构成。所述薄壁管要求其刚性较好，外形不一定是圆柱形，视具体需求而定，通常要求其长度较短，以便于放大震动波。如果薄壁管足够坚硬耐用，那么薄壁管就可以作为外壳的一部分，外加上盖下盖就能构成外壳，如果薄壁管仅用于构成密闭空腔的侧面，那么为了提高传感器的稳定性，需要配合外壳。以上两种情况，分别对应于传感器单独使用和集成到其它系统中的情况。所述弹性膜片要求其弹性较好且具有一定的气密性，弹性膜片上连接有配重质量体，弹性膜片覆盖于薄壁管的上开口。所述配重质量体体积不定，较大的配重质量体可以通过支架间接连接到弹性膜片上。所述传声器及其电路板应能够密封薄壁管的下开口，传声器敏感面指向密闭空腔内部，能够探测到管内部的声压变化。所述弹性膜片、薄壁管、传声器及其电路板构成密闭空腔，该密闭空腔即为本发明提供的震动传感器的主体。

实际实施时，构成密闭空腔侧面的薄壁管可由外壳代替，构成外壳的一部分。弹性膜片、电路板与外壳的内壁相接，三者所包围的空间即为所述密封空腔。

所述密闭空腔，可留有小孔，用于平衡空腔内外的气压。所述配重质量体能够捕获震动波，带动膜片压缩密闭空腔内的空气，形成交变的声压。所述声压可以被传声器探测到并转换为电信号输出。

优选的，配重质量体与弹性膜片之间有限位台阶，用于防止配重质量体的振动位移超过弹性膜片的弹性形变量。

优选的，配重质量体外部可配有外壳，用于限制质量体的振动位移以及保护震动传感器免受不必要的干扰，这是因为配重质量体是连接在弹性膜片上的，如配重质量体受到撞击则会带动膜片产生可探测的声压，这将引入干扰。

优选的，密闭空腔外可配以外壳，或构成外壳的一部分，实现防尘、防水、抗冲击等目的，这是因为密闭空腔的下底面是由印刷电路板密封的，如需要震动传感器单独使用，则需要保护印刷电路板。

优选的，传声器可以选择MEMS声传感器，声孔朝向密闭空腔内，也可以选择驻极体麦克风，相比MEMS声传感器，驻极体麦克风虽然体积较大，但是价格低廉，探测信号的最低频率更低。

由此可见，本发明所述的一种震动传感器，其特征在于：

(1)传感器震动时将震动波转变为声波，并将声波转变为电信号输出。

(2)传感器主体为一个密闭的空腔，空腔侧面为刚性轻质材料如塑料或者金属构成，空腔上面由弹性膜片密封，底面由传声器及其所在的印刷电路板密封。

(3)所述密闭空腔可留有小孔，用于平衡空腔内外的气压。

(4)所述弹性膜片具有一定的气密性，可以压缩腔体内的空气，弹性膜片中心位置上连接有配重质量体。

(5)所述配重质量体体积可大可小，根据具体设计需求，较大体积的配重质量体可以放置在膜支架上，并通过膜支架连接到弹性膜片上。

(6)所述弹性膜片的厚度、杨氏弹性模量、直径以及所述配重质量体需要特殊设计，使得弹性膜片能够支撑起配重质量体，使得腔体内因震动波产生的声压响应能够满足某种设计要求。

(7)传声器可能配有必要的电子元件及印刷电路板，其敏感面指向腔体内部，能够探测到腔体内的声压变化。

(8)可能还有其他配件，用于包裹配重质量体和传声器，便于质量体震动以及提高震动传感器的稳定性和易用性。

综上所述，本发明所述的震动传感器，其特征在于所述的震动传感器是一种震声耦合式震动传感器，将震动波转为声波，再由传声器将声波转变为电信号输出；所述的传感器主要由弹性膜片、配重质量体、薄壁管、传声器及其印刷电路板构成的；所述的传感器包括一个由弹性膜片、薄壁管、传声器及其印刷电路板构成的密闭空腔，密闭空腔上面连接弹性膜片，该弹性膜片中心位置上连接有配重质量体，配重质量体通过膜支架间接连接到弹性膜片上，以达到控制接触面积的目的，密闭空腔底面则由传声器及印刷电路板密封，传声器敏感面指向密闭空腔内部，密闭空腔配以外壳或构成外壳的一部分。

本发明的有益效果是：

(1)以小于动圈式地听器的体积及重量的密闭空腔构成震动传感器，探测低频震动波。如常用的动圈式地听器，其重量可达到54克，直径2厘米，高3厘米。本发明的提供的一种实施方案在直径和高度相近的情况下，可以将重量降低至34克。

(2)配重质量体可以是目标应用系统中质量较大的部件，如电池，如此则只需增加一个体积较小，重量较轻的密闭空腔就可以获得动圈式地听器相近的低频震动波探测能力。

(3)通过降低配重质量体的体积，降低弹性膜片的杨氏弹性模量以及厚度，从而可以缩小密闭空腔整体的体积及重量，实现对低频震动波的探测，如选择乳胶薄膜配合驻极体麦克风，理论上可以探测到8Hz左右的震动波，低于动圈式地听器的典型值10Hz。可以选择MEMS传声器或者驻极体麦克风，微调膜片和配置质量提可以探测到8Hz以下的震动波。

(4)MEMS加速度计的探测频率，最低探测频率典型值为100Hz；本发明的提供的一种实施方案，其探测信号的最低频率可以低至50Hz。相比MEMS加速度计，本发明提供的震动传感器的探测距离将更远。

(5)相比常用的动圈式地听器和MEMS加速度计，本发明提供的震动传感器，所采用的材料更廉价，且结构简单，故总体造价更低。

附图说明

图1是本发明的一种实现结构之截面图。

图2是本发明的一种实现结构之仰视图。

图3是本发明的一种实现结构之俯视图。

附图符号说明：

1.上盖；2.配重质量体；3.下盖；4.膜支架；5.压环；6.弹性膜片；7.印刷电路板；8.上磁铁；9.下磁铁；10.密闭空腔。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的具体实现方式。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图1所示，弹性膜片6，下盖3以及印刷电路板7一起构成一个密闭空腔10，配重质量体2通过膜支架4连接到弹性膜片6的中心位置，膜支架4与弹性膜片6由上磁铁8和下磁铁9通过互相吸引而固定。印刷电路板7上焊接有MEMS声传感器(传声器)，其声孔穿过印刷电路板7朝向密闭空腔。

如图1所示，压环5一方面用于固定弹性膜片6，另一方面起到了限位台阶的作用，限制配重质量体2向下运动的距离，起到保护弹性膜片的作用；上盖1与下盖3相接，构成一个完整的外壳，可提高传感器的稳定性。

如图1所示，上盖1一方面可以起到密封传感器的作用，另一方面可以限制配重质量体2的左右晃动及其向上运动的距离，起到保护弹性膜片的作用。

如图2所示，下盖上开有小孔，用于引出图1中的印刷电路板7上焊接的传声器信号传出所需的导线。

如图3所示，上盖上开有小孔，用于引出充当图1中配重质量体2的电池的电源线。同时该图也给出了传感器的直径，其值为27毫米。

本实施方式中，上盖1和下盖3由铝合金构成，膜支架4和压环5由PVC材料制作成，配重质量体2为一颗圆柱形的锂电池，弹性膜片6为一种用于医用听诊器的玻璃纤维膜片，印刷电路板7上焊接有MEMS传声器型号为INMP504。

本发明所述的震动传感器自底向上的装配过程为：先固定下盖3，使开口朝上；印刷电路板7的引线穿过下盖3的小孔，使印刷电路板固定在下盖3中；放置下磁铁9在电路板7上；平铺弹性膜片6于下盖3的台阶上；用压环5压紧弹性膜片6，可选用胶水固定；上磁铁8固定在膜支架4的凹槽内，配重质量体2固定在膜支架4上，并放置膜支架到弹性膜片6的中心位置，因上磁铁8和下磁铁9会互相吸引，起到连接弹性膜片6和膜支架4的作用；配重质量体2的引线穿过上盖1，使上盖1盖在配重质量体2上方并与下盖3相接。

一种选择是选用卡扣方式使上盖1与下盖3固定。当震动传感器随震动波振动时，图1中的配重质量体2带动弹性膜片6压缩密闭空腔中的空气，产生的压力变化被印刷电路板7上的MEMS传声器探测到并以电信号的形式输出。若选用胶水方式使上盖1和下盖3固定，则不需要上、下磁铁。

Claims (10)

1.一种震动传感器，其特征在于所述的震动传感器是一种震声耦合式震动传感器，将震动波转为声波，再由传声器将声波转变为电信号输出；所述的传感器主要由弹性膜片、配重质量体、薄壁管、传声器及其印刷电路板构成的；所述的传感器包括一个由弹性膜片、薄壁管、传声器及其印刷电路板构成的密闭空腔，密闭空腔上面连接弹性膜片，该弹性膜片中心位置上连接有配重质量体，配重质量体通过膜支架间接连接到弹性膜片上，以达到控制接触面积的目的，密闭空腔底面则由传声器及印刷电路板密封，传声器敏感面指向密闭空腔内部，密闭空腔配以外壳或构成外壳的一部分。

2.按权利要求1所述的传感器，其特征在于配重质量体与弹性膜片之间设有限位台阶，用于防止配重质量体的振动位移超过弹性膜片的弹性形变量。

3.按权利要求1所述的传感器，其特征在于：

①密闭空腔侧面的薄壁管的外形不一定是圆柱形或由外壳的一部分代替；

②密闭空腔留有小孔，用于平衡空腔内外的气压；

③配重质量体能捕获振动波，带动弹性膜片压缩密闭空腔内的空气，形成交变声压，声压可以被传声器探测到并转换为电信号输出。

④配重质量体外部配有外壳，用于限制配重质量体的振动位移以及保护震动传感器免受不必要的干扰。

4.按权利要求1所述的传感器，其特征在于印刷电路板上焊接有MEMS声传感器或驻极体麦克风。

5.按权利要求4所述的传感器，其特征在于选择MEMS声传感器则声孔朝向密闭空腔内，探测信号的最低频率低至50Hz；选择驻极体麦克风则探测信号的最低频率更低，探测到8Hz的震动波。

6.按权利要求1所述的传感器，其特征在于所述的传感器还包括属于外壳一部分的上盖和下盖以及上磁铁与下磁铁。

7.按权利要求6所述的传感器，其特征在于：

①所述的外壳由上盖和下盖相接构成；

②膜支架与弹性膜片由上磁铁和下磁铁通过相互吸引而固定；

③下盖上开有小孔，用于引出印刷电路板上焊接的传声器所需的导线；

④上盖上开有小孔，引出作为配重质量体的电池的电源线。

8.按权利要求4、6或7所述的震动传感器，其特征在于：

①传声器的型号为INMP504；

②上盖与下盖相接是选用胶水或卡扣方式；如采用胶水连接则就不需要上、下磁铁。

9.按权利要求1-7中任一项所述的传感器，其特征在于：

①上盖和下盖由铝合金构成；

②膜支架由PVC构成；

③配重质量体为圆柱形锂电池；

④弹性膜片为用于医用听诊器的玻璃纤维膜片。

10.装配如权利要求1所述的传感器的方法，其特征在于所述的震动传感器自底向上的装配过程为：先固定下盖，使开口朝上；印刷电路板的引线穿过下盖的小孔，使印刷电路板固定在下盖中；放置磁铁在电路板上；平铺膜片于下盖的台阶上；用压环压紧弹性膜片，可选用胶水固定；上磁铁固定在膜支架的凹槽内，配重质量体固定在膜支架上，并放置膜支架到弹性膜片的中心位置，因上磁铁和下磁铁会互相吸引，起到连接弹性膜片和膜支架的作用；配重质量体的引线穿过上盖，使上盖盖在配重质量体上方并与下盖相接。