CN107688102A - 电荷输出元件及环形剪切式压电加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种电荷输出元件及环形剪切式压电加速度传感器，包括底座，底座包括支撑部、连接部和安装孔；压电元件，套设在连接部外，压电元件与连接部之间形成环形间隙；质量块，套接在压电元件外；预紧件，插设于环形间隙；锁固件，具有相互连接的柱状部和止挡部，柱状部与安装孔配合锁固上述各个元件，柱状部与安装孔配合锁固上述各个元件，止挡部抵押第一端，以使预紧件提供径向的预紧力紧固压电元件、质量块和底座。在本发明中由于电荷输出元件之间均为刚性接触，可以大幅度提升整体结构的接触刚度，无需胶粘，有效缩短了电荷输出元件的安装周期。

Description

电荷输出元件及环形剪切式压电加速度传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种电荷输出元件及环形剪切式压电加速度传感器。

背景技术

压电传感器由不同材料的多种结构装配而成，其输出信号与系统所受振动加速度成正比，因此不同材料多种结构的装配令系统整体接触刚度不足，以致压电传感器的频率响应特性和谐振偏低，影响其输出信号的可靠性。

为了实现环形剪切压电加速度传感器中压电陶瓷、基座和质量块之间的安装，目前一般是使用环氧胶粘结合的方式，该方式虽然解决了压电陶瓷和基座之间的结合问题，但对连接层之间的环氧胶品质及操作要求很高，如环氧胶含杂质或操作产生气泡，则导致产品整体刚度不足，从而使传感器整体刚度降低，影响频响特性。另外胶粘工艺需长时间的烘烤时间，使得安装周期很长。

发明内容

本发明实施例提供一种电荷输出元件及环形剪切式压电加速度传感器，旨在提高系统刚度的同时能够有效缩短安装周期。

本发明实施例一方面提供了一种电荷输出元件，包括底座，包括支撑部及位于支撑部上的柱状连接部，连接部上设置有沿连接部轴向延伸形成的安装孔；压电元件，套设在连接部外，压电元件与连接部之间形成环形间隙；质量块，套接在压电元件外部且在支撑部上方悬空设置；预紧件，插设于环形间隙，预紧件于环形间隙内呈环形分布，预紧件包括相对的第一端和第二端端，第二端靠近支撑部，且预紧件的靠近第一端的厚度大于第二端的厚度；锁固件，包括相互连接的柱状部和止挡部，柱状部与安装孔配合锁固上述各个元件，止挡部抵押预紧件第一端，以使预紧件提供径向的预紧力紧固压电元件、质量块和底座。

根据本发明的一个方面，预紧件包括至少两个楔形块，至少两个楔形块沿连接部的周向于环形间隙内呈环形分布，每个楔形块的厚度沿第一端到第二端的方向线性减小。

根据本发明的一个方面，至少两个楔形块为将一楔形环体沿其轴向切割形成。

根据本发明的一个方面，每个楔形块包括由所述第一端至所述第二端方向延伸的、相对的内环面及外环面，所述至少两个楔形块的内环面均与所述连接部贴合设置，所述压电元件套接在所述至少两个楔形块的外环面上。

根据本发明的一个方面，压电元件与至少两个楔形块的外环面直接接触设置。

根据本发明的一个方面，至少两个楔形块的外环面与竖直设置。

根据本发明的一个方面，压电元件包括将一圆环体沿其轴向切割形成的至少两个圆环瓣体。

根据本发明的一个方面，连接部的外环面沿其轴向设置有支撑凸缘，支撑凸缘的高度高于支撑部所在平面，压电元件抵靠在支撑凸缘上。

根据本发明的一个方面，质量块为环形结构体，包括相对的内环面和外环面，质量块的内环面具有凹块，质量块通过凹块挂设在压电元件外。

根据本发明的另一个方面，提供一种环形剪切式压电加速度传感器，包括上述的电荷输出元件。

在本发明实施例中，锁固件的柱状部与安装孔配合锁固各元件的过程中，止挡部抵押预紧件的第一端下行，由于预紧件第一端到第二端的厚度不一致，导致预紧件在止挡部的压力下向支撑部靠近，预紧件在下行过程中会向外扩张，挤压压电元件，而质量块套设在压电元件外，阻止压电元件扩张，从而整个系统在锁固件的安装过程中相互挤压，令各部件之间紧密配合，提高系统的刚度，由于电荷输出元件的各零部件之间均为刚性接触，可以大幅度提升整体结构的接触刚度，无需胶粘，有效缩短了电荷输出元件的安装周期。

附图说明

通过阅读以下参照附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显,其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征。

图1是本发明实施例的一种电荷输出元件的结构示意图；

图2是沿图1中A-A方向的剖视图；

图3是本发明实施例的一种电荷输出元件的预紧件的结构示意图；

图4是本发明实施例的一种电荷输出元件的压电元件的结构示意图；

图5是本发明实施例的一种电荷输出元件的底座的结构示意图。

附图标记说明：100、电荷输出元件；110、底座；111、支撑部；112、连接部；113、安装孔；114、支撑凸缘；120、压电元件；130、质量块；131、凹块；140、预紧件；141、楔形块；142、第一端；143、第二端；150、锁固件；151、柱状部；152、止挡部；

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。本发明决不限于下面所提出的任何具体配置和算法，而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了元素、部件和算法的任何修改、替换和改进。在附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以便避免对本发明造成不必要的模糊。

图1和图2为本发明实施例提供的一种电荷输出元件，包括底座110，包括支撑部111及位于支撑部111上的柱状的连接部112，连接部112上设置有沿连接部112轴向延伸的安装孔113；压电元件120，套设在连接部112外，压电元件120与连接部112之间形成环形间隙；质量块130，套接在压电元件120外部且在支撑部111上方悬空设置；预紧件140，插设于环形间隙，预紧件140于环形间隙内呈环形分布，预紧件140包括相对的第一端142和第二端143，第二端143靠近支撑部111设置，且第一端142的厚度大于第二端143的厚度；锁固件150，包括相互连接的柱状部151和止挡部152，柱状部151与安装孔113配合锁固上述各个元件，柱状部151与安装孔113配合锁固过程中，止挡部152抵押第一端142，以使预紧件140提供径向的预紧力以使紧固压电元件120、质量块130和底座110。其中，预紧件140的厚度是指预紧件140面向连接部112的内侧壁至面向压电元件120的外侧壁的距离。

在本发明实施例中，锁固件150的柱状部151与安装孔113配合锁固各元件的过程中，止挡部152抵押第一端142下行，由于预紧件140第一端至第二端的厚度不一致，导致预紧件140在止挡部152的压力下向支撑部111靠近，且向外扩张，挤压压电元件120，而质量块130套设在压电元件120外，阻止压电元件120扩张，从而整个系统在锁固件150的安装过程中相互挤压，令各部件之间紧密配合，提高系统的刚度，由于电荷输出元件100的各零部件之间均为刚性接触，可以大幅度提升整体结构的接触刚度，无需胶粘，有效缩短了电荷输出元件100的安装周期。

请一并参阅图3，在一些可选的实施例中，预紧件140包括两个楔形块141，为了提高各楔形块141之间的相互配合度，两个楔形块141为将一楔形块环体的轴向切割而成，两个楔形块141沿连接部112的轴向于环形间隙内呈环形分布，每个楔形块141包括由第一端142至第二端143方向延伸的、相对的内环面和外环面，每个楔形块141的内环面均与连接部112贴合设置，压电元件120套接在楔形块141外部。压电元件120与楔形块141的外环面直接接触设置，即楔形块141的外环面与压电元件120贴合设置，这里所谓的贴合设置就是直接接触设置，进而使得至少两个楔形块141接收到向下压的受力时，沿着连接部112和压电元件120的表面向下滑，楔形块141和连接部112之间的配合更加紧密，令楔形块141和压电元件120之间的配合更加紧密，提高整个系统的刚度；楔形块141的外环面竖直设置，令楔形块141下压过程中挤压压电元件120时，压电元件120不易被挤压损毁；楔形块141的厚度沿第一端142至第二端143的方向线性减小，因此在楔形块141下行向外扩张的过程中，给予压电元件120以线性变化的挤压力，压电元件12不容易被楔形块141挤压损毁。

可以理解的是，楔形块140的数量在此不做限定，例如可以为两个、三个或更多；预紧件140的设置不仅限于上述实施方式，还可以选用其他设置方式，只要预紧件140在环形间隙内呈环状分布，且第一端142的厚度大于第二端143的厚度即可。其中楔形块141的厚度是指楔形块141内环面至外环面的距离；楔形块141的内环面和连接部112贴合设置是指：楔形块141的内环面与连接部112相接触的部分贴合设置；楔形块141的外环面和压电元件120贴合设置是指：楔形块141的外环面和压电元件120相接触的部分贴合设置，此处的贴合设置并不是严格意义上的完全贴合，而是大致贴合即可，即允许楔形块141的内环面和连接部120，或楔形块141外环面和压电元件120相接触的部分存在部分缝隙。

请一并参阅图4，在一些可选的实施例中，压电元件120包括将一圆环体沿其轴向切割形成的两个圆环瓣体，且两个圆环瓣体的内侧面和外侧面均竖直设置，因此当楔形块141下压向外扩张挤压压电元件120时，两个圆环瓣体在楔形块141的挤压下也会向外扩张，而套接在压电元件120外的质量块130阻止压电元件120扩张，从而整个系统在安装件的安装过程中相互挤压，令各部件之间紧密配合，进一步提高系统刚度。

可以理解的是，圆环瓣体的个数不仅限于两个，还可以设置为多个。在另一些可选的实施例中，压电元件120的材质不予限制，例如压电元件120可以由陶瓷或其他材料制成。

请一并参阅图5，底座110的支撑部111呈圆盘状，支撑部111具有相对的顶面和底面，连接部112由圆盘状111顶面中间部分向远离顶面的方向延伸形成，为了提高底座110的刚度，支撑部111和连接部112一体成型设置；安装孔113位于连接部112远离支撑部111的上端面，且向靠近支撑部111的方向延伸形成；为了与锁固件150更好地相互配合，安装孔113内侧壁竖直设置，安装孔113内设置有内螺纹；为了与预紧件140更好的配合，连接部112的壁部厚度渐变，且连接部112壁部远离支撑部111一端的厚度小于靠近支撑部111一端的厚度。其中，连接部112壁部的厚度是指连接部112外侧壁至安装孔113内侧壁的距离。可以理解的是，底座110的设置方式不限于此，例如支撑部111还可以为矩形盘等，只要连接部112呈柱状且设置于支撑部111上，安装孔113沿连接部112轴向延伸即可。

在另一些可选的实施例中，连接部112的外环面沿其轴向设置有支撑凸缘114，支撑凸缘114高于支撑部111所在平面，压电元件120抵靠在支撑凸缘114上。压电元件120端面的一部分位于支撑凸缘114上，另一部分悬空设置，令压电元件120能够受到质量块130给予的剪切力，从而产生电信号。其中，支撑部111所在平面是指支撑部111顶面所在平面，支撑凸缘114高于支撑部111顶面所在平面，但是低于连接部112远离支撑部111的上端面所在平面，令压电元件120靠近支撑部111的端面一部分位于支撑凸缘114上，另一部分悬空设置。

在一些可选的实施例中，质量块130为环形结构体，包括相对的内环面和外环面，质量块130的内环面具有凹块131，质量块130通过凹块131挂设在压电元件120外。在这些可选的实施例中，质量块130为环形结构体，能够有效阻止套接在质量块130内部的压电元件120和楔形块141向外扩张，质量块130通过凹块131挂设在压电元件120外，能够令质量块130给予压电元件120竖直方向上的压力，从而令压电元件120的反映更加灵敏。进一步的，质量块130为圆环体，凹块131为圆环形，且圆环形凹块131的直径大于质量块130内环面除凹块131外其他部分的直径，凹块131位于质量块130内部靠近支撑部111的位置，凹块131和压电元件120的外侧壁贴合设置。

在一些可选的实施例中，锁固件150为安装螺栓，止挡部152为安装螺栓上的螺母，安装孔113内具有与安装栓相适配的螺纹。可以理解的是，锁固件150还可为为其他结构，以实现其与安装孔113之间的紧固配合，在此不做限定。

本发明实施例还提供一种环形切式压电加速度传感器，包括上述任一实施例的电荷输出元件100，具有电荷输出元件100相同的优点，故不再加以赘述。

本发明可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。例如，特定实施例中所描述的算法可以被修改，而系统体系结构并不脱离本发明的基本精神。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本发明的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本发明的范围之中。

Claims (10)

1.一种电荷输出元件，其中，包括：

底座，包括支撑部及位于所述支撑部上的柱状连接部，所述连接部上设置有沿所述连接部轴向延伸形成的安装孔；

压电元件，套设在所述连接部外，所述压电元件与所述连接部之间形成环形间隙；

质量块，套接在所述压电元件外部且在所述支撑部上方悬空设置；

预紧件，插设于所述环形间隙，所述预紧件于所述环形间隙内呈环形分布，所述预紧件包括相对的第一端和第二端，所述第二端靠近所述支撑部，且所述第一端的厚度大于所述第二端的厚度；

锁固件，包括相互连接的柱状部和止挡部，所述柱状部与所述安装孔配合锁固上述各个元件，所述止挡部抵押所述第一端，以使所述预紧件提供径向的预紧力紧固所述压电元件、质量块和所述底座。

2.如权利要求1所述的电荷输出元件，其中，所述预紧件包括至少两个楔形块，所述至少两个楔形块沿所述连接部的周向于所述环形间隙内呈环形分布，每个楔形块的厚度沿所述第一端到所述第二端的方向线性减小。

3.如权利要求2所述的电荷输出元件，其中，所述至少两个楔形块为将一楔形环体沿该楔形环体的轴向切割形成。

4.如权利要求2所述的电荷输出元件，其中，每个楔形块包括由所述第一端至所述第二端方向延伸的、相对的内环面及外环面，所述至少两个楔形块的内环面均与所述连接部贴合设置，所述压电元件套接在所述至少两个楔形块的外环面上。

5.如权利要求4所述的电荷输出元件，其中，所述压电元件与所述至少两个楔形块的外环面直接接触设置。

6.如权利要求5所述的电荷输出元件，其中，所述至少两个楔形块的外环面竖直设置。

7.如权利要求1所述的电荷输出元件，其中，所述压电元件包括将一圆环体沿其轴向切割形成的至少两个圆环瓣体。

8.如权利要求1所述的电荷输出元件，其中，所述连接部的外环面沿其轴向设置有支撑凸缘，所述支撑凸缘高于所述支撑部所在平面，所述压电元件抵靠在所述支撑凸缘上。

9.如权利要求1所述的电荷输出元件，其中，所述质量块为环形结构体，包括相对的内环面和外环面，所述质量块的内环面具有凹块，所述质量块通过所述凹块挂设在所述压电元件外。

10.一种环形切剪式压电加速度传感器，其特征在于：包括权利要求1至9任意一项所述的电荷输出元件。