CN107990973A - 具有集成的温度测量的振动传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有集成的温度测量的振动传感器，该振动传感器具有能够振动的薄膜以及用于使所述薄膜振动并用于测量所述薄膜的振动的压电驱动器，驱动器具有机械地串联连接的至少两个压电元件，其中至少一个第一压电元件由第一压电材料形成且至少一个第二压电元件由第二压电材料形成，并且通过检测至少一个压电元件的电容来确定温度。
Description
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的具有集成的温度测量的压电操作型振动限位开关。
背景技术
作为振动限位开关使用的振动传感器在现有技术中是已知的，其中，振动传感器具有能够被驱动器激励以形成振动的薄膜，由此能够激励布置在薄膜上的机械振动器进行振动。根据机械振动器被填充材料覆盖的水平以及该填充材料的粘度，机械振动器以特定频率进行振动，该特定频率被振动传感器检测并能够被转换成测量信号。
图8示出了现有技术中已知的特别地可作为振动限位开关使用的压电驱动型振动传感器。振动传感器具有能够被驱动器3激励以进行振动的薄膜5，且驱动器3包括多个具有开口9的环形压电元件7和环形压电元件7的电触点。典型地，压电元件7通过(布置在振动传感器1的薄膜5上并延伸穿过压电元件7的开口9的)连接螺钉17被朝向薄膜5拉紧，使得由电信号产生的压电元件7的振动被可靠地传递到薄膜5上。通常，装配陶瓷13和拉紧盘14布置在压电元件7和薄膜5之间，由此确保了机械振动至薄膜5的针对性引入以及压电元件7与通常由金属形成的薄膜5的电隔离和热调节。类似于薄膜5和压电元件7之间的装配陶瓷13和拉紧盘14，同样可以在拉紧螺栓19与压电元件7之间设置另外的装配陶瓷13和拉紧盘14，使得拉紧螺栓19也与压电元件7电绝缘。
压电元件7可以经由套管10与连接螺钉17绝缘，其中，套管10布置在开口9中且在这里未被示出。
压电元件7的电触点由布置在压电元件7的表面上且经由电缆25进行外部接触的电极8来实现。
被作为桨设计的两个机械振动器11通常布置在薄膜5的背向驱动器3的一侧，机械振动器将耦合在薄膜5中的振动传递到机械振动器11周围的介质。
上述类型的振动传感器，特别是用于流体的振动限位开关根据共振频率偏移原理进行工作。根据介质的覆盖水平、密度和温度，振动限位开关以不同的共振频率和振幅进行振动。在这里，共振频率的大小取决于介质的粘度。频率偏移取决于介质的密度和温度。
为了能够补偿温度对共振频率的影响，必须获知压电驱动器和/或振动元件处的温度。
通过所使用的材料的材料常数，特别是通过薄膜和振动元件的材料常数来获知温度对共振频率的影响。如果温度是已知的，则能够补偿由温度影响导致的共振频率偏移。在现有技术中，使用了图8中的由22表示的PT100型温度传感器。
在现有技术中的已知的振动传感器的情况下，可以想到的缺点在于，温度检测需要具有额外的空间要求、额外的成本和额外的配线的作为额外部件的温度传感器。
发明内容
本发明的目的在于进一步改进具有集成的温度测量的振动传感器，使得不需要单独的传感器。
该目的通过具有权利要求1的特征的振动传感器来实现。
从属权利要求给出了有利的其它改进。
根据本发明的具有集成的温度检测功能的振动传感器具有能够振动的薄膜和用于使薄膜振动并用于检测薄膜的振动的压电驱动器，其中，驱动器具有机械地串联连接的至少两个压电元件，其特征在于，至少一个第一压电元件由第一压电材料形成，且至少一个第二压电元件由第二压电材料形成，且通过检测至少一个压电元件的电容来确定温度。
通过使用由不同压电材料形成的至少两个压电元件，能够使两个不同的压电元件在它们的诸如耦合因数和介电常数等特性的方面具有不同的温度依赖性。以此方式，通过合适的材料组合，能够提供具有既可以用于宽温度范围又可以实现集成的温度检测的驱动器的振动传感器。
需要对材料进行不同的选择，这是因为具有在宽温度范围内在很大程度上恒定的耦合因数或具有仅在小温度范围内波动的耦合因数的材料通常也在它们的介电特性(特别是相对介电常数)方面还具有低的温度依赖性。另一方面，在介电特性方面具有高的温度依赖性并因而良好地适用于确定温度的材料也在耦合因数方面具有高的温度依赖性，该耦合因数在接近相应材料的居里温度时显著下降，因而使得驱动器的效率显著下降。
为了确定关于所使用的压电元件的方向，如图7所示，引入了以类似于笛卡尔坐标系的X、Y和Z轴的方式布置的轴线1、2和3。同样，如图7所示，通过数字4、5和6表示围绕相应轴线的旋转方向。由此，轴线3沿相应的压电元件的极化方向布置。由于压电材料是各向异性的，所以通过张量来说明并根据上面的轴线编号来标记对应的物理量。
耦合因数k是压电效应的大小的量度。它描述了压电材料将所吸收的材料能量转换成机械能量(或相反)的能力。耦合因数是根据所存储的机械能量与总的吸收能量的比值的平方根来计算的。在动态条件下，耦合因数k取决于压电体的相应振动模式。对于本类型的振动传感器的压电驱动器来说特别重要的是纵向振动k33的耦合因数，即压电元件在轴线3的延伸方向(即极化方向)上以何种程度转化被施加在极化方向上的电压。
以相同的方式，介电常数ε或相对介电常数εr具有方向依赖性。εr描述压电材料的介电常数ε与介电常数ε0的比值，其中介电常数ε表示压电材料在电场中的极化率的量度。同样地，相对介电常数εr在电场方向和介电位移上的依赖性也由对应的标记表示。Ε33描述在也被施加在极化方向上的电场的情况下极化方向上的介电常数ε。
如果在本发明中提及没有明确的标记或方向指示的耦合因数，则该耦合因数是在33-方向上的耦合因数，即是在平行于压电元件的极化且垂直于振动传感器的薄膜的方向上的耦合因数。这也适用于相对介电常数，即在没有明确的标记或方向指示的情况下，相对介电常数是33-方向上的相对介电常数。
在根据不同的材料进行使用时，有利地，第一压电材料的第一相对介电常数和第二压电材料的第二介电常数具有不同的温度依赖性。特别有利的是，33-方向上的第一相对介电常数和33-方向上的第二相对介电常数具有不同的温度依赖性。
而且，对于材料组合来说有利的是，第一压电材料的在材料极化方向上的第一耦合因数和第二压电材料的在材料极化方向上的第二耦合因数具有不同的温度依赖性。通过合适的不同的温度依赖性，能够为驱动器选择材料组合，该材料组合在整体上具有能够满足振动传感器在宽温度范围内的操作的耦合因数，该温度范围例如为-50℃至+200℃，有利地高达+250℃或+300℃。
当压电材料接近其居里温度时，压电材料的耦合因数随着温度增加而显著地降低。这种效应从居里温度的约70％开始尤其强烈地出现。
有利地，第一耦合因数在-50℃至+200℃的温度范围内具有近似线性的温度依赖性，即相对于温度的变化。
特别地，第一耦合因数在该温度范围内的相对变化可小于+/-15％，优选地小于+/-10％，且更优选地等于或小于+/-5％。这种具有大致恒定的耦合因数的线性特性确保了压电驱动器能够可靠地用于整个温度范围。
例如，第一耦合因数在该温度范围内的值在10和20之间，优选地在15和20之间的范围内。
33-方向上的耦合因数被如下地定义：
这里，所使用的公式符号具有下面的含义：k33是33-方向上的耦合因数；W机械,3是33-方向上的机械功；W电学,3是33-方向上的电学能量；U3是33-方向上的电极电压；b是22-方向上的压电宽度；h是11-方向上的压电高度；l是33-方向上的压电长度；d33是33-方向上的压电常数；是33-方向上的弹性顺度常数；是33-方向上的相对介电常数。
为了通过整个驱动器的电容或单个压电元件的电容测量来确保最佳的温度检测，有利的是，第二相对介电常数在该温度范围内的相对变化大于+/-10％，优选地大于+/-15％，特别地在-10％至+30％的范围内，优选地在-10％至+50％的范围内。第二压电元件的第二介电常数的相应大的变化导致了由压电元件形成的平板电容器的电容的相应大的变化，从而能够足够精确地实现温度检测。
优选地，第二相对介电常数在该温度范围内的变化为至少30％，优选地为至少50％，特别优选地为至少80％，其中，这里所提到的是整个温度范围内的量的变化。
为了确保整个驱动器在整个温度范围内具有足够大的耦合因数，有利的是，驱动器具有至少两个由第一压电材料形成的压电元件。由此，机械地串联连接的压电元件的耦合因数相加成驱动器的总耦合因数。
有利的是，驱动器的在整个温度范围内的耦合因数为至少20，优选地为至少25，更优选地为至少35，这是因为在此情况下能够利用对驱动器的预拉紧来实现对薄膜的充分的机械激励。
有利地，第一压电元件的居里温度可为至少300℃，优选至少320℃。
于是，第二压电元件的居里温度例如为255℃，并因而在该温度范围内具有更大的温度依赖性。
通常，将基于锆钛酸铅(PZT)的压电材料用于根据本发明的振动传感器的压电驱动器。
附图说明
下面将根据实施例并参照附图来详细说明本发明。
图1示出了根据本发明的振动传感器的纵剖面图。
图2示出了图1的振动传感器的驱动器的电学等效回路图。
图3示出了图1的驱动器的压电元件的耦合因数随温度的相对变化。
图4示出了图1的驱动器的压电元件的耦合因数随温度的绝对变化。
图5示出了图1的驱动器的压电元件的电容随温度的相对变化。
图6示出了具有三个压电元件的驱动器的耦合因数随温度的变化。
图7示出了用于描述极化方向、耦合因数和相对介电常数的坐标系统(已说明)。
图8示出了根据现有技术的振动传感器(已说明)。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的振动传感器1的纵剖面图。为清楚起见，这里没有示出外壳和传感器电子器件。
所示的振动传感器1基本上包括驱动器3，驱动器3通过连接螺钉17和拉紧螺栓19被螺接到薄膜5。例如以桨的形式布置在薄膜5上且彼此平行地布置的机械振动器11设置在薄膜5的与驱动器3相对的一侧。
在本实施例中，层叠的两个压电元件7(在下文中将它们称为第一压电元件71和第二压电元件72)被指定为驱动器3的中心部件。压电元件7被设计成圆环形式，并因而在周向上包围连接螺钉17。为了使压电元件7定中心地布置并使它们与金属连接螺钉17电绝缘，在连接螺钉17和压电元件71之间布置有绝缘套管10。压电元件7经由电极8进行电接触，由此经由在朝后的方向上延伸的电缆25来传导电压。每个电极8接触压电元件7的表面金属化部分，这在附图中没有更详细地示出。
在本发明中，在朝向薄膜5的方向上的取向被理解为前侧，且在背离薄膜5的方向上的取向被理解为后侧。
在压电元件7的前侧和后侧分别布置有用于电绝缘的装配陶瓷13。在装配陶瓷13的相应的前侧和后侧还布置有拉紧盘14，由此使得驱动器3在前侧位于薄膜5上并在后侧通过连接螺钉17和拉紧螺栓19进行螺接，且由此在薄膜5的方向上被预拉紧。
在图1所示的示例中，第一压电元件71和第二压电元件72彼此上下层叠，并因而机械地串联连接。这意味着，形成在连接螺钉17的纵向轴线的方向上的第一压电元件71和第二压电元件72的纵向变化在驱动器3内相加，并因而能够实现增加的行程。
如图1所示，在机械串联回路的情况下，层叠的压电元件7的耦合因数相加成驱动器3的总耦合因数。
振动传感器还可具有用于与其它单元通信(特别用于传感器的数据通信和参数设定)的通信单元。通过通信单元，来自传感器的数据(特别是温度值和电容值)能被供应到能够处理这些数据的其它单元，且通过通信单元能够从远程模块对传感器进行参数设定。通信单元有利地是无线的，特别地被配置成无线电模块。由此，提供了便捷且节省空间的通信方式。
图2示出了图1的压电元件7的电学等效回路图。从该等效回路图可见，第一压电元件71和第二压电元件72并联地电连接。
从图2可见，第一压电元件71形成第一电容C1，且第二压电元件72形成第二电容C2。电容C1、C2通过电学并联回路相加。通过该电学并联回路，电容C1、C2相加成驱动器3的总电容Cges。
从该等效回路图可见，压电元件7被视为平板电容器内的电介质，从而各个压电元件的压电材料的相对介电常数εr的变化导致相关的平板电容器的电容的变化。为此，通过如下所述地确定驱动器3的总电容Cges能够足够精确地确定压电元件的温度。
图3示出了第一压电元件71的第一耦合因数k1和第二压电元件72的第二耦合因数k2的相对变化。分别示出的是这些压电元件的在33-方向上的耦合因数k的变化，其中，这些压电元件的极化布置在连接螺钉17的纵向轴线L的方向上，并因而垂直于薄膜5。
图3示出了第一压电元件71的第一耦合因数k1的相对变化的特征曲线31和第二压电元件72的第二耦合因数k2的相对变化的特征曲线32，并被相对于温度绘制。
从图3可见，第一耦合因数k1在-50℃至+200℃的温度范围内的相对变化为大约+/-5％，其中，第一耦合因数k1还具有非常线性的变化特性。从特征曲线32可见，第二耦合因数k2具有非线性变化特性，特性曲线32从-50℃处的-20％的相对变化向后大体上线性地增加直到零点，并接着在约60℃处以+10％的相对变化到达其最大值，并随着温度增加急剧地减小。第二耦合因数k2的相对变化的特征曲线32在约125℃处再次与X轴相交，并接着大体上线性地降低至+200℃处的-80％的值。从该特征曲线可见，第二压电元件72的第二耦合因数k2随着温度增加而急剧地减小。
图4示出了第一耦合因数k1的温度依赖性(特征曲线41)、第二耦合因数k2的温度依赖性(特征曲线42)以及第一耦合因数k1和第二耦合因数k2的总和的温度依赖性(特征曲线43)。
如图4所示，第一耦合因数k1在-50℃至+200℃的温度范围内的值从+17大体上线性地变化成+15。
第二压电元件72的第二耦合因数k2在上述温度范围内表现出更大的温度依赖性，该耦合因数从温度-50℃处的+20大体上线性地增加至温度0℃处的+25，在温度约60℃处达到最大值+27.5，并接着在直到温度200℃处下降至约+5。
特征曲线43表示总耦合因数kges的温度依赖性。由此，总耦合因数kges通过第一压电元件71的第一耦合因数k1和第二压电元件72的第二耦合因数k2的相加产生，并对应于图4所示的特征曲线41、42的总和。
图5示出了第一电容C1的相对变化与温度的关系(特征曲线51)、第二电容C2的相对变化与温度的关系(特征曲线52)以及总电容Cges的相对变化与温度的关系(特征曲线53)。相同的特征曲线也示出了各个相对介电常数εr的相对变化。由于假定用于使压电元件71、72接触的电极的面积A以及电极的距离d大体上保持相同，所以这些值根据用于计算平板电容器的电容的公式而被消除，使得仅保留相对介电常数的相对变化。用于计算平板电容器的电容的公式为：C＝ε0×εr×A/d。这里，ε0为介电常数，εr为材料的相对介电常数，A为电极的面积，且d为电极的距离。
因而，图5示出了由第一压电元件71形成的平板电容器的第一电容C1在-50℃至+200℃的温度范围内大体上线性地在+/-5％的范围内变化，其中该电容从-50℃处的-5％开始上升至200℃处的+5％。
由第二压电元件72形成的平板电容器的第二电容C2在相同温度范围内从-10％变化到+55％，其中在-50℃至+125℃的温度范围内从-10％大体上线性地增加到+25％，并接着以正斜率增加至+55％。特征曲线53示出了驱动器3的总电容Cges的相对温度依赖性。特征曲线53由此是特征曲线51、52的总和，从而总电容Cges从-15％增加到200℃处的+60％。电容的这种变化能够轻易地通过常规方法来确定，从而特别地能够清楚地将电容的任何变化归因于温度，因而能够基于电容测量来确定温度。
针对具有由第一压电材料形成的两个压电元件和由第二压电材料形成的一个压电元件的驱动器，图6示出了已参照图4说明的单独压电元件的耦合因数k的温度依赖性以及总耦合因数的温度依赖性。通过提供由第一压电材料形成的两个压电元件，能够更向上地提高总耦合因数，从而在整个温度范围内实现了大于35的总耦合因数。
在了解了本发明的情况下，本领域技术人员能够容易地获得合适的材料组合以用于实现整个温度范围内的充分耦合因数，并同时地获得足够高的温度依赖性以用于实现驱动器的总电容，使得能够在不需要额外的传感器的情况下基于电容测量来确定温度。
附图标记列表
1 振动传感器 3 驱动器
5 薄膜 7 压电元件
8 电极 9 开口
10 套管 11 机械振动器
13 装配陶瓷 14 拉紧盘
17 连接螺钉 19 连接螺栓
22 温度传感器 25 电缆
31 相对变化k1 32 相对变化k2
41 变化k1 42 变化k2
43 变化kges 71 第一压电元件
72 第二压电元件 ε0 介电常数
εr1 第一相对介电常数 εr2 第一相对介电常数
k1 第一耦合因数 k2 第二耦合因数
kges 总耦合因数 C1 第一电容
C2 第二电容 Cges 总电容
L 纵向轴线
Claims (14)
1.一种具有集成的温度测量的振动传感器(1)，其具有：
能够振动的薄膜(5)；
压电驱动器(3)，所述压电驱动器用于使所述薄膜(3)振动并用于测量所述薄膜(3)的振动，其中，所述压电驱动器具有机械地串联连接的至少两个压电元件(71、72)，
其特征在于，至少一个第一压电元件(71)由第一压电材料形成，且至少一个第二压电元件(72)由第二压电材料形成，并且通过检测至少一个压电元件的电容来确定温度。
2.根据权利要求1所述的振动传感器(1)，其特征在于，所述第一压电材料的第一相对介电常数(εr1)和所述第二压电材料的第二相对介电常数(εr1)具有不同的温度依赖性。
3.根据权利要求1或2所述的振动传感器(1)，其特征在于，所述第一压电材料的在材料极化方向上的第一耦合因数(k1)和所述第二压电材料的在材料极化方向上的第二耦合因数(k2)具有不同的温度依赖性。
4.根据前述权利要求中任一项所述的振动传感器(1)，其特征在于，所述第一耦合因数(k1)在-50℃至+200℃的温度范围内具有近似线性的变化。
5.根据权利要求3所述的振动传感器(1)，其特征在于，所述第一耦合因数(k1)在所述温度范围内的相对变化小于+/-15％，优选地小于+/-10％，且更优选地等于或小于+/-5％。
6.根据权利要求4所述的振动传感器(1)，其特征在于，所述第一耦合因数(k1)在所述温度范围内的值在10和20之间的范围内，优选地在15和20之间的范围内。
7.根据权利要求4或5所述的振动传感器(1)，其特征在于，所述第二相对介电常数(εr2)在所述温度范围内的相对变化大于+/-10％，优选地大于+/-15％，特别地为至少-10％至+30％，优选地为至少+50％。
8.根据前述权利要求中任一项所述的振动传感器(1)，其特征在于，所述第二相对介电常数在所述温度范围内的变化为至少30％，优选地为至少50％，特别地为至少80％。
9.根据前述权利要求中任一项所述的振动传感器(1)，其特征在于，所述驱动器(3)具有至少两个由所述第一压电材料形成的压电元件(71、72)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的振动传感器(1)，其特征在于，所述驱动器(3)的耦合因数(k1)为至少20，优选地为至少35。
11.根据前述权利要求中任一项所述的振动传感器(1)，其特征在于，薄膜侧的压电元件(72)由所述第二压电材料形成。
12.根据前述权利要求中任一项所述的振动传感器(1)，其特征在于，所述第一压电元件(71)的居里温度为至少300℃，优选地为至少320℃。
13.根据前述权利要求中任一项所述的振动传感器(1)，其特征在于，所述第二压电元件(72)的居里温度为255℃。
14.根据前述权利要求中任一项所述的振动传感器(1)，其特征在于，所述振动传感器(1)具有用于与另外的单元的数据通信并用于所述振动传感器(1)的参数设定的无线电模块。
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