CN108267615A - 一种高冲击压电加速度计 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高冲击压电加速度计，包括敏感组件、壳体、插座和绝缘螺栓；壳体采用空心圆柱体结构，壳体一端设有用于测量待测物振动冲击的敏感组件，敏感组件通过绝缘螺栓与待测物螺接，壳体另一端设有用于连接信号采集设备的插座。本发明通过敏感组件、壳体、插座和绝缘螺栓的配合，能够测量量程高达20000g工作频率高达10000Hz的振动冲击信号，弥补了传统压电加速度计重量过大、工频较窄和测量范围较小的缺陷。

Description

一种高冲击压电加速度计
技术领域
本发明涉及一种高冲击压电加速度计，属于航天传感器技术领域。
背景技术
振动和冲击的测量问题是在各种生产活动和生活中经常大量遇到的问题，凡是机器、建筑物、桥梁、船舶、汽车、飞机、导弹等都经常在内在或外在的激励下产生冲击和振动。导弹和火箭在飞行过程中产生振动和冲击更是不可避免的。
火箭和导弹在飞行过程中的振源主要有发动机点火、运行、关机、级间分离以及空气动力的激励引起的振动。强烈而持续的振动可能导致火箭结构的疲劳和破坏，同时有可能引起某些仪器的损坏和失效，因而造成飞行试验的失败。为了确定弹上振动和冲击环境，以便提供导弹和火箭的结构设计的依据和仪器设备试验的条件，必须对弹上的振动和冲击环境进行测量，测量结果也是万一火箭发射失利进行故障分析的重要依据。
目前压电加速度计在航空航天领域应用比较广泛，存在的主要问题是产品重量比较大，一般为几十克；工作频率范围较窄，一般为2～3kHz最高可达5kHz；测量范围较低，一般几千g最高5000g。
随着火箭和导弹运载能力的提高，在航天领域高达万g的冲击信号测量需求逐渐增多，原有产品一般量程5000g频率范围5kHz的状态已经无法满足大运载型号振动冲击测量的要求。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种高冲击压电加速度计，通过敏感组件、壳体、插座和绝缘螺栓的配合，能够测量量程高达20000g工作频率高达10000Hz的振动冲击信号，弥补了传统压电加速度计重量过大、工频较窄和测量范围较小的缺陷。
本发明的技术解决方案是：
一种高冲击压电加速度计，包括敏感组件、壳体、插座和绝缘螺栓；壳体采用空心圆柱体结构，壳体一端设有用于测量待测物振动冲击的敏感组件，敏感组件通过绝缘螺栓与待测物螺接，壳体另一端设有用于连接信号采集设备的插座。
在上述的一种高冲击压电加速度计中，所述敏感组件包括基座、压电片、绝缘套管、惯性质量块、预紧环和引线片；基座为同心台阶轴，基座大直径端端面设有用于连接绝缘螺栓的螺孔，基座小直径端侧面攻有螺纹；压电片、引线片和惯性质量块依次套装在基座小直径端，并通过预紧环锁紧；惯性质量块与基座之间设有绝缘套管；引线片通过导线与插座连接。
在上述的一种高冲击压电加速度计中，所述基座和预紧环均采用TC4材料。
在上述的一种高冲击压电加速度计中，所述压电片的数量不少于两片，若干个压电片之间电气并联。
在上述的一种高冲击压电加速度计中，所述绝缘套管采用热缩套管。
在上述的一种高冲击压电加速度计中，所述惯性质量块为空心圆柱，惯性质量块采用钨合金材料且密度大于17.4g/cm3。
在上述的一种高冲击压电加速度计中，所述引线片为空心圆板，引线片采用紫铜T材料。
在上述的一种高冲击压电加速度计中，所述壳体与敏感组件螺接或焊接，壳体采用TC4材料。
在上述的一种高冲击压电加速度计中，所述插座与壳体过盈配合或焊接。
在上述的一种高冲击压电加速度计中，所述绝缘螺栓包括第一螺栓、绝缘环和第二螺栓；第一螺栓、绝缘环和第二螺栓依次同轴粘接，第一螺栓与敏感组件螺接，第二螺栓与待测物螺接。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
【1】本发明通过合理选用基座、壳体、惯性质量块和绝缘套管的材料，科学的结构设计使产品体积小重量轻(产品重量仅为7克)；并且将原有产品振动冲击测量量程范围大大提高，从原来的5000g提高到20000g。
【2】本发明将原有产品振动冲击测量频率范围大大拓宽，从原来的5kHz拓展到10kHz；而且通过选择性能优良的压电敏感元件使产品在-40℃～+100℃环境温度区间的灵敏度温度误差在±5％以内，原有产品一般在±15％左右。
【3】本发明整体结构紧凑，适用于多种工作环境，使用寿命相对较长，在复杂工况下依然能够良好运转，具有适用范围广的特点，具备良好的市场应用前景。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的剖视图
图2为敏感组件剖视图
图3为预紧环的俯视图
图4为壳体的剖视图
图5为绝缘螺栓剖视图
其中：1敏感组件；2壳体；3插座；4绝缘螺栓；11基座；12压电片；13绝缘套管；14惯性质量块；15预紧环；16引线片；41第一螺栓；42绝缘环；43第二螺栓；44绑扎线；
具体实施方式
为使本发明的方案更加明了，下面结合附图说明和具体实施例对本发明作进一步描述：
如图1所示，一种高冲击压电加速度计，包括敏感组件1、壳体2、插座3和绝缘螺栓4；壳体2采用空心圆柱体结构，壳体2一端设有用于测量待测物振动冲击的敏感组件1，敏感组件1通过绝缘螺栓4与待测物螺接，壳体2另一端设有用于连接信号采集设备的插座3。
如图2所示，优选的，敏感组件1包括基座11、压电片12、绝缘套管13、惯性质量块14、预紧环15和引线片16；基座11为同心台阶轴，基座11大直径端端面设有用于连接绝缘螺栓4的螺孔，基座11小直径端侧面攻有螺纹；压电片12、引线片16和惯性质量块14依次套装在基座11小直径端，并通过预紧环15锁紧；惯性质量块14与基座11之间设有绝缘套管13；引线片16通过导线与插座3连接。
优选的，压电片12、引线片16和惯性质量块14与基座11的同轴度小于0.05。
优选的，基座11和预紧环15均采用TC4材料。
优选的，压电片12的数量不少于两片，若干个压电片12之间电气并联。
优选的，绝缘套管13采用热缩套管，确保产品结构紧凑。
优选的，惯性质量块14为空心圆柱，惯性质量块14采用钨合金材料且密度大于17.4g/cm3，用于提高产品电荷灵敏度。
如图3所示，优选的，预紧环15与基座11螺接，利用专用力矩扳手对预紧环15施加预紧力；为了确保在尺寸比较小的预紧环15上施加力矩，将预紧环15工艺安装孔设计成半圆柱结构。
优选的，引线片16为空心圆板，引线片16采用紫铜T2材料。
如图4所示，优选的，壳体2与敏感组件1螺接或焊接，壳体2采用TC4材料，壳体2端面设有用于安装插座3的台阶孔，既满足强度要求又减轻了产品质量。
优选的，插座3与壳体2过盈配合或焊接，并在接触面上涂覆环氧结构胶。
如图5所示，优选的，绝缘螺栓4包括第一螺栓41、绝缘环42和第二螺栓43；第一螺栓41、绝缘环42和第二螺栓43依次同轴粘接，第一螺栓41与敏感组件1螺接，第二螺栓43与待测物螺接。
优选的，第一螺栓41与第二螺栓43同轴嵌套，并采用绑扎线44进行隔离绝缘，绑扎线44从第一螺栓41小孔中穿过并绕在扁圆柱上，由绝缘环42的槽口引出。
优选的，全部零件需粘胶的表面用砂纸打毛并用汽油和丙酮清洗干净，晾干后再装配，胶好后用夹具定位并夹紧，按条件加温固化。固化后进行拉力试验，应大于1000牛顿。用100伏兆欧表测量第一螺栓41和第二螺栓43之间绝缘电阻应大于100MΩ。
优选的，壳体2内部电气连接均采用点焊方式；引线焊接到插座3后用环氧胶涂覆焊点与插座3尾部，避免插座3插芯转动导致产品短路。
压电加速度计利用压电原理和牛顿第二定律实现机械加速度的测量。
电荷灵敏度设计：
由压电效应知，当压电元件受到惯性力(F＝ma)的作用时而产生与之成比例的电荷q，q＝d33F＝d33ma
式中：
q-----电荷量，单位C
d33----压电常数，单位C/N
F-----惯性力，单位N
m-----惯性质量，单位kg
a-----加速度，单位m/s2
则加速度计的电荷灵敏度S为：
在工程中对于有n片压电片12并联的压电加速度计其电荷灵敏度为S＝9.8nmd33
由上式可以看出，电荷灵敏度值与敏感元件的压电常数d33、惯性质量m和压电片12并联片数n成正比。
由于在大冲击作用下压电敏感元件为压电加速度计的薄弱环节，一旦压电元件在大冲击作用下破裂，产品的主要性能指标如电荷灵敏度、频率响应、安装谐振频率和最大横向灵敏度比等均可能发生改变从而导致产品失效。所以需要对高冲击下压电敏感元件的机械强度和电气性能进行核算。
压电元件的机械强度核算：
当产品承受a(如a＝10000g时)冲击加速度时，压电元件所受惯性力为F＝ma，此时压电元件所受的应力为б＝F/S
而
式中：
[б]——压电元件许用应力
бb——压电元件抗压强度
n——安全系数，一般取n＝3
当б＜＜[б]，说明压电元件不会因承受该加速度而压碎，具有足够的机械强度。
压电元件的电气性能核算：
假设压电片(6)的去极化强度为：
则此时压电片(6)的许用应力为
当[б]>>б，说明压电片(6)承受该加速度时，压电片(6)的电气性能不会改变。
经测试，按上述实施方式制作的高冲击压电加速度计可以测量量程高达20000g工作频率高达10000Hz的机械振动与冲击信号。满足火箭和导弹在飞行过程中的发动机点火、运行、关机、级间分离以及空气动力的激励引起的机械振动与冲击要求。
本发明的工作原理是：
绝缘螺栓4分别与基座11和待测物体螺接，当有振动冲击信号输入时，惯性质量块14与基座11发生相对运动并产生惯性力，惯性力作用在压电片12上，压电片12受力后因压电效应产生电荷信号，电荷信号通过引线片16传递到插座上，进而传递至外界信号采集设备中，实现振动冲击测量。
本发明说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (10)

1.一种高冲击压电加速度计，其特征在于：包括敏感组件(1)、壳体(2)、插座(3)和绝缘螺栓(4)；壳体(2)采用空心圆柱体结构，壳体(2)一端设有用于测量待测物振动冲击的敏感组件(1)，敏感组件(1)通过绝缘螺栓(4)与待测物螺接，壳体(2)另一端设有用于连接信号采集设备的插座(3)。
2.根据权利要求1所述的一种高冲击压电加速度计，其特征在于：所述敏感组件(1)包括基座(11)、压电片(12)、绝缘套管(13)、惯性质量块(14)、预紧环(15)和引线片(16)；基座(11)为同心台阶轴，基座(11)大直径端端面设有用于连接绝缘螺栓(4)的螺孔，基座(11)小直径端侧面攻有螺纹；压电片(12)、引线片(16)和惯性质量块(14)依次套装在基座(11)小直径端，并通过预紧环(15)锁紧；惯性质量块(14)与基座(11)之间设有绝缘套管(13)；引线片(16)通过导线与插座(3)连接。
3.根据权利要求2所述的一种高冲击压电加速度计，其特征在于：所述基座(11)和预紧环(15)均采用TC4材料。
4.根据权利要求2所述的一种高冲击压电加速度计，其特征在于：所述压电片(12)的数量不少于两片，若干个压电片(12)之间电气并联。
5.根据权利要求2所述的一种高冲击压电加速度计，其特征在于：所述绝缘套管(13)采用热缩套管。
6.根据权利要求2所述的一种高冲击压电加速度计，其特征在于：所述惯性质量块(14)为空心圆柱，惯性质量块(14)采用钨合金材料且密度大于17.4g/cm3。
7.根据权利要求2所述的一种高冲击压电加速度计，其特征在于：所述引线片(16)为空心圆板，引线片(16)采用紫铜T2材料。
8.根据权利要求1所述的一种高冲击压电加速度计，其特征在于：所述壳体(2)与敏感组件(1)螺接或焊接，壳体(2)采用TC4材料。
9.根据权利要求1所述的一种高冲击压电加速度计，其特征在于：所述插座(3)与壳体(2)过盈配合或焊接。
10.根据权利要求1所述的一种高冲击压电加速度计，其特征在于：所述绝缘螺栓(4)包括第一螺栓(41)、绝缘环(42)和第二螺栓(43)；第一螺栓(41)、绝缘环(42)和第二螺栓(43)依次同轴粘接，第一螺栓(41)与敏感组件(1)螺接，第二螺栓(43)与待测物螺接。
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