CN108291926A - 加速度测量仪和制造这种加速度测量仪的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种加速度测量仪(1)，其具有压电系统(2)、振动质量(3)和基板(4)；在加速度的情况下，振动质量(3)将与它的加速度成比例的力施加到压电系统(2)上，所述力在所述压电系统(2)中产生压电电荷，并且所述压电电荷能够作为加速度信号被电量取，其中，压电系统(2)具有两个系统元件(20、20')；其中,振动质量(3)具有两个质量元件(30、30')；并且其中，预紧组件(4)使得系统元件(20、20')相对质量元件(30、30')被机械预紧。

Description

加速度测量仪和制造这种加速度测量仪的方法

技术领域

本发明涉及一种根据独立权利要求前序部分的加速度测量仪以及一种用于制造这种加速度测量仪的方法。

背景技术

专利文献CH399021A描述了一种加速度测量仪，其具有压电系统、振动质量、预紧套筒和基板。压电系统借助于预紧套筒在振动质量和基板之间被机械预紧。在加速期间，振动质量在压电系统上施加与其加速度成比例的力。通过这样的机械预紧，不仅能够检测正加速度，还能够检测负加速度。所述的力又在压电系统中产生压电电荷，这些压电电荷可以作为加速度信号被电性地导出。该加速度信号与力的大小成比例。被电性地导出的加速度信号在分析单元中被电放大并分析。

申请人在市场上销售的这种用于测量冲击和振动的加速度测量仪的型号为8002K。加速度测量仪被布置在由不锈钢制成的机械稳定的壳体中。根据数据表8002_00_205d_07.05，其重量为20克，可以通过安装螺栓附接在任何测量对象上。测量范围为±1000g，谐振频率为40kHz，工作温度为-70℃至+120℃。

发明内容

本发明的首要目的在于改进这种已知的加速度测量仪。本发明的另一目的在于应提供一种用于制造这种加速度测量仪的成本低廉的方法。

本发明的首要目的通过独立权利要求的特征来实现。

本发明涉及一种加速度测量仪，其具有压电系统、振动质量和预紧组件；在加速期间，振动质量在压电系统上施加与其加速度成比例的力，该力在压电系统中产生压电电荷，并且压电电荷可以作为加速度信号被电性地导出，其中，压电系统具有两个系统元件；其中,振动质量具有两个质量元件；并且其中，预紧组件使得系统元件机械预紧地抵靠质量元件。

振动质量由两个质量元件组成的优点在于：压电系统可以仅在质量元件之间被机械预紧，以及不需要诸如基板之类的其他部件来实现机械预紧。预紧组件使得具有两个系统元件的压电系统被机械预紧地抵靠质量元件。由此获得的压电接收器组在被安装到加速度测量仪的壳体中之前是可电测试和机械测试，并且是可存储的。因此该加速度测量仪的生产成本很低。

附图说明

下面参照附图示例性地详细说明本发明的一种实施方式。其中：

图1示出了穿过加速度测量仪一部分的截面图；

图2示出了如图1所示的加速度测量仪在没有预紧组件、壳体和盖部情况下的局部立体图；

图3示出了在通过预紧组件进行机械预紧之前穿过根据图1或图2的加速度测量仪的压电接收器组的截面图；

图4示出了在通过预紧组件进行机械预紧之后穿过根据图3的压电接收器组的截面图；

图5以示意图示出了根据图1或图2的加速度测量仪的压电系统与振动质量的电连接；

图6以立体图示出了根据图1或土2的加速度测量仪的压电系统的电极；

图7示出了穿过根据图1或图2的加速度测量仪的一部分的截面图，其具有电触点和信号电缆；

图8示出了根据图7的加速度测量仪在安装保护套筒之前的立体图；和

图9示出了根据图8的加速度测量仪在装配保护套筒之后的立体图。

具体实施方式

图1示出了穿过根据一种实施方式的加速度测量仪1的一部分的截面图。该截面沿着竖直轴线AA'和纵向轴线BB'展开。加速度测量仪1的水平轴线CC'在该加速度测量仪的如图2所示的立体图中示出。三个轴线彼此垂直并在加速度测量仪1的中心点O处相交。

加速度测量仪1包括壳体5和由诸如纯金属、镍合金、钴合金、铁合金等机械耐性材料制成的盖6。关于竖直轴线AA'，壳体5的横截面是中空圆柱形的，而盖6的横截面是圆形的。根据本发明的认知，本领域技术人员也可以提供具有其他横截面形状(例如多边形等)的壳体和盖。壳体5和盖6彼此机械地连接。该机械连接是通过诸如熔焊、扩散焊接、热压接、钎焊等材料配合的形式实现的。壳体5和盖6保护加速度测量仪1免受例如杂质(灰尘、湿气等)的有害环境影响，并防止电磁辐射形式的电和电磁干扰。

加速度测量仪1具有振动质量3。振动质量3是球形的并围绕中心点O布置，并且具有多个、优选两个测量元件30、30'和一个电绝缘件31。测量元件30、30'由例如纯金属、镍合金、钴合金、铁合金等机械耐性材料制成。电绝缘件31由例如陶瓷、Al₂O₃-陶瓷、蓝宝石等电绝缘的和机械刚性的材料制成。关于竖直轴线AA'，测量元件30、30'的横截面是圆柱形的，而电绝缘件31的横截面是矩形的。根据本发明的认知，本领域技术人员也可以设置具有其他横截面形状(例如多边形、圆形等)的测量元件和电绝缘件。测量元件30、30'优选是相同的部件。关于竖直轴线AA'，电绝缘件31布置在测量元件30、30'之间并使这些测量元件30、30'彼此电绝缘。测量元件30、30'和电绝缘件31发生直接机械接触。电绝缘件31的绝缘电阻大于/等于10¹⁰Ω。测量元件30、30'由于其空间膨胀而能够容易地实现电连接和机械连接。测量元件30、30'在它们的纵轴向端部上具有凹部32、32'。凹部32、32'关于纵向轴线BB'的横截面是矩形的。在这里，本领域技术人员也可以根据本发明的认知提供其他的横截面形状，例如圆形等。

加速度测量仪1具有压电系统2。压电系统2具有多个、优选两个系统元件20、20'。系统元件20、20'被相同地构造。系统元件20、20'的结构在根据图5的示意图中示出。每个系统元件20、20'具有多个电绝缘元件21、21'，多个电极22、22'和多个压电元件23、23'、23”。每个系统元件20、20'优选具有两个电绝缘元件21、21'。电绝缘元件21、21'关于纵向轴线BB'的横截面是矩形的，并且由例如陶瓷、Al₂O₃-陶瓷、蓝宝石等电绝缘的且机械刚性的材料制成。电绝缘元件21、21'的绝缘电阻大于/等于10¹⁰Ω。电极22、22'关于纵向轴线BB'的横截面也是矩形的，并且由例如纯金属、镍合金、钴合金、铁合金等导电材料制成。图6示出了电极22、22'的立体图。每个系统元件20、20'优选具有两个电极22、22'。每个电极22、22'是一体的并且具有多个、优选三个电极面，这些电极面通过多个、优选两个关节彼此机械地连接。电极22、22'通过电极面积聚多个、优选三个压电元件23、23'、23”的压电电荷。压电元件23、23'、23”关于纵向轴线BB'的横截面是矩形的，并且由例如石英(SiO₂单晶体)、钙镓锗酸盐(Ca₃Ga₂Ge₄O₁₄或CGG)、硅酸镓镧(La₃Ga₅SiO₁₄或LGS)、电气石、磷酸镓、压电陶瓷等压电材料制成。压电元件23、23'、23”被结晶学地定向切割为，使其对于待接收的力具有高灵敏度。优选地，压电材料关于纵向或横向剪切力效应具有高灵敏度。在此，压电元件23、23'、23”被定向为，在垂直于或平行于剪切力轴线的表面上产生负压电电荷和正压电电荷。负压电电荷和正压电电荷在图5中表示为+和-。压电电荷作为加速度信号可以被电量取。本领域技术人员根据本发明的认知可以为电绝缘元件、电极和压电元件提供其他的横截面形状，例如圆形等。

在如图5所示的压电系统2的示意图中，在两个电绝缘元件21、21'之间设有三个压电元件23、23'、23”。第一电绝缘元件21背向中心点O，而第二电绝缘元件21'面向中心点O。这五个元件在图1至图4中被示出为堆叠的并被设置在凹部32、32'中。凹部32、32'的尺寸被确定为，它们基本上完全接收了系统元件20、20'。形容词“基本上”包含了±10％的误差。因此，压电系统2和振动质量3是节省空间的，即，在最大程度利用空间的情况下，压电系统2被设置在振动质量3的球表面的内部。

两个电极22、22'利用其三个电极面设置在压电元件23、23'、23”的表面上。电极22、22'优选是相同的部件。正电极22从压电元件23、23'、23”的表面接收正压电电荷，负电极22'从压电元件23、23'、23”的表面接收负压电电荷。各个电极22、22'的一端部24、24'粉笔与质量元件30、30'电连接和机械连接。正电极22通过其端部24与关于中心点O和竖直轴线AA'位于上部的第一质量元件30电连接和机械连接。负电极22'通过其端部24'与关于中心点O和竖直轴线AA'位于下部的第二质量元件30'电连接和机械连接。这样的电和机械连接通过在质量元件30、30'的表面上的诸如挤压、静摩擦之类的力配合来实现。由此，电极22、22'将负压电电荷和正压电电荷电量取为加速度信号，并将它们电性地导出到质量元件30、30'上。

加速度测量仪1具有预紧组件4，该预紧组件包括两个帽部40、40'和一套筒41。如图3和图4所示，帽部40、40'关于纵向轴线BB'的横截面是碗形的，而套筒41关于纵向轴线BB'的横截面是中空圆柱形的。预紧组件4由例如纯金属、镍合金、钴合金、铁合金等的机械耐性材料制成。根据本发明的认知，本领域技术人员也可以提供具有其他横截面形状(例如多变形等)的帽部和套筒。帽部40、40'优选是相同的部件。套筒41具有紧固元件42。通过该紧固元件42实现与未示出的测量对象的机械连接。这种机械连接是如同螺丝连接等的机械力配合连接。

预紧组件4基本上完全包围振动质量3和压电系统2。每个帽部40、40'局部地包围振动质量3的外侧面。关于中心点O和纵向轴线BB'，在左侧，第一帽部40局部地包围振动质量3的第一外侧面，并且在右侧，第二帽部40'局部地包围振动质量3的第二外侧面。关于中心点O和纵向轴线BB'，套筒41包围振动质量3的中间区域。帽部40、40'和套筒41局部地搭接。关于中心点O和纵向轴线BB'，在左侧，第一帽部40搭接套筒41的第一端部区域，并且在右侧，第二帽部40'搭接套筒41的第二端部区域。在系统元件20、20'的区域中，帽部40、40'与系统元件20、20'处于直接机械接触中。关于中心点O和纵向轴线BB'，在左侧，第一帽部40与第一系统元件20的第二电绝缘元件21'机械接触，并且在右侧，第二帽部40'与第二系统元件20'的第二电绝缘元件21'机械接触。这样的机械接触是关于第二电绝缘元件21'的各个背向中心点O的外侧面的面接触。为了实现机械预紧，夹紧力被面式地导入到第二电绝缘元件21'的外侧面上。相比于现有技术的文献CH399021A，被导入夹紧力的横截面面积明显更大。文献CH399021A的夹紧套筒通过横截面面积较小的环形凸肩将夹紧力导入到振动质量中。根据本发明，由于获得了明显更大的横截面面积，因此可以导入相应更大的夹紧力，优选地，该夹紧力比现有技术中的数据页8002_00_205d_07.05所述大100％，优选大500％。

图3和图4以截面图示出了用于使压电系统2机械预紧的方法步骤。在第一方法步骤中，电绝缘件31关于竖直轴线AA'被布置在质量元件30、30'之间。然后，系统元件20、20'关于竖直轴线AA'在质量元件30、30中'被布置在凹部32、32'中。在另一步骤中，每一电极22、22'的一端部与一质量元件30、30'电连接和机械连接。现在，帽部40、40'和套筒41被设置在振动质量3的上方。在此，帽部40、40'搭接套筒41的端部区域。在另一方法步骤中，帽部40、40'使得系统元件20、20'相对于质量元件30、30'被机械预紧。在该机械拉紧状态下，帽部40、40'在套筒41的端部区域中与套筒41材料配合地连接。这种材料配合的连接通过熔焊、扩散焊、热压接、钎焊等来实现。根据图4，帽部40、40'分别通过环形焊缝43、43'与套筒41机械连接。焊缝43、43'对于接合工具来说是容易接近的并由此能够简单地制成。焊缝43、43'也被安置在碗形的帽部40、40'的径向端部上，并因此具有相对较大的半径，由此使得焊接残余应力是很小的。

压电系统2、振动质量3和预紧组件4形成一压电接收器组10。压电接收器组10在安装在壳体5中之前是能够被电测试和机械测试的并且是可存储的。

图7示出了沿着穿过如图1和图2所示实施方式的加速度测量仪1的一部分的水平轴线CC'的截面图。图8和图9示出了相应的立体图。压电接收器组10被安装在壳体5中。为此在第一方法步骤中，压电接收器组10被设置在壳体5中，并在套筒41的区域中与壳体5的关于中心点O位于下部的底部材料配合地连接。这种材料配合的连接通过熔焊、扩散焊、热压接、钎焊等来进行。在另一方法步骤中，盖部6被设置在壳体5的关于中心点O位于上部的边缘上，并与壳体5材料配合地连接。该材料配合的连接也通过熔焊、扩散焊、热压接、钎焊等来实现。

壳体5关于中心点O在沿水平轴线CC'的端部侧上具有开口50。通过该开口，能够从壳体5的外部接触质量元件30、30'。在另一方法步骤中，电接触元件7、7'与质量元件30、30'电连接和机械连接。电接触元件7、7'是圆柱形的并且由例如纯金属、镍合金、钴合金、铁合金等导电材料制成。该电连接和机械连接通过熔焊、扩散焊、热压接、钎焊等材料配合来实现。在根据图7和图8的实施方式中，电接触元件7、7'是短的电线，它们从质量元件30、30'的表面到达开口50的区域中。短电线的优点在于：其能够在使用期间非常良好地承受机械负载，并因此使用寿命长且成本低廉。

加速度测量仪1可以通过信号电缆8与未示出的分析单元电连接。在分析单元中，可以对加速度信号进行电放大和分析。信号电缆8具有信号电缆护罩和两个电信号导体80、80'。信号电缆护罩保护电信号导体80、80'免受例如杂质(灰尘、湿气等)之类的有害环境因素的影响。信号电缆护罩可以具有同轴的电磁屏蔽部并保护信号导体免受电磁辐射形式的电和电磁干扰。电信号导体80、80'由例如纯金属、镍合金、钴合金、铁合金等导电材料制成。电信号导体80、80'的关于中心点O的前端部与电接触元件7、7'电连接和机械连接。任何形式的电连接和机械连接(例如材料配合、形状配合和力配合)都是可行的。由此，电信号导体80、80'与质量元件30、30'电连接和机械连接。加速度信号间接地通过电接触元件7、7'从质量元件30、30'被电性地导出到电信号导体80、80'上。根据本发明的认知，本领域技术人员也可以将电接触元件和电信号导体设计为一体的，并使电信号导体与质量元件直接电连接和机械连接。然后，加速度信号直接从质量元件被电性地导出到电信号导体上。

加速度测量仪1具有保护套筒9。保护套筒9是中空圆柱形的并且由例如纯金属、镍合金、钴合金、铁合金、塑料、陶瓷等机械耐性材料制成。在另外的方法步骤中，通过保护套筒9来密封开口50，并使信号电缆8拉力消除。为此，保护套筒9如图8和图9所示地被推过信号电缆8。在实现电信号导体与电接触元件7、7'的电连接和机械连接之后，相对于壳体5推移保护套筒9，这在图9中以箭头标示。保护套筒具有盘形部90和管形部91。盘形部90和管形部91是一体的。盘形部90的直径的尺寸被确定为，使得盘形部90能够完全封闭开口50。盘形部90的径向外边缘现在与壳体5机械连接。该机械连接通过熔焊、扩散焊、热压接、钎焊等材料配合来实现。该机械连接使得开口50被气密地密封。由此也将管形部91的直径的尺寸确定为，该直径略大于信号电缆护罩的外径。管形部91和信号电缆护罩现在彼此机械地连接。该机械连接通过材料配合(例如粘接、钎焊等)或力配合(例如夹接、卡接等)来实现。该机械连接形成电信号导体与电接触元件7、7'的电连接和机械连接的拉力消除。

加速度测量仪1的组件能够实现-70℃至+700℃的工作温度就足够了。因此，作为用于壳体5、盖6、质量元件30、30'、电极22、22'、预紧组件4的材料优选使用材料编号为2.4969或2.4632的镍合金。

附图标记列表

AA'竖直轴线

BB'纵向轴线

CC'水平轴线

O 中心点

1 加速度测量仪

2 压电系统

3 振动质量

4 预紧组件

5 壳体

6 盖部

7，7'电接触元件

8 信号电缆

9 保护套筒

10 压电接收器组

20，20'系统元件

21，21'电绝缘元件

22，22'电极

23，23'，23”压电元件

24，24'电极的端部

30，30'测量元件

31 电绝缘件

32，32'凹部

40，40'帽部

41 套筒

42 紧固元件

43，43'焊缝

50 开口

80，80'电信号导体

90 盘形部

91 管形部。

Claims (15)

1.一种加速度测量仪(1)，具有压电系统(2)、振动质量(3)和预紧组件(4)；在加速期间，所述振动质量(3)将与其加速度成比例的力施加到所述压电系统(2)上，所述力在所述压电系统(2)中产生压电电荷，并且所述压电电荷能够作为加速度信号被电量取，其特征在于，所述压电系统(2)具有两个系统元件(20，20')；所述振动质量(3)具有两个质量元件(30，30')；并且所述预紧组件(4)使得所述系统元件(20，20')相对所述质量元件(30，30')被机械预紧。

2.根据权利要求1所述的加速度测量仪(1)，其特征在于，所述压电系统(20，20')、所述振动质量(30，30')和所述预紧组件(4)形成一压电接收器组(10)。

3.根据权利要求1或2中任一项所述的加速度测量仪(1)，其特征在于，所述预紧组件(4)在机械预紧的情况下与所述系统元件(20，20')直接机械接触。

4.根据权利要求3所述的加速度测量仪(1)，其特征在于，每个系统元件(20，20')具有电绝缘元件(21，21')；并且所述预紧组件(4)在机械预紧的情况下与所述电绝缘元件(21、21')面接触。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的加速度测量仪(1)，其特征在于，所述预紧组件(4)具有两个帽部(40，40')和一套筒(41)；所述帽部(40，40')和所述套筒(41)被设置在所述振动质量(3)上；并且被叠置的帽部(40，40')在机械预紧的情况下与被叠置的套筒(41)材料配合地连接。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的加速度测量仪(1)，其特征在于，所述系统元件(20，20')被布置在所述质量元件(30，30')的凹部(32，32')中。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的加速度测量仪(1)，其特征在于，所述质量元件(30、30')借助于电绝缘件(31)彼此电绝缘。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的加速度测量仪(1)，其特征在于，每个系统元件(20，20')具有正电极(22)和负电极(22')；所述正电极(22)接收正压电电荷；所述负电极(22')接收负压电电荷；所述正电极(22)与第一质量元件(30)电和机械地连接；并且所述负电极(22')与第二质量元件(30')电和机械地连接；以及在所述质量元件(30，30')上，压电电荷能够作为加速度信号被电量取。

9.根据权利要求8所述的加速度测量仪(1)，其特征在于，所述加速度测量仪(1)具有带开口(50)的壳体(5)；并且所述质量元件(30，30')通过所述开口(50)与信号导体(8)电和机械地连接。

10.根据权利要求9所述的加速度测量仪(1)，其特征在于，所述信号导体(8)具有两个电信号导体(80，80')；所述电信号导体(80，80')直接或间接地与所述质量元件(30、30')电和机械地连接；并且所述电信号导体(80，80')将加速度信号从所述质量元件(30，30')电性地导出。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的加速度测量仪(8)，其特征在于，每个电极(22，22')具有多个电极面，所述电极面通过关节彼此机械地连接；并且每个电极(22、22')利用所述电极面来积聚多个压电元件(23，23'，23”)的压电电荷。

12.一种用于制造根据权利要求1至11中任一项所述的加速度测量仪(1)的方法，其特征在于，将系统元件(20，20')布置在质量元件(30，30')之间。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，将预紧组件(4)的两个帽部(40，40')和一套筒(41)设置在振动质量(3)上；并且被叠置的帽部(40，40')在机械预紧的情况下与被叠置的套筒(41)材料配合地连接。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述系统元件(20，20')、所述质量元件(30，30')和所述预紧组件(4)形成一压电接收器组(10)，并将所述压电接收器组(10)设置在所述加速度测量仪(1)的壳体(5)中；所述预紧组件(4)与所述壳体(5)的底部材料配合地连接；所述加速度测量仪(1)的盖部(6)设置在所述壳体(5)的上部边缘上；并且所述盖部(6)与所述壳体(5)的上部边缘材料配合地连接。

15.根据权利要求13或14中任一项所述的方法，其特征在于，所述系统元件(20，20')与所述质量元件(30，30')电连接；所述加速度测量仪(1)的壳体(5)具有开口(50)，并且所述质量元件(30，30')通过所述开口(50)与信号导体(8)电和机械地连接。