CN108445257A - 一种压电式高g值冲击传感器芯体 - Google Patents
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Abstract
一种压电式高G值冲击传感器芯体，属于振动测量领域。采用三角剪切压电晶体结构，单程形状记忆合金作为芯体紧固件并充当压电晶体质量块。减少了结构件数量并提高了传感器结构强度。采用形状记忆合金作为剪切结构的紧固件，并将形状记忆合金作为剪切结构质量块进一步简化结构。整个敏感芯体结构装配过程不需要额外装置，通过形状记忆合金变形收缩即可完成装配。结构简化使得整个传感器具有较大的刚性并具有较宽的频率响应。
Description
技术领域
本发明涉及一种压电式高G值冲击传感器芯体，其为以压电效应为基础测量高冲击加速度的传感器，尤其涉及一种高精度大量级的冲击加速度传感器芯体。
背景技术
目前，国内研制的高G值冲击速度传感器的性能受材料、结构、工艺和安装等因素的影响，量程和上限频率难以得到提高，从而导致在高冲击下测量的线性度较差。现在国内研制的压电传感器样机可测量的最大冲击加速度为100000g，安装谐振频率较低，线性度为10％，还不能完全满足工程使用的要求。因此，为了满足高速碰撞测试和常规触发引信用压电加速度传感器的要求，本发明提高压电加速度传感器的量程和频响的设计技术，这项技术可应用在钻地武器试验和深层钻地弹引信中。
在武器飞行试验中，均要进行触地测试，了解核弹头碰地的状况，测量其触地加速度，为其触发引信的设计和验证提供依据。在常规钻地弹、侵彻弹等武器研究中，均需要大量程高频响的加速度传感器进行测量。目前国内的传感器难以满足要求，现采用国外的传感器(如7270A)，但价格昂贵且对华禁运。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种压电式高G值冲击传感器芯体，实时性好，性能稳定，动态范围大，能够测量大冲击情况下保持较高的测量精度。
本发明提出了一种压电式高G值冲击传感器芯体，其包括底座、紧固件和至少一压电晶体；底座包括底座限位结构、底座上安装柱和底座底面，所述压电晶体包括压电晶体内表面和压电晶体外表面；所述紧固件包括紧固件内表面和紧固件顶面；所述紧固件套装在所述底座上安装柱上，两者之间装配入所述压电晶体；所述压电晶体通过所述底座限位结构安装到所述底座上，所述压电晶体内表面与所述底座上安装柱的外表面形成装配关系，所述压电晶体外表面与所述紧固件内表面形成装配关系，所述紧固件采用单程形状记忆合金，所述紧固件与所述压电晶体、所述压电晶体与所述底座在装配时采用紧配合方式；装配完成后，所述压电晶体顶面与所述底座底面平行，所述紧固件顶面与所述底座底面平行。
优选的，所述压电晶体与所述紧固件配合的外表面为圆弧面，所述压电晶体与所述底座上安装柱配合的面为平面。
优选的，所述底座限位结构为定位台阶。
优选的，所述底座上安装柱为三棱柱状，所述压电晶体的数量为三个。
优选的，所述紧固件为中空的圆柱形结构。
优选的，所述底座采用钛合金棒料。
本发明的加速度测量原理为压电式，通过压电晶体的压电效应测量传感器所受的冲击加速度。采用三角剪切结构保证，剪切结构能够有效避免压缩型传感器基座应变对传感器性能的影响。
本发明传感器涉及到一种新型的三角剪切结构。特殊结构的压电晶结构能够有效减少结构件数量，进而减小质量提高传感器频率响应特性。
本发明采用的三角剪切形状底座，三角形状底座有效提高了底座结构刚度，并减轻了底座的质量，减轻的质量有助于提升冲击传感器冲击量级。
本发明的底座采用钛合金棒料，将棒料切削加工成柱状用。并用五轴机床直接铣出安装面，三个安装面按照等边三角形形状进行加工。三个面角度关系必须严格控制和检验，角度偏差将严重影响敏感芯体在承受高量级冲击时候的性能在底座柱状结构底部留有限位台阶，限位台阶主要用于装配时候限制压电陶瓷的位置。本发明严格控制三角安装柱高度，避免传感器芯体在承受加速度时候产生横向加速度。
本发明提出一种新型压电晶体，三角剪切结构将晶体片设计成外表面为圆弧内表面为平面的压电晶体结构，特殊形状的晶体片将三角剪切结构的质量块和晶体片合二为一，有效减少了芯体的结构件数量的简化传感器芯体结构。压电晶体内表面平面与底座三角面配合，外表面圆弧面与形状记忆合金配合。压电晶体属于容碎晶体与内表面配合的底座三角面需要严格控制表面粗糙度。避免在承受外部作用力时由于表面平整度原因造成压电晶体损坏。
本发明的压电晶体采用挤压成型方式实现，挤压成型压电晶体表面粗糙度达不到使用要求，压电晶体通过研磨方式提高内外表面粗糙度。研磨面为圆弧面和平面，需要采用特殊的研磨工装才能使得压电晶体达到使用要求。压电晶体特殊形状必须通过研磨来实现，由于是通过三角面安装方式来配合形状记忆合金内环面，因此研磨后的晶体片需要严格控制。
本发明设计的三角剪切结构，底座三角安装面上装配晶体片后必须保证三个晶体片外表面组成圆形形状并能够与形状记忆合金内环面形成紧配合关系。紧配合关系保证了形状记忆合金收缩时有足够的收缩力，足够的收缩力能够才能保证敏感芯体由足够强度。
本发明的压电晶体极化方向为轴向，晶体只敏感轴向剪切力。本发压电晶体在承受轴向剪切力后产生与所受剪切力成正比的电荷，通过测量电荷量的大小获得传感器承受的加速度。
本发明采用形状记忆合金为单程形状记忆合金，在受外部作用收缩定型后不会因为外部作用而产生形变。形状记忆合金作为结构的紧固力来源，将形状记忆合金自身、压电晶体、底座紧固在一起形成压电晶体的敏感结构。形状记忆合金内表面与压电晶体瓦片状结构外表面配合。形状记忆合金、压电晶体、底座之间采用紧配合方式，形状记忆合金在收缩后将形状记忆合金自身、压电晶体、底座紧固在一起。
本发明的三角剪切压电加速度传感器结构敏感方向为底座的轴向，敏感结构在承受轴向加速度时候为轴向正负方向为加速度正负方向。敏感芯体压电晶体与底座、压电晶体与形状记忆合金之间通过静摩擦力维持安装关系，由于静摩擦力与紧固力成正比关系，形状记忆合金提供足够的紧固力成为整个传感器结构关键。
本发明相较于现有技术的有益效果在于：
1)本发明采用特殊结构的压电晶体，省略了传统传感器中使用的质量块，减少结构件数量提高了结构可靠性；
2)本发明采用形状记忆合金作为紧固件，形状记忆合金提供的紧固力能够保证传感器形体在承受高G值冲击时结构不损坏；
3)本发明最大限度上减少了结结构件数量，减轻了传感器芯体质量，有效提高了传感器芯体的频率相应特性。
附图说明
图1是本发明实施例的传感器芯体的立体结构示意图；
图2是本发明实施例的传感器芯体的剖面结构示意图；
图3是本发明实施例的底座的结构示意图；
图4是本发明实施例的压电晶体的结构示意图。
图5是本发明实施例的形状记忆合金的结构示意图；
其中，附图标记说明如下：底座1、压电晶体2、紧固件3、底座限位结构11、底座上安装柱12、底座底面13、压电晶体内表面21、压电晶体外表面22、压电晶体顶面23、紧固件内表面31、紧固件顶面32。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施进行进一步的说明。参见图1-图5，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。图1-图4所示，本发明提出一种压电加速度传感器芯体结构，包括底座1、压电晶体2和紧固件3。压电晶体2通过底座限位结构11安装到底座1上，压电晶体2的内表面21与底座上三角安装柱12外表面形成装配关系。压电晶体2的外表面22与紧固件内表面31形成装配关系。压电晶体2、底座1、紧固件3之间装配关系位紧配合，在形状记忆合金收缩变形后装配成为压电加速度传感器敏感芯体。
结合图1所示结构描述整个结构装配过程。首先将三块压电晶体2内表面与底座上三角安装柱12进行贴合，为了避免压电晶体内表面21和外表面22同时与底座接触导致短路，压电晶体2必须装配到底座限位结构11以上。装配好压电晶体2和底座1之后，压电晶体2外表面22为圆弧面；压电晶体2外表面22的圆弧面结构与紧固件内表面31进行装配。将紧固件3装配到压电晶体外表面22上，完成底座1、压电晶体2和紧固件3的装配关系。装配完成后调整压电晶体2位置，压电晶体2顶面23必须与底座1底面13平行。装配完成后调整紧固件3所处位置，紧固件顶面32必须与底座底面13平行，并使紧固件3处于合适位置。由于紧固件3装配时候是通过与压电晶体2摩擦力确定位置关系，因此紧固件3、压电晶体2、底座1之间紧配合关系成为装配是否成功的关键因素。紧固件3、压电晶体2、底座1完成装配后将形状记忆合金进行通过外部作用产生收缩，将紧固件3、压电晶体2、底座1紧固在一起。形状记忆合金紧固力形成的静摩擦力，用于平衡外部加速度产生的加速度力，并对压电晶体形成剪切作用产生与加速度成正比的电荷。
图2为传感器装配完成后剖面图，剖面图很好展示了紧固件3、压电晶体2、底座1之间装配完成后的关系。压电晶体2通过底座限位结构11限制压电晶体2的安装位置，紧固件内表面31与压电晶体外表面22形成装配面。形状记忆合金3、压电晶体2、底座1之间静摩擦力维持形状记忆合金、压电晶体2装配关系形成敏感芯体。形状记忆合金、底座1均属于金属导体，通过紧固件3、底座1将三片压电晶体并联在一起，提高了传感器电荷灵敏度。
图3为底座，敏感芯体底座1主要用于与外部接触感受外部加速度，并将加速度传递给压电晶体。底座1与外界接触，底座底面13必须保证足够平整度，避免由于底面不平整出现除去轴向以外其他方向的加速度影响测量准确度。底座1上加工出了底座限位结构11，底座限位结构11的主要作用是限制压电晶体2安装时候的安装位置。底座限位结构11能够有效避免压电晶体内表面21、压电晶体外表面22同时与底座1接触造成短路。底座1上加工有用于安装压电晶体2的三棱柱状底座上安装柱12，三棱柱状底座上安装柱12外表面与压电晶体内表面21形成装配面。由于压电晶体2属于易碎晶体，因此对三棱柱状底座上安装柱12外表面平整度有较高的要求。三棱柱状底座上安装柱12外表面必须保证足够的表面平整度，避免结构在承受外部作用后导致压电晶体碎裂。
图4为压电晶体2结构，本发明将压电晶体结构设计成外表面圆弧状，内表面为平面，去掉了普通三角剪切结构质量块将质量块与晶体片合二为一，有效较少了敏感结构的原件数量提高了传感器可靠性。压电晶体2通过挤压成型并进行烧制，形成压电晶体外表面22圆弧状，压电晶体内表面21平面状。在压电晶体2体烧制完成后，需要对压电晶体内表面21、压电晶体外表面22进行研磨，压电晶体内表面21、压电晶体外表面22必须满足足够表面平整度和圆弧度。压电晶体2通过研磨提高平整度和圆弧度，避免压电晶体在装配或者使用时产生破碎。装配之前需要严格测量压电晶体2的尺寸，避免在装配时由于尺寸原因倒是芯体装配失败。
图5为紧固件3，其为单程形状记忆合金，紧固件3主要提供紧固力。紧固件内表面31与压电晶体外表面22形成装配面，因此，紧固件内表面31需要有足够的表面平整度。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明的上述实施例是对方案的说明而不能用于限制本发明，与本发明有保护范围相当的含义和范围内的任何改变，都应认为是包括在本发明保护的范围内。
Claims (6)
1.一种压电式高G值冲击传感器芯体，其特征在于：其包括底座(1)、紧固件(3)和至少一压电晶体(2)；所述底座(1)包括底座限位结构(11)、底座上安装柱(12)和底座底面(13)，所述压电晶体(2)包括压电晶体底面、压电晶体内表面(21)和压电晶体外表面(22)；所述紧固件(3)包括紧固件内表面(31)和紧固件顶面(32)；所述紧固件(3)套装在所述底座上安装柱(12)上，两者之间装配入所述压电晶体(2)；所述压电晶体底面限位安装于与所述底座(1)的底座限位结构(11)上，所述压电晶体内表面(21)与所述底座上安装柱(12)的外表面形成装配关系，所述压电晶体外表面(22)与所述紧固件内表面(31)形成装配关系，所述紧固件(3)采用单程形状记忆合金，所述紧固件(3)与所述压电晶体(2)、所述压电晶体(2)与所述底座(1)在装配时采用紧配合方式；装配完成后，所述压电晶体顶面(23)与所述底座底面(13)平行，所述紧固件顶面(32)与所述底座底面(13)平行。
2.根据权利要求1中所述的一种压电式高G值冲击传感器芯体,其特征在于：所述压电晶体(2)与所述紧固件(3)配合的外表面为圆弧面，所述压电晶体(2)与所述底座上安装柱(12)配合的面为平面。
3.根据权利要求1所述的一种压电式高G值冲击传感器芯体,其特征在于：所述底座限位结构(11)为定位台阶。
4.根据权利要求1所述的一种压电式高G值冲击传感器芯体,其特征在于：所述底座上安装柱(12)为三棱柱状，所述压电晶体(2)的数量为三个。
5.根据权利要求1所述的一种压电式高G值冲击传感器芯体,其特征在于：所述紧固件(3)为中空的圆柱形结构。
6.根据权利要求1所述的一种压电式高G值冲击传感器芯体,其特征在于：所述底座(1)采用钛合金棒料。
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