CN108507666B - 一种基于压电传感的微振动检测器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于振动检测领域，并公开了一种基于压电传感的微振动检测器。其包括外壳、质量块、导电环、压电传感器以及缓冲单元，质量块设置在外壳的中心，导电环套在质量块的对称两侧，外壳内壁上均匀设置有多个缓冲单元和压电传感器，支撑块用于连接质量块和导电环，压电传感器用于将力信号转化为电信号，导电环内壁设置有电极，电极与压电传感器上均设置有导线，用于引出电信号；外壳受到振动向质量块靠近，使得压电传感器与导电环接触，并与外接电路形成闭合回路，由不同位置处的压电传感器反馈的电信号判断振动力的大小和位置，以此确定振动的来源和振幅。通过本发明，实现微弱地震波信号和建筑物微小振动的检测，结构简单，成本低廉。
Description
技术领域
本发明属于振动检测领域，更具体地，涉及一种基于压电传感的微振动检测器。
背景技术
振动检测仪是测量物体振动量大小的仪器，在桥梁、建筑、地震等领域有广泛的应用，振动检测仪还可以和加速度传感器组成振动测量系统对物体加速度、速度和位移进行测量。
在现有技术中，大多数的振动检测器主要以电磁传感器、压阻传感器以及光电传感器为主，而对于微小振动的检测主要以光电传感器为主，而由于光电传感器在使用时受到环境的影响，没有在对于某些特定的狭窄区域的微小振动无法检测，缺少一种灵敏、通用的微振动检测装置。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于压电传感的微振动检测器，通过压电传感器的设计和设置，其目的在于提供一种将力信号转化为电信号的传感单元，以此检测振动力的大小，由此解决振动检测中受环境影响以及检测不灵敏的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于压电传感的微振动检测器，该检测器包括外壳、质量块、导电环、压电传感器、支撑块和缓冲单元，其特征在于，
所述质量块设置在所述外壳的中心，所述质量块的两端对称套有所述导电环，所述外壳内壁上均匀分布多个压电传感器和缓冲单元，所述压电传感器介于所述外壳和导电环之间，用于将力信号转化为电信号，所述支撑块设置在所述导电环内壁上，且与所述缓冲单元位置相对应，用于连接所述质量块和导电环，所述导电环内壁与所述压电传感器对应处设置有电极，该电极与所述压电传感器上均设置有导线，该导线从所述外壳中穿出后与外接电路连接，用于引出所述电信号；
检测时，所述外壳受到振动，在所述导电环的牵引下向所述质量块靠近，使得所述压电传感器与所述导电环接触，由此外接电路、压电传感器和电极形成闭合回路，由所述外壳内壁不同位置处的压电传感器反馈的电信号判断振动产生力的大小和位置，以此确定振动的来源和振幅。
进一步优选地，所述压电传感器包括基底、过渡层、底电极层、压电层和顶电极层，所述基底与外壳连接，所述过渡层用于连接底电极层和基底，所述压电层沉积在所述底电极层上，所述顶电极层镀在所述压电层上，其中，所述底电极层与所述压电层中晶格均呈111取向。
进一步优选地，所述缓冲单元优选采用橡胶块，一方面受到振动时压缩，另一方面通过回弹使得在振动结束后质量块复位。
进一步优选地，所述外壳的上下均设置有金属端盖，端盖呈凸台状，用于夹持和调节所述质量块的位置。
进一步优选地，所述外壳外表面设置有连接片，用于将所述检测器固定在待检测位置。
进一步优选地，所述外壳与所述质量块之间设置有填充物，用于缓冲减少振动对质量块的影响。
进一步优选地，所述外壳和质量块均采用球形。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明通过采用压电传感器，该压电传感器中底电极层晶格取向是111的压电层，由此使得生长在该底电极层上的压电层晶格也呈111取向，从而使得该压电层的检测灵敏度高；
2、本发明通过采用的压电传感器制备方法简单，体积小，灵敏度高，成本低廉，适用范围广；
3、本发明提供的压电传感微振动检测器结构简单，检测时不受环境影响，体积小，便于携带，而且检测灵敏度高，是一种通用的微振动检测仪，可用于检测微弱的地震波信号以及建筑物的微小振动。
附图说明
图1是按照本发明的优选实施例所构建的微振动检测器正面剖视图；
图2是按照本发明的优选实施例所构建的微振动检测器俯视剖视图；
图3是按照本发明的优选实施例所构建的微振动检测器截面示意图；
图4是按照本发明的优选实施例所构建的微振动检测器导电环示意图；
图5是按照本发明的优选实施例所构建的微振动检测器压电传感器结构示意图；
图6是按照本发明的优选实施例所构建的压电传感器压电层的XRD衍射仪测试结果。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-端盖，2-垫圈，3-外壳，4-质量块，5-固定凸台，6-导电环，7-支撑块，8-压电传感器，9-电极，10-缓冲单元，11-填充物
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是按照本发明的优选实施例所构建的微振动检测器正面剖视图，图2是按照本发明的优选实施例所构建的微振动检测器俯视剖视图，图3是按照本发明的优选实施例所构建的微振动检测器截面示意图，如图1～3所示，一种基于压电传感的微振动检测器主要包括外壳3、质量块4和导电环6，支撑块和质量块之间充满海绵，减小外部环境的干扰的影响。外壳的上下均设置有金属端盖1，端盖呈凸台状，通过螺栓和垫圈与外壳固定，该端盖用于固定与球形质量块点接触，用于夹持并固定质量块的位置，通过调节垫圈的数量和厚度可以调节质量块的位置，从而可以使得质量块在外壳的中心，此外，外壳的两侧还设置有连接片，用于将检测器固定连接在待检测外置；本实施例中，外壳采用金属外壳，球体外壳外径为25mm，壁厚2mm，高为48mm；质量块4为金属实心球体；图4是按照本发明的优选实施例所构建的微振动检测器导电环示意图，如图4所示，导电环6套在质量块球体的两端，距离球心10mm，与外壳之间的间隙为1.5mm，该导电环宽度为6mm，厚度为1mm，内径为40mm，内外表面均为平面，可以采用不锈钢或碳钢材质，内表面通过有机胶水与金属支撑块相粘连。
导电环6内壁与缓冲单元对应的位置处均匀设置有多个支撑块和压电传感器，支撑块7用于连接质量块和导电环，本实施例中支撑块采用金属材质，呈半径为2mm的半球形，底部截面为平面，支撑块的表面经过研磨、抛光，与球形质量块之间保证为点接触，上下两端的导电环对应的支撑块各为8个，上端导电环与下端导电环上对应的支撑块相互错开22.5°，在俯视图中，将外壳截面的360°的区域均分为16份，提高检测精度；支撑块7通过圆形缓冲单元10与外壳3连接，本实施例中，16个圆形缓冲单元即橡胶块，其底面直接与金属外壳粘接起来，缓冲单元的底面为相应的圆弧面，缓冲单元10的半径为3mm,厚度为1.2mm，材料为聚氨酯橡胶，略大于预留间隙1mm，保证安装支撑块时，缓冲单元处于压缩的状态，缓冲单元的圆心与金属支撑块的圆心对应，缓冲单元主要起到缓冲作用，防止振动幅度过大导致压电单元损坏，并且在振动结束后，可使质量块回到中心位置。
图5是按照本发明的优选实施例所构建的微振动检测器压电传感器结构示意图，如图5所示，压电传感器介于所述外壳和导电环之间，用于将力信号转化为电信号，压电传感器均匀分布在每两个缓冲单元之间，每个压电传感器包括基底、过渡层、底电极层、压电层和顶电极层，基底与金属外壳内壁的凸台粘连起来，压电传感器的底电极上有导线，导线上的银胶剥落，通过热熔胶将导线固定住，导线从金属外壳上预留的引出孔引出，本实施例中压电传感器厚度为0.8mm；
导电环内壁与所述压电传感器对应处设置有电极，本实施例中，电极采用厚度为0.1mm的铜薄片，通过绝缘胶水粘连在导电环的内壁上，其中心与压电传感器的中心相对应，该电极上粘接有导线，该导线与压电传感器上的导线从外壳中穿出后与外接电路连接，本实施例中，通过在金属外壳每隔45°开两个直径为1mm的小孔，用于导线穿出；
压电传感器的制备方法如下：
通过磁控溅射法在打磨过的单晶硅基底上沉积过渡层和底电极层，过渡层可以为50nm厚的Ti，底电极层可以为200nm厚的Pt，溅射温度为300℃,溅射功率60W；
通过退火得到呈111取向的Pt底电极层，在底电极层上一角点上一滴银胶保护底电极层，退火温度为400℃，时间为10分钟；
利用脉冲激光沉积技术，并调整工艺参数，在底电极层上沉积111取向的压电层，然后利用多次退火工艺处理沉积后的薄膜，得到表面形貌良好以及高取向的目标薄膜，本实施例中，压电层为锆钛酸铅薄膜，沉积温度为700℃，氧分压为200mTorr,激光功率为2J/cm2,激光频率为5HZ，沉积锆钛酸铅薄膜，薄膜厚度为1um,靶材为PbO，ZrO2，TiO2，烧结而成，并且靶材中的Pb、Zr、Ti物质的量之比为1.1:0.52:0.48，并且PbO的含量过量10％，沉积后的退火为分段退火，在700℃保温600s后，以10℃/min的降温速度降至居里点450℃附近，以然后以5℃/min的降温速率降温至300℃，以释放沉积后薄膜中的残余应力，然后自然冷却。
图6是按照本发明的优选实施例所构建的压电传感器压电层的XRD衍射仪测试结果。如图6所示，图中可观察到在38.2°处可明显观察到锆钛酸铅111取向的衍射峰，在39.6°附近的衍射峰为底电极层Pt(111)的衍射峰，44°处为表面银胶的衍射峰，由图中可观察到沉积所得薄膜呈良好的111取向。
4)在得到的单一取向的锆钛酸铅薄膜表面利用蒸镀得到一层顶电极层，本实施例中，将真空镀膜腔室真空度抽至10-4pa以下，将银颗粒放入蒸发舟中，缓慢加大电流将固体银颗粒蒸发到薄膜表面，控制时间，当电极厚度约为200nm时，关闭电流，取出样品。顶电极还可以为金，沉积完成后在将底电极层的银胶刮去，利用热熔胶将导线在固定在剥去银胶的底电极上。
锆钛酸铅(PZT)具有优良的压电性能，制成的薄膜被广泛应用于压电换能器、铁电存储器以及红外探测方面。而具有钙钛矿结构的薄膜表现出优异的压电性能，通过普通的方法得到的锆钛酸铅薄膜常常具有杂相，降低了薄膜的压电性能，制成的压电传感器的灵敏度也会受到影响，导致检测到的波形的可靠度降低。
下面将介绍本发明的基于压电传感器的微振动检测器的工作过程：
将金属外壳的顶部或底部通过螺栓与被检测表面固定，通过调整上下端盖的垫片厚度来控制质量块的高度，保证高度基本与金属外壳中心一致高度，此时，16个压电传感器的输出信号应该均为0，缓冲单元处于压缩状态，当微小振动出现时，首先通过金属外壳和缓冲单元传递到支撑块和导电环上，而中心质量块由于惯性保持原状态不变，支撑块和导电环不可压缩，只有橡胶部分收缩退让，从而使得压电传感器与导电环接触，由此铜电极，导电环，压电传感器单元与外接电路形成的回路导通，根据压电传感器和铜电极引出的电信号的大小判断振动力的大小，同时通过不同位置的压电传感器的电信号的大小判断振动位置，由此可计算振动的来源和强度。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于压电传感的微振动检测器，该检测器包括外壳(3)、质量块(4)和导电环(6)，压电传感器(8)、支撑块(7)和缓冲单元，其特征在于，
所述质量块(4)设置在所述外壳(3)的中心，所述质量块(4)的两端对称套有所述导电环(6)，所述外壳(3)内壁上均匀分布多个压电传感器(8)和缓冲单元(10)，所述压电传感器(8)介于所述外壳和导电环之间，用于将力信号转化为电信号，所述支撑块(7)设置在所述导电环内壁上，且与所述缓冲单元位置相对应，用于连接所述质量块(4)和导电环(6)，所述导电环内壁与所述压电传感器对应处设置有电极(9)，该电极与所述压电传感器上均设置有导线，该导线从所述外壳中穿出后与外接电路连接，用于引出所述电信号；
检测时，所述外壳(3)受到振动，在所述导电环(6)的牵引下向所述质量块(4)靠近，使得所述压电传感器(8)与所述导电环接触，由此外接电路、压电传感器和电极形成闭合回路，由所述外壳内壁不同位置处的压电传感器反馈的电信号判断振动产生力的大小和位置，以此确定振动的来源和振幅。
2.如权利要求1所述的一种基于压电传感的微振动检测器，其特征在于，所述压电传感器(8)包括基底、过渡层、底电极层、压电层和顶电极层，所述基底与外壳连接，所述过渡层用于连接底电极层和基底，所述压电层沉积在所述底电极层上，所述顶电极层镀在所述压电层上，其中，所述底电极层与所述压电层中晶格均呈111取向。
3.如权利要求1或2所述的一种基于压电传感的微振动检测器，其特征在于，所述缓冲单元(10)采用橡胶块，一方面受到振动时压缩，另一方面通过回弹使得在振动结束后质量块复位。
4.如权利要求1所述的一种基于压电传感的微振动检测器，其特征在于，所述外壳的上下均设置有呈凸台状的端盖(1)，用于夹持和调节所述质量块(4)的位置。
5.如权利要求1所述的一种基于压电传感的微振动检测器，其特征在于，所述外壳外表面设置有连接片，用于将所述检测器固定在待检测位置。
6.如权利要求1所述的一种基于压电传感的微振动检测器，其特征在于，所述外壳与所述质量块之间设置有填充物(11)，用于缓冲减少噪声对质量块的影响。
7.如权利要求1所述的一种基于压电传感的微振动检测器，其特征在于，所述外壳和质量块均采用球形。
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