CN109313061A - 振动传感器和用于优化压电驱动器的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种振动传感器，所述振动传感器包括能够被压电驱动器激励以进行振荡的膜片以及布置在所述膜片上的机械振荡器，其中，所述驱动器的至少一个压电元件包括位于所述压电元件的上侧处的至少一个第一电接触结构和位于所述压电元件的下侧处的至少一个第二电接触结构，所述至少一个压电元件被设计成使得所述压电元件的作用表面对应于所述膜片的在所述机械振荡器的预定本征模式期间以单向曲率发生机械变形的表面。
Description
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的特征部分的振动传感器以及根据权利要求15的用于优化这种振动传感器的压电驱动器的方法。
背景技术
在现有技术中已知有多种类型的振动传感器。它们通常用作振动物位开关，该振动物位开关具有可振动的膜片和用于使膜片振动且/或获取膜片的振动的驱动器以及布置在膜片上的机械振荡器，其中，通常，压电元件用作驱动器。这种振动物位开关特别地用于检测容器中的可流动的或流态化的介质(特别地，流体或松散材料)的填充物位或极限物位。取决于容器中的填充物位，振动物位开关接触或不接触介质，从而膜片或布置在膜片上的机械振荡器的振动频率被与介质的接触影响。
现有技术中已知的振动传感器通常利用接合的驱动器进行操作，其中，在这种类型的驱动器中，为了使盘形压电元件与膜片一起振动(在它们之间插入有用于调节膜片和压电元件的热膨胀系数的补偿元件)，获取膜片的振动并将振动转换成测量信号，压电元件具有至少两个电接触结构。至少一个第一电接触结构应用在压电元件的上侧，且至少一个第二电接触结构应用在压电元件的下侧。通常，应用在表面上的金属化结构用于接触压电元件。
在现有技术已知的压电驱动器中，一般来说，在压电元件的下侧的整个表面(即，压电元件的面对膜片的表面)上进行接触，而在压电元件的背向膜片的表面上设置有一个或多个电接触结构。例如，压电元件的上侧可具有四个分段，且呈对角相对地布置的每两个分段可以电接触在一起。以此方式，能够使用接触结构中的两个接触结构将运动耦合到膜片中，并同时使用其他两个接触结构来获取膜片的振动共振频率和/或幅值。如果表面没有分段式地接触，则仅能够顺序地执行激励和检测。
在通常使用的压电元件中，产生与压电元件的曲率成比例的用于检测的电压。反之，施加的电压被转换成压电元件的与所施加的电压成比例的曲率。
在现有技术中已知的振动传感器中，压电元件的电接触结构的几何结构和形状通过实验来确定。压电元件通常被设计成盘形，并且由于所使用的制造技术而一般具有圆形基本区域。如已经提及，通常，在压电元件的下侧的整个表面上进行接触。根据应用区域，在现有技术中更常规的是，压电元件的上侧在整个表面上设置有电接触结构或者多个分段地设置有类似的大体上全表面接触结构。在一些情况下，下侧不进行接触。
发明内容
本发明的目的在于改进具有压电驱动器的振动传感器，使得其具有改善的接收信号，改善从施加电压到机械振荡的转化并由此能够改善信号检测。此外，本发明的目的还在于提供一种用于优化振动传感器的压电驱动器的方法。
这些目的通过具有权利要求1的特征的振动传感器以及具有权利要求15的特征的用于优化振动传感器的压电驱动器的方法来实现。从属权利要求阐释了有利的改进方案。
根据本发明的包括能够被压电驱动器激励以进行振荡的膜片并用于获取膜片的振荡的振动传感器具有布置在膜片上的机械振荡器以及至少一个压电元件，压电元件具有位于压电元件的上侧处的至少一个第一电接触结构和位于压电元件的下侧处的至少一个第二电接触结构。振动传感器的特征在于，该至少一个压电元件被设计成使得压电元件的作用表面对应于膜片的在机械振荡器的预定本征模式期间以单向曲率发生机械变形的表面。
布置在膜片上的机械振荡器可具有各种设计，且在每种情况下可具有多个不同的本征模式。
本征模式均出现在由振荡系统的几何设计预先确定的基本共振频率期间，其中，各种本征模式的共振频率彼此不同。本发明所依据的振动传感器具有优选本征模式，例如，这些优选本征模式的特征在于它们在至(用于将振动传感器布置在容器中的)过程连接部的力传递和/或力矩传递的方面得到优化。在力传递和扭矩传递最小的情况下的本征模式及相应的共振频率是优选的。一般说来，预定本征模式应对应于该优选本征模式，且压电驱动器应据此进行优化。
在本发明中，压电元件的作用表面应当理解为用于检测膜片的振荡且/或用于借助压电效应将振荡传递到膜片的表面。
本发明的发明人已发现，因为由所使用的压电元件产生的压电电压与压电元件的曲率成比例的缘故，对于所有的振荡系统来说，正电压成分和负电压成分二者发生混叠，并因此可获得的信号幅值减小。正信号成分和负信号成分的一个原因在于，所使用的膜片在机械振荡器振荡时既具有正曲率部分又具有负曲率部分，在现有技术的振动传感器中，这些曲率部分被获取，且它们的信号发生混叠。
因而，本发明所依据的思想在于，仅将单向信号成分用于信号分析而且仅使膜片的这些在预定本征模式或相应的共振频率期间变形的部分振荡。通过有限元模拟来测试膜片在优选本征模式中的变形，且通过形成二阶导数来确定膜片的与可获得的压电电压成比例的相应曲率。如果仅在膜片的具有单向曲率的区域中获取用于信号检测的压电电压，并且/或者仅在该区域中施加电压以便产生膜片的机械变形，则可获得的电气的和机械的幅值被最大程度地优化，并由此优化信号传输。
可以通过如下方式将压电元件的作用表面限制成膜片的以单向曲率发生机械变形的表面：例如，电接触结构中的至少一者被调节，且具有大体上与膜片的具有在机械振荡器的预定本征模式中形成的变形的单向曲率的表面相对应的表面。通过仅在具有单向曲率的区域中获取压电电压，获得了更大的电压幅值，并因而也能够更好地检测相关的振荡频率。在信号技术方面，系统中出现的噪声相对于有用信号具有更大的距离。信噪比增加。
在一个优选构造中，表面的外轮廓沿着膜片的在预定本征模式中的曲率变化的线延伸。
在本发明中，曲率变化应理解为膜片变形的二阶导数的符号的变化。
在本发明的振动传感器的特别容易制造的变形例中，第一接触结构被调节，且第二接触结构应用在压电元件的下侧的整个表面上。通过这种设计，能够特别容易实现压电元件的电接触结构的输入线和输出线，并因而能够节省制造成本。
可以通过压电元件的表面的金属化结构特别容易地实现压电元件的电接触结构。可以通过例如半导体行业中众所周知的选择性涂布方法或光刻工艺容易地制造并且低成本地实现相应的金属化结构。
压电元件的上侧的超出第一接触结构的外轮廓的大体上圆形的基座表面部分和与第一接触结构绝缘的第三电接触结构电接触，并连接到第二接触结构，由此可以实现可获得的信号幅值或振荡幅值的优化。
以此方式，超出第一接触结构的外轮廓的表面部分在一定程度上短路，使得仅在第一接触结构的区域中出现电容，并因而能够从中获取更大的电压。而且，在激励压电元件时，施加的激励电压没有分压，从而能够实现更大的电场，并因而能够实现压电元件的更大的机械运动。
例如，通过周边接触结构可以实现第二接触结构和这些表面部分的连接，其中，周边接触结构形成为在压电元件的边缘上被引导的金属化结构。
通常地，膜片周向地固定连接至大体上以垂直于膜片平面的方式延伸的壁，使得它在一定程度上固定在膜片中。由此，能够容易地制造振荡系统。基于膜片的这种固定，实现了不同的曲率方向，并因而实现了不同的曲率符号，从而需要适当地调节驱动器。
在膜片和压电元件之间可以布置有补偿元件，例如补偿陶瓷体，以用于调节膜片和压电元件的热膨胀系数。通过这种通常盘形的补偿陶瓷体，可以吸收膜片的热膨胀，并能够极大地防止由热应力引起电压。
有利地，压电驱动器由具有优选圆形的基本区域的单个压电元件形成，其中，压电驱动器优选地接合到膜片或补偿元件。通过将驱动器接合到膜片或补偿元件，能够实现低成本的制造，同时实现良好的机械耦接。
压电元件的基本区域大体上对应于膜片的具有在机械振荡器的预定本征模式中形成的变形的单向曲率的表面，由此可以实现进一步的优化。因而，对于电接触结构的表面的调节来说额外地或替代地，也可以调节压电元件的外轮廓。这种构造允许膜片的优选的振荡检测以及振荡激励，尽管在该变形例中，不能够依赖常用的压电元件，且需要具有调节的外轮廓的定制设计。
在一个设计变形例中，机械振荡器可形成为具有两个桨叶的音叉，这两个桨叶相对于膜片的中心等距离地且以大体上垂直于所述膜片平面(M)的方式布置，并且优选模式对应于两个桨叶的拍击模式。具有彼此相对地布置的两个桨叶的音叉具有多个共振频率及其相关的本征模式。两个最重要的本征模式被称为拍击模式(Clap-Mode/Klatschmodus)或摇摆模式(Sway-Mode/Schwingmodus)。
在拍击模式中，音叉的两个桨叶彼此相对地或背离地移动，而在所谓的摇摆模式中，它们彼此平行地左右移动。因为从过程连接的观点来看，拍击模式几乎不存在力或力矩，且相对而言，摇摆模式给过程连接带来更大的力矩，所以本发明的目的是仅引起拍击模式，且避免摇摆模式。这可以通过对应于本发明的驱动器的设计来实现。
为此，驱动器必须相对于机械振荡器以主要引起优选模式的方式进行定向和布置。
在具有相应地设计的音叉的振动传感器中，第一接触结构的长宽比在5:4和6:4之间。通过第一接触结构的相应设计，通过模拟能够获得可大致可靠地确定的结果。
本发明提供了一种用于优化振动传感器的压电驱动器的方法，其中，振动传感器包括膜片和布置在膜片上的机械振荡器，膜片可被压电驱动器激励以进行振荡，压电驱动器具有至少一个压电元件，该方法包括以下步骤：
-确定优选振荡器的优选模式，
-确定具有膜片的在优选本征模式中的相同曲率方向的点的区域，
-形成压电元件的与所确定的区域相对应的电接触结构的区域。
附图说明
下文将通过附图参照实施例更详细地说明本发明。在这些附图中：
图1a示出其上布置有机械振荡器的振动传感器的膜片的立体图，
图1b示出图1a中的膜片的俯视图，
图2a示出在图1b的膜片的沿线A的剖面中的膜片变形的特征线，即相应变形的斜率以及膜片的曲率的特征线，
图2b示出图2a的在沿线B的剖面中的特征线，
图2c示出图2a的在沿线C的剖面中的特征线，
图3在俯视图中示出获得的压电元件的结构的示意图，
图4示出以对应于图3的方式形成的压电元件的实施例的上侧，且
图5示出图4中的压电元件的下侧。
具体实施方式
图1a示出根据本发明的振动传感器1的机械振荡单元的立体图。基本上，机械振荡单元由膜片5形成，膜片5固定地连接到周壁30，并可振荡地固定在周壁中。在该图中，机械振荡器7布置在膜片5上并位于膜片的下侧(膜片5的面对介质的一侧)，其中，在本实施例中，机械振荡器形成为彼此相对且平行对准的、垂直地布置在膜片5上的桨叶。在图中，在膜片5上标记有线A，其中，线A对应于两个桨叶的基座的连接线。
线A也被标记在图1b的俯视图中，并表示在下文也被称作0°角剖面的剖面的截取线。在图1b中标记有线B和C，以表示45°角剖面(线B)和90°角剖面(线C)。
在图2a至2c中示出了膜片变形D、由此获得的斜率S以及同样由此获得的曲率K。图2a至2c的特征线是针对具有19mm直径的膜片确定的。
由于膜片5在其边缘上连接到壁30并由此固定，所以边缘区域(即，在0mm和19mm下的位置处)的偏离分别为5或大约0。通过被标记为D的膜片变形的差分，确定变形的膜片5的每个点处的斜率S，并通过进一步的差分确定曲率K。对于曲率K，通过箭头进一步指示特征线K与x轴的各个交叉点。这些点表示曲率K的符号的变化。从图2a至2c可见，曲率K与x轴的交叉点在图2a中约为4mm和14m，在图2b中约为2.5mm和16.5mm，且在图2c中约为2mm和17mm。曲率在这两个点之间具有正值，而在这两个点之外具有负值。
在图1a)和1b)所示的实施例中，机械振荡器7的两个主要出现的本征模式彼此相距仅57Hz，从而通过驱动器的相应设计实现了优选模式的改善的且明确的激励。
基于这种认知，可以获得图3示意地示出的压电元件9的优化结构。示意地示出了膜片5的俯视图，其中，膜片固定在周壁30中。压电元件9布置在膜片5上，其中，压电元件具有根据图2a至2c所示的认知优化的第一电接触结构11。如从图5可见，压电元件9的第二电接触结构12应用在压电元件9的下侧的整个表面上。压电元件9的上侧的表面部分的第三接触结构13超出第一电接触结构11的轮廓，第三接触结构13经由中间绝缘部16与第一电接触结构11电绝缘，并经由周边接触结构19连接到压电元件9的下侧的第二电接触结构12。
从图3所示的根据本发明的压电元件9的示意性结构出发，可以获得图4和5所示的具体实施例。这些实施例特别地针对电接触结构11、12、13的表面以及所需的绝缘部进行了优化。第一电接触结构11在压电元件9的中心区域中被大面积地示出，且在压电元件9的边缘处被第一边缘绝缘部15环绕。在第一电接触结构11和第三电接触结构13之间设置有中间绝缘部16，以用于将第一电接触结构11和第三电接触结构13彼此电绝缘。第三电接触结构13通往压电元件9的边缘，并在压电元件9的边缘上通过周边接触结构19通往第二电接触结构12。
图5主要示出了第二电接触结构12，其中，在压电元件9的上侧没有布置第三电接触结构13的边缘区域中，第二电接触结构12形成为与压电元件9的边缘间隔开，并通过第二边缘绝缘部17与压电元件9的边缘绝缘。在上侧布置第三电接触结构13的区域中，第二电接触结构12也通往压电元件9的边缘，并在周边接触结构19中连接到该边缘，使得第二电接触结构12和第三电接触结构13连接。
附图标记列表
1振动传感器 3压电驱动器 5膜片
7机械振荡器 11第一电接触结构 12第二电接触结构
13第三电接触结构 15第一边缘绝缘部 16中间绝缘部
17第二边缘绝缘部 19接触结构 28补偿元件
30壁 A 0°剖面 B 45°剖面
C 90°剖面 M膜片平面 D变形
S斜率 K曲率
Claims (15)
1.一种振动传感器(1)，其包括：
膜片(5)，其能够被压电驱动器(3)激励以进行振荡；
机械振荡器(7)，其布置在所述膜片(5)上，
其中，所述驱动器(3)的至少一个压电元件(9)包括位于所述压电元件(9)的上侧处的至少一个第一电接触结构(11)和位于所述压电元件(9)的下侧处的至少一个第二电接触结构(12)，
其特征在于，所述至少一个压电元件(9)被设计成使得所述压电元件(9)的作用表面对应于所述膜片(5)的在所述机械振荡器(7)的预定本征模式期间以单向曲率发生机械变形的表面。
2.根据权利要求1所述的振动传感器(1)，其特征在于，
所述电接触结构(11、12)中的至少一者被调节，并且所述至少一者的表面大体上对应于所述膜片(5)的具有在所述机械振荡器(7)的所述预定本征模式中形成的所述变形的所述单向曲率的表面。
3.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，
所述表面的外轮廓沿着所述膜片(5)的在所述预定本征模式中的曲率变化的线延伸。
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，
所述第一接触结构(11)被调整，且所述第二接触结构(12)大体上应用在所述压电元件(9)的下侧的整个表面上。
5.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，
所述第一接触结构(11)和/或所述第二接触结构(12)被设计为所述压电元件(9)的表面的金属化结构。
6.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，
所述压电元件(9)具有大体上圆形的基本区域，并且上侧的超出所述第一接触结构(11)的外轮廓的表面部分电接触于与所述第一接触结构(11)绝缘的第三电接触结构(13)，并连接到所述第二接触结构(12)。
7.根据权利要求6所述的振动传感器(1)，其特征在于，
所述表面部分和所述第二接触结构(12)的连接通过周边接触结构(19)来实现，所述周边接触结构被设计为在所述压电元件(9)的边缘上被引导的金属化结构。
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，
所述膜片(5)周向地固定连接到壁(30)，所述壁以大体上垂直于膜片平面(M)的方式延伸。
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，
在所述压电元件(9)和所述膜片(5)之间布置有补偿元件(28)，所述补偿元件特别是盘形补偿陶瓷体。
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，
所述压电驱动器由具有优选圆形的基本区域的单个所述压电元件(9)形成，所述压电元件优选地接合到所述膜片(5)或所述补偿元件(28)。
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，
所述压电元件(9)的基本区域大体上对应于所述膜片(5)的具有在所述机械振荡器(7)的所述预定本征模式期间形成的所述变形的所述单向曲率(K)的所述表面。
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，
所述机械振荡器(7)被形成为具有两个桨叶的音叉，所述两个桨叶相对于所述膜片的中心等距离地且以大体上垂直于所述膜片平面(M)的方式布置，并且所述优选模式对应于所述两个桨叶的拍击模式。
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，
所述驱动器(3)布置成以主要引起所述优选模式的方式相对于所述机械振荡器(7)定向。
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，
所述第一接触结构(11)的长宽比在5:4和6:4之间。
15.一种用于优化振动传感器(1)的压电驱动器(3)的方法，所述振动传感器包括能够被具有至少一个压电元件(9)的压电驱动器(3)激励以进行振荡的膜片(5)并且包括布置在所述膜片(5)上的机械振荡器(7)，所述方法包括以下步骤：
-确定所述机械振荡器(7)的优选本征模式，
-确定具有所述膜片(5)的在所述优选本征模式期间的相同曲率方向的点的区域，
-形成所述压电元件(9)的与所确定的区域相对应的接触结构的电区域。
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