CN109991440A - 一种压电式加速度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种压电式加速度传感器。包括对照传感单元、测量传感单元、电路及处理单元；所述的测量传感单元设置于需测量加速度的位置；所述的对照传感单元设置于无振动或振动较小的位置，且所处温度与测量传感单元所处温度相同；所述的对照传感单元包括第一基座、第一外壳、第一压电部件、第一螺栓、第一预压弹簧片、第一传力板、恒流线圈、测量脉冲线圈；所述的测量传感单元包括第二基座、第二外壳、第二压电部件、第二螺栓、第二预压弹簧片、第二传力板、对照线圈、质量块；本发明的传感器无需复杂的温度补偿单元，也无需额外的温度测量单元，可自动适应温度变化，适应较大的温度范围。
Description
技术领域
本发明属于传感测量领域，更具体的说是一种压电式加速度传感器。
背景技术
加速度传感器是一种加速度测量装置。通常由质量块、弹性元件、敏感元件和适调电路等部分组成。传感器在加速度作用下，通过对质量块所受惯性力的测量，利用牛顿第二定律即可获得加速度值。根据传感器敏感元件的不同，常见的加速度传感器包括电容式、电感式、应变式、压阻式、压电式等。加速度传感器的用途非常广泛，主要用于飞行器的控制，机器人姿态控制，自动化工业生产，航空发动机和工程机械发动机的监测和检修等。
由于加速度传感器所用弹性元件、敏感元件的性能会随温度变化，因此加速度传感器都有特定的使用范围，如果使用环境的温度变化较大，需要设置温度补偿单元。
压电式加速度传感器的原理是利用压电效应，压电材料产生的电荷Q和受到的压力F成正比，通过测量Q，得到F，进而得到被测的加速度。
发明内容
本发明的目的是提供一种无需温度补偿单元的压电式加速度传感器。
包括对照传感单元、测量传感单元、电路及处理单元；所述的测量传感单元设置于需测量加速度的位置；所述的对照传感单元设置于无振动或振动较小的位置，且所处温度与测量传感单元所处温度相同；
所述的对照传感单元包括第一基座、第一外壳、第一压电部件、第一螺栓、第一预压弹簧片、第一传力板、恒流线圈、测量脉冲线圈；所述的第一螺栓下端固定在第一基座上，从下往上依次穿过第一压电部件、第一传力板、第一预压弹簧片；所述第一螺栓与第一预压弹簧片用螺纹固定，第一螺栓与第一压电部件、第一传力板接触处无螺纹，第一压电部件、第一传力板可沿第一螺栓滑动；所述第一预压弹簧片将第一压电部件、第一传力板压紧在第一基座上；所述的测量脉冲线圈固定在第一传力板上，所述的恒流线圈固定在测量脉冲线圈的下方或上方；工作时，所述的恒流线圈中通入恒定直流电，测量脉冲线圈中通入脉冲直流电；
所述的测量传感单元包括第二基座、第二外壳、第二压电部件、第二螺栓、第二预压弹簧片、第二传力板、对照线圈、质量块；所述的第二基座、第二压电部件、第二预压弹簧片、第二传力板与对照传感单元中的第一基座、第一压电部件、第一预压弹簧片、第一传力板，对应零部件结构相同；所述的第二螺栓下端固定在第二基座上，从下往上依次穿过第二压电部件、第二传力板、质量块、第二预压弹簧片；所述第二螺栓与第二预压弹簧片用螺纹固定，第二螺栓与第二压电部件、第二传力板、质量块接触处无螺纹，第二压电部件、第二传力板、质量块可沿第二螺栓滑动；所述第二预压弹簧片将第二压电部件、第二传力板、质量块压紧在第二基座上；所述的对照线圈，结构与测量脉冲线圈相同，固定在第二传力板上，不通电。
所述的电路及处理单元接收对照传感单元中第一压电部件和测量传感单元中第二压电部件的输出信号；通过比较第一压电部件和第二压电部件的输出信号，得到测量传感单元中质量块的受力，进而得到需测量的加速度数值。
作为优选所述测量传感单元有多个。
作为优选所述的第一压电部件和第二压电部件都是由多层压电材料并连而成。
作为优选所述的测量线圈中通入的脉冲式直流电频率在10—1000Hz。
作为优选所述的第一基座、第一外壳、第一螺栓、第一预压弹簧片、第一传力板；第二基座、第二外壳、第二螺栓、第二预压弹簧片、第二传力板、质量块，采用非磁性材料或弱磁性材料制造。
作为进一步优选所述的第一螺栓、第一预压弹簧片、第二螺栓、第二预压弹簧片、质量块采用钨制造；所述的第一基座、第一外壳、第一传力板、第二基座、第二外壳、第二传力板采用高温工程陶瓷材料制造。
本发明有益效果：
1、本发明的传感器无需复杂的温度补偿单元，也无需额外的温度测量单元(很多温度补偿方法需要测量工作温度)，可自动适应温度变化，适应较大的温度范围。
2、本发明特别适合测量环境温度变化较大但环境内各个位置温度较为平均，且需要在多点测量加速度的情况；仅需设置一个对照传感单元，而无需为每个传感器设置温度补偿单元。
附图说明
图1是本发明结构框图。
图2是对照传感单元结构示意图。
图3是测量传感单元结构示意图。
图4是测量线圈中通入的脉冲直流电示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步说明。
本发明的目的是提供一种无需温度补偿单元的压电式加速度传感器。
包括对照传感单元1、测量传感单元2、电路及处理单元3；所述的测量传感单元2设置于需测量加速度的位置；所述的对照传感单元1设置于无振动或振动较小的位置，且所处温度与测量传感单元2所处温度相同；如条件限制，所述的对照传感单元1也可以设置在有振动的位置，由于对照传感单元1没有质量块，所以受力很小；且测量传感单元2中设置有对照线圈，排除了线圈质量的影响；依然可以满足测量精度的要求；
所述的对照传感单元1包括第一基座11、第一外壳12、第一压电部件13、第一螺栓14、第一预压弹簧片15、第一传力板16、恒流线圈17、测量脉冲线圈18；所述的第一螺栓14下端固定在第一基座11上，从下往上依次穿过第一压电部件13、第一传力板16、第一预压弹簧片15；所述第一螺栓14与第一预压弹簧片15用螺纹固定，第一螺栓14与第一压电部件13、第一传力板16接触处无螺纹，第一压电部件13、第一传力板16可沿第一螺栓14滑动；所述第一预压弹簧片15将第一压电部件13、第一传力板16压紧在第一基座11上；所述的测量脉冲线圈18固定在第一传力板16上，所述的恒流线圈17固定在测量脉冲线圈18的下方或上方；工作时，所述的恒流线圈17中通入恒定直流电，测量脉冲线圈18中通入脉冲直流电；本实施例中恒流线圈17在测量脉冲线圈18的下方，两者通入的电流方向相同，两者产生相互吸引的相互作用力；实际上两者电流方向也可以相反，产生相互排斥的力；
所述的测量传感单元2包括第二基座21、第二外壳22、第二压电部件23、第二螺栓24、第二预压弹簧片25、第二传力板26、对照线圈28、质量块29；所述的第二基座21、第二压电部件23、第二预压弹簧片25、第二传力板26与对照传感单元1中的第一基座11、第一压电部件13、第一预压弹簧片15、第一传力板16，对应零部件结构相同；所述的第二螺栓24下端固定在第二基座21上，从下往上依次穿过第二压电部件23、第二传力板26、质量块29、第二预压弹簧片25；所述第二螺栓24与第二预压弹簧片25用螺纹固定，第二螺栓24与第二压电部件23、第二传力板26、质量块29接触处无螺纹，第二压电部件23、第二传力板26、质量块29可沿第二螺栓24滑动；所述第二预压弹簧片25将第二压电部件23、第二传力板26、质量块29压紧在第二基座21上；所述的对照线圈28，结构与测量脉冲线圈18相同，固定在第二传力板26上，不通电。
所述的电路及处理单元3接收对照传感单元1中第一压电部件13和测量传感单元2中第二压电部件23的输出信号；通过比较第一压电部件13和第二压电部件23的输出信号，得到测量传感单元2中质量块29的受力，进而得到需测量的加速度数值。
作为优选所述测量传感单元2有多个。
作为优选所述的第一压电部件13和第二压电部件23都是由多层压电材料并连而成。
作为优选所述的测量线圈16中通入的脉冲式直流电频率在10—1000Hz。
作为优选所述的第一基座11、第一外壳12、第一螺栓14、第一预压弹簧片15、第一传力板16；第二基座21、第二外壳22、第二螺栓24、第二预压弹簧片25、第二传力板26、质量块29，采用非磁性材料或弱磁性材料制造。
作为进一步优选所述的第一螺栓14、第一预压弹簧片15、第二螺栓24、第二预压弹簧片25、质量块29采用钨制造；所述的第一基座11、第一外壳12、第一传力板16、第二基座21、第二外壳22、第二传力板26采用高温工程陶瓷材料制造。金属钨和陶瓷材料热膨胀系数很小，可以排除传感器由于温度变化产生的内部应力和变形。
工作原理：
本发明的传感器用于测量图2和图3中竖直方向的加速度。
对照传感单元1采用无铁芯的恒流线圈17和无铁芯的测量脉冲线圈18，将两者相互作用力作为标准对照力；两者磁场由恒定直流电产生，且装置内无其他磁性材料，因此两者的相互作用力不随温度变化。
对照传感单元1和测量传感单元2采用相同的弹性、应变结构，并置于相同的温度环境中，因此各个零部件的弹性、应变性能相同。而传感器中应变量本就随加速度线性变化。
因此对照传感单元1和测量传感单元2分别测出了在同一温度下，通电线圈产生标准大小的磁力和待测力所产生的应变，只要比较两者应变的大小，即可得到被测量的加速度的大小。
例如，对照传感单元1中恒流线圈17和测量脉冲线圈18的相互作用力是F0，测得第一压电部件13产生的电荷量为Q0；第二压电部件23产生的电荷量为Q1；由于Q随F线性变化，所以可以求得质量块29收到的力F1，由于质量块的质量已知，即可得到测量的加速度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种压电式加速度传感器，其特征在于包括对照传感单元(1)、测量传感单元(2)、电路及处理单元(3)；所述的测量传感单元(2)设置于需测量加速度的位置；所述的对照传感单元(1)设置于无振动或振动较小的位置，且所处温度与测量传感单元(2)所处温度相同；
所述的对照传感单元(1)包括第一基座(11)、第一外壳(12)、第一压电部件(13)、第一螺栓(14)、第一预压弹簧片(15)、第一传力板(16)、恒流线圈(17)、测量脉冲线圈(18)；所述的第一螺栓(14)下端固定在第一基座(11)上，从下往上依次穿过第一压电部件(13)、第一传力板(16)、第一预压弹簧片(15)；所述第一螺栓(14)与第一预压弹簧片(15)用螺纹固定，第一螺栓(14)与第一压电部件(13)、第一传力板(16)接触处无螺纹，第一压电部件(13)、第一传力板(16)可沿第一螺栓(14)滑动；所述第一预压弹簧片(15)将第一压电部件(13)、第一传力板(16)压紧在第一基座(11)上；所述的测量脉冲线圈(18)固定在第一传力板(16)上，所述的恒流线圈(17)固定在测量脉冲线圈(18)的下方或上方；工作时，所述的恒流线圈(17)中通入恒定直流电，测量脉冲线圈(18)中通入脉冲直流电；
所述的测量传感单元(2)包括第二基座(21)、第二外壳(22)、第二压电部件(23)、第二螺栓(24)、第二预压弹簧片(25)、第二传力板(26)、对照线圈(28)、质量块(29)；所述的第二基座(21)、第二压电部件(23)、第二预压弹簧片(25)、第二传力板(26)与对照传感单元(1)中的第一基座(11)、第一压电部件(13)、第一预压弹簧片(15)、第一传力板(16)，对应零部件结构相同；所述的第二螺栓(24)下端固定在第二基座(21)上，从下往上依次穿过第二压电部件(23)、第二传力板(26)、质量块(29)、第二预压弹簧片(25)；所述第二螺栓(24)与第二预压弹簧片(25)用螺纹固定，第二螺栓(24)与第二压电部件(23)、第二传力板(26)、质量块(29)接触处无螺纹，第二压电部件(23)、第二传力板(26)、质量块(29)可沿第二螺栓(24)滑动；所述第二预压弹簧片(25)将第二压电部件(23)、第二传力板(26)、质量块(29)压紧在第二基座(21)上；所述的对照线圈(28)，结构与测量脉冲线圈(18)相同，固定在第二传力板(26)上，不通电。
所述的电路及处理单元(3)接收对照传感单元(1)中第一压电部件(13)和测量传感单元(2)中第二压电部件(23)的输出信号；通过比较第一压电部件(13)和第二压电部件(23)的输出信号，得到测量传感单元(2)中质量块(29)的受力，进而得到需测量的加速度数值。
2.根据权利要求1所述的压电式加速度传感器，其特征在于所述测量传感单元(2)有多个。
3.根据权利要求1所述的压电式加速度传感器，其特征在于所述的第一压电部件(13)和第二压电部件(23)都是由多层压电材料并连而成。
4.根据权利要求1所述的压电式加速度传感器，其特征在于所述的测量线圈(16)中通入的脉冲式直流电频率在10—1000Hz。
5.根据权利要求1所述的压电式加速度传感器，其特征在于所述的第一基座(11)、第一外壳(12)、第一螺栓(14)、第一预压弹簧片(15)、第一传力板(16)；第二基座(21)、第二外壳(22)、第二螺栓(24)、第二预压弹簧片(25)、第二传力板(26)、质量块(29)，采用非磁性材料或弱磁性材料制造。
6.根据权利要求5所述的压电式加速度传感器，其特征在于所述的第一螺栓(14)、第一预压弹簧片(15)、第二螺栓(24)、第二预压弹簧片(25)、质量块(29)采用钨制造；所述的第一基座(11)、第一外壳(12)、第一传力板(16)、第二基座(21)、第二外壳(22)、第二传力板(26)采用高温工程陶瓷材料制造。
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Application publication date: 20190709 |