CN109995215A - 压电与电磁耦合振动传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种压电与电磁耦合振动传感器，包括筒体，所述筒体内构成密封的共振腔，在筒体内设置有电磁振动系统和压电振动系统；外界振动引起电磁振动系统振动产生电磁电信号，电磁振动系统振动时引起共振腔中的气流波动使压电振动系统发生振动产生压电电信号，实现电磁电信号与压电电信号的耦合。本发明电磁振动传感器和压电振子安装于筒体内密封的共振腔中，电磁振动传感器的弹簧——质量振动系统在外界振动作用下产生振动，引起腔体中气流波动，气流波动带动压电振子振动产生压电电信号，两种效应处于同频振动，避免信号之间的频差，便于信号的后期处理。
Description
技术领域
本发明涉及振动传感器，具体为一种压电与电磁耦合振动传感器。本发明可以用于各种振动检测，如各种地质条件的地质勘探、设备振动、地震监测等方面。尤其适用于水声领域的振动监测和海洋、湖泊、沼泽等环境的地震勘探。
背景技术
电磁振动传感器是一种将振动能量转换为电能的机电转换装置。线圈悬挂于由永磁体所形成的间隙磁场中，振动使线圈与磁体之间产生相对运动，线圈切割磁力线在线圈中产生感应电动势，输出形成电信号。线圈架由弹簧悬挂在振动激励作用下产生往复运动，线圈架采用金属制作，在运动过程中使线圈架在磁场作用线产生电涡流，反过来在磁场中的涡流又使线圈架产生阻尼力，阻止线圈架振动。
根据法拉第电磁感应定律，金属线圈长度为L垂直于磁通密度B，又垂直于速度v运动，在线圈的两端产生一电动势，可按下式计算：
V＝vBL
电压值正比于地震能量引起的线圈对于磁体的相对速度，可以假设磁通密度基本上为一常量，可以完成一个电路来监测振动传感器产生的电压信号，此信号用以探测产生振动结构的特性。
压电式振动传感器是基于压电效应的传感器。它的敏感元件由压电材料制成，是一种自发电式和机电转换式传感器。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电压输出。主要用来测量振动、力等非电的物理量，优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮处理，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。
发明内容
本发明提出了一种压电与电磁耦合振动传感器，解决现有技术中的问题。
为了达到本发明的目的，本发明提出的方案如下：
一种压电与电磁耦合振动传感器，包括筒体，所述筒体内构成密封的共振腔，在筒体内设置有电磁振动系统和压电振动系统；外界振动引起电磁振动系统振动产生电磁电信号，电磁振动系统振动时引起共振腔中的气流波动使压电振动系统发生振动产生压电电信号，实现电磁电信号与压电电信号的耦合。
进一步的，所述电磁振动系统包括摆架和设置在摆架上的电磁振动传感器，所述摆架通过其两端的轴承支撑机构设置在筒体的壁孔上，摆架可保持电磁振动传感器始终垂直；在所述摆架两端设置转轴，转轴的外端连接接线柱，接线柱外端紧压弹簧压片；所述电磁振动传感器的电信号连接转轴，转轴将电信号传至接线柱，接线柱通过弹簧压片将电信号传出；所述压电振动系统包括两组压电振子，两组压电振子分别设置在筒体上下两端，压电振子的电信号通过筒壁上的绝缘端子输出。
进一步的，所述轴承支撑机构包括轴承座和设置在轴承座内的轴承，轴承座通过螺钉固定在筒体的壁孔上，摆架的两端设置在它们所对应的轴承中，所述弹簧压片通过螺钉固定在轴承座外壁并紧压在接线柱外。
进一步的，所述电磁振动传感器包括外壳、上磁靴、下磁靴、上线圈架、下线圈架、永磁体、上弹簧片、下弹簧片、上盖、下盖和弹簧卡圈；所述上盖、下盖均与外壳连接；上磁靴、下磁靴设置在永磁体上下端；上线圈架、下线圈架设置在外壳与上、下磁靴之间、套设在永磁体外，上线圈架、下线圈架上均绕设线圈；上、下线圈架通过上、下弹簧片和弹簧卡圈悬挂在永磁体外，上、下线圈架可以实现上下振动。
进一步的，所述压电振子包括压电圆片，压电圆片粘接于基板的上面或下面或上下两面，压电圆片上粘接有电极薄片。
进一步的，在所述上、下盖上开设有通气槽。
进一步的，所述压电圆片为压电陶瓷或压电聚合物。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明传感器将压电效应和电磁感应的两种耦合作用用于振动信号的检测，利用压电频带宽，信号失真小的特点，对高频信号起到补偿作用；利用电磁感应对低中频信号增益高，两者互补；本发明电磁振动传感器和压电振子安装于筒体内密封的共振腔中，电磁振动传感器的弹簧——质量振动系统在外界振动作用下产生振动，引起腔体中气流波动，气流波动带动压电振子振动产生压电电信号，两种效应处于同频振动，避免信号之间的频差，便于信号的后期处理。
2.本发明的电磁振动传感器利用电磁感应效应，在线圈架中产生感应涡流，从而产生阻尼力，可以保证振动系统具有合适的阻尼效应；这种阻尼作用可以保证压电振子的前后信号之间的干扰会很少，有助于提高信号的分辨度；电磁感应线圈的电感可以为压电信号提供阻抗，改善压电效应产生的直流响应差的特点，可以对电磁感应信号起到补偿作用，使整个传感器的灵敏度得到提升。
3.本发明的传感器的空腔体结构有利于水声方面的信号检测，使电磁振动传感器振动时同时激发压电振子振动，反过来密封腔体共振，气流推动弹簧——质量振动系统振动，同时使电磁振动传感器也产生电信号输出，这种相互作用使得本传感器不仅可以用于水下的水声信号检测，同时也可以用于陆地上的各种结构振动信号的检测；其信号可以得到有效地加强和互补作用。
4.本发明的电磁振动传感器安装在摆架结构上，任何时候都可保证电磁振动传感器处于垂直状态，可以有效保证电磁振动传感器的工作。
附图说明
图1为本发明一个实施例的整体结构示意图；
图2为图1的俯视图；
图3为本发明一个实施例的摆架结构示意图；
图4为本发明一个实施例的电磁振动传感器结构示意图；
图5为本发明一个实施例的上、下盖结构示意图；
图6为本发明一个实施例的压电振子结构示意图。
图中，1-筒体，2-摆架，3-电磁振动传感器，4-轴承支撑机构，5-转轴，6-接线柱，7-弹簧压片，8-压电振子，9-绝缘端子，10-轴承座，11-轴承，12-密封塞，13-外壳，14-上磁靴，15-下磁靴，16-上线圈架，17-下线圈架，18-永磁体，19-上弹簧片，20-下弹簧片，21-上盖，22-下盖，23-弹簧卡圈，24-线圈，25-通气槽，26-矩形卡圈，27-压电圆片，28-基板，29-电极薄片，30-接线板。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
本发明的基本思路和原理是：将压电振动传感器和电磁振动传感器复合一体，安装于筒体内密封的共振腔中，电磁振动传感器的弹簧——质量振动系统在外界振动作用下产生振动，引起腔体中气流波动，气流波动带动压电振子振动产生压电电信号，两种效应处于同频振动，避免信号之间的频差，便于信号的后期处理；两者相互之间耦合作用，有效提高振动传感器的接收灵敏度。
下面通过附图进一步说明：
参见图1和图2所示的一种压电与电磁耦合振动传感器，包括筒体1，所述筒体1内构成密封的共振腔，在筒体1内设置有电磁振动系统和压电振动系统；电磁振动系统包括摆架2和设置在摆架2上的电磁振动传感器3，摆架2通过其两端的轴承支撑机构4设置在筒体1的壁孔上，摆架2可保持其上的电磁振动传感器3始终垂直；在摆架2两端设置转轴5，转轴5的外端连接接线柱6，接线柱6外端紧压弹簧压片7；电磁振动传感器3的电信号连接至转轴5，转轴5将电信号传至接线柱6，接线柱6通过弹簧压片7将电信号传出；压电振动系统包括两组压电振子8，两组压电振子8分别设置在筒体1的上下两端，压电振子8的电信号通过筒壁上的绝缘端子9输出；所有的电信号输出通过导线连接在外部的接线板30上，实现信号的串并联。
参见图3，轴承支撑机构4包括轴承座10和设置在轴承座10内的轴承11，轴承座10通过螺钉固定在筒体1的壁孔上，摆架2的两端通过凸台结构设置在它们所对应的轴承11中，弹簧压片7通过螺钉固定在轴承座10外壁、并紧压在接线柱6外，在轴承座孔中设置密封塞12，保证筒体1中的密闭。
参见图4，电磁振动传感器3包括外壳13、上磁靴14、下磁靴15、上线圈架16、下线圈架17、永磁体18、上弹簧片19、下弹簧片20、上盖21、下盖22和弹簧卡圈23；上盖21、下盖22均与外壳13连接；上磁靴14、下磁靴15设置在永磁体18上下端；上线圈架16、下线圈架17设置在外壳13与上、下磁靴之间、套设在永磁体18外，上线圈架16、下线圈架17上均绕设线圈24；上、下线圈架通过上、下弹簧片和弹簧卡圈23悬挂在永磁体18外，上、下线圈架可以实现上下振动。参见图5，在上、下盖上开设有通气槽25，以保证内外通气。
参见图1和图6，两组压电振子8安装在筒体1的两端，采用矩形卡圈26进行固定，压电振子8包括压电圆片27和基板28，压电圆片27粘接于基板28的上面或下面或上下两面，压电圆片27上粘接有电极薄片29；压电圆片27为压电陶瓷或压电聚合物。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。
Claims (7)
1.一种压电与电磁耦合振动传感器，其特征在于：包括筒体，所述筒体内构成密封的共振腔，在筒体内设置有电磁振动系统和压电振动系统；外界振动引起电磁振动系统振动产生电磁电信号，电磁振动系统振动时引起共振腔中的气流波动使压电振动系统发生振动产生压电电信号，实现电磁电信号与压电电信号的耦合。
2.根据权利要求1所述压电与电磁耦合振动传感器，其特征在于：所述电磁振动系统包括摆架和设置在摆架上的电磁振动传感器，所述摆架通过其两端的轴承支撑机构设置在筒体的壁孔上，摆架可保持电磁振动传感器始终垂直；在所述摆架两端设置转轴，转轴的外端连接接线柱，接线柱外端紧压弹簧压片；所述电磁振动传感器的电信号连接转轴，转轴将电信号传至接线柱，接线柱通过弹簧压片将电信号传出；所述压电振动系统包括两组压电振子，两组压电振子分别设置在筒体上下两端，压电振子的电信号通过筒壁上的绝缘端子输出。
3.根据权利要求1或2所述压电与电磁耦合振动传感器，其特征在于：所述轴承支撑机构包括轴承座和设置在轴承座内的轴承，轴承座通过螺钉固定在筒体的壁孔上，摆架的两端设置在它们所对应的轴承中，所述弹簧压片通过螺钉固定在轴承座外壁并紧压在接线柱外。
4.根据权利要求3所述压电与电磁耦合振动传感器，其特征在于：所述电磁振动传感器包括外壳、上磁靴、下磁靴、上线圈架、下线圈架、永磁体、上弹簧片、下弹簧片、上盖、下盖和弹簧卡圈；所述上盖、下盖均与外壳连接；上磁靴、下磁靴设置在永磁体上下端；上线圈架、下线圈架设置在外壳与上、下磁靴之间、套设在永磁体外，上线圈架、下线圈架上均绕设线圈；上、下线圈架通过上、下弹簧片和弹簧卡圈悬挂在永磁体外，上、下线圈架可以实现上下振动。
5.根据权利要求4所述压电与电磁耦合振动传感器，其特征在于：所述压电振子包括压电圆片，压电圆片粘接于基板的上面或下面或上下两面，压电圆片上粘接有电极薄片。
6.根据权利要求5所述压电与电磁耦合振动传感器，其特征在于：在所述上、下盖上开设有通气槽。
7.根据权利要求7所述压电与电磁耦合振动传感器，其特征在于：所述压电圆片为压电陶瓷或压电聚合物。
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