CN112414538A - 一种超小三轴防水型压电振动传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种超小三轴防水型压电振动传感器，与上位机、待测件连接，所述传感器包括第一金属外壳、第二金属外壳、受感器、印制电路板、电缆；所述第一金属外壳和第二金属外壳为可互相配合拼接为方形壳体的三面结构，所述受感器和印制电路板安装在所述第一金属外壳和第二金属外壳构成的方形壳体内，与印制电路板通过方形壳体封闭连接的所述电缆安装在方形壳体外并与上位机信号连接；所述方形壳体与待测件之间固定连接。本发明通过将传感器分为两个开口宽敞的金属外壳进行分别加工，然后再对接密封加工为一个整体，实现了高精度加工的同时，减小了传感器的尺寸，同时增大了传感器的工作能力。

Description

一种超小三轴防水型压电振动传感器

技术领域

本发明属于传感器制造技术领域，具体地说，涉及一种超小三轴防水型压电振动传感器。

背景技术

振动传感器在众多领域有着广泛的应用，由于传感器设计结构的差异，其性能指标、应用范围、耐环境能力等都有所不同。近年来，振动传感器的小型化、集成化要求更加迫切，使用环境也更加严苛。目前，多数的多轴向集成化振动传感器的防护等级均不高，大多可实现几米水深的工作环境，随着水压的加大，水深的加深，对传感器的要求越高，实现难度越大。除此以外，现有的受感器结构体积较大，导致传感器的外形尺寸至少为15mm×15mm×15mm，传感器的工作频率上限仅为5k，频率响应误差至少在±10%以内。

发明内容

本发明针对现有的压电振动传感器体积过大导致工作频率上限较低且误差较大、防护级别不高，无法实现高水压的深水环境的工作等问题，提出了一种超小三轴防水型压电振动传感器，通过将传感器分为两个开口宽敞的金属外壳进行分别加工，然后再对接密封加工为一个整体，实现了高精度加工的同时，减小了传感器的尺寸，同时增大了传感器的工作能力。

本发明具体实现内容如下：

本发明提出了一种超小三轴防水型压电振动传感器，与上位机、待测件连接，所述传感器包括第一金属外壳、第二金属外壳、受感器、印制电路板、电缆；

所述第一金属外壳和第二金属外壳为可互相配合拼接为方形壳体的三面结构，所述受感器和印制电路板安装在所述第一金属外壳和第二金属外壳构成的方形壳体内，与印制电路板通过方形壳体封闭连接的所述电缆安装在方形壳体外并与上位机信号连接；

所述方形壳体与待测件之间固定连接。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述第二金属外壳的一个壳体面内侧设置凸台；所述受感器安装在凸台上，且与印制电路板连接。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述受感器为三组，设置在凸台上朝向X轴、Y轴和Z轴方向上，所述印制电路板同样设置三组，分别与受感器对应连接。

为了更好地实现本发明，进一步地，三组所述印制电路板中，对应X轴向的印制电路板安装在所述第二金属外壳上，三组印制电路板中对应Y轴向和Z轴向的印制电路板分别安装在第一金属外壳上。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述受感器包括压电敏感元件、质量块、预紧筒；所述电敏感元件、质量块、预紧筒为三层紧密贴合构成一体化受感器的环形结构。

为了更好地实现本发明，进一步地，还包括金属护套，所述金属护套安装在第二金属外壳外上；所述电缆通过金属护套与位于方形壳体内的印制电路板连接。

为了更好地实现本发明，进一步地，还包括测试安装孔，所述测试安装孔设置在方形壳体上。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述测试安装孔有两组，分别设置在所述第二金属外壳上未安装金属护套的两个壳体面外侧。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述第一金属外壳和第二金属外壳构成的方形壳体尺寸为10mm×10mm×10mm。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述第一金属外壳和第二金属外壳构成的方形壳体尺寸为10mm×10mm×10mm，所述第二金属外壳上设置直径6mm的圆孔，所述金属护套的内直径为6mm，与第二金属外壳上的圆孔匹配密封安装，所述金属护套的最外端设置内直径为5mm的圆孔；所述电缆穿过第二金属外壳和金属护套上的圆孔与位于方形壳体内的印制电路板连接；且在金属护套与电缆的间隙处填充有防水胶粘剂用于固定和密封电缆。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述印制电路板采用IEPE形式的模拟电路，包括有场效应管和阻容器件的电荷信号放大电路和转换电路。

本发明与现有技术相比具有以下优点及有益效果：

本发明所设计的传感器采用的是新型受感器结构，该受感器体积小、质量轻，在实现传感器的小型化功能的同时，提升了传感器的工作频率范围及响应误差，频率响应上限可达7k，频率响应误差可控制在±5%以内，传感器的外形尺寸仅为10mm×10mm×10mm（不包含电缆部分），以该新型的受感器结构设计的传感器具体很广泛的使用范围，不仅可以用于工业测控领域，还可应用于航空航天领域，用以测试微弱的振动信号。传感器完成装配后，可以在百米水深下正常工作，可工作的环境温度为-55℃~125℃，可测量的频率响应范围为10Hz~7000Hz，输出的电压灵敏度为100mv/g。

附图说明

图1为本发明装置结构主视剖面图；

图2为本发明测试安装孔安装的安装示意图；

图3为本发明测试信号连接流转示意图；

图4为本发明简易的印制电路板的电路原理示意图。

其中：1、第一金属外壳，2、第二金属外壳，3、受感器，301、压电敏感元件，302、质量块、303、预紧筒，4、印制电路板，5、金属护套，6、电缆，7、测试安装孔。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术工作人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；也可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1：

本实施例提出了一种超小三轴防水型压电振动传感器，与上位机、待测件连接，所述传感器包括第一金属外壳1、第二金属外壳2、受感器3、印制电路板4、电缆6；

所述第一金属外壳1和第二金属外壳2为可互相配合拼接为方形壳体的三面结构，所述受感器3和印制电路板4安装在所述第一金属外壳1和第二金属外壳2构成的方形壳体内，与印制电路板4通过方形壳体封闭连接的所述电缆6安装在方形壳体外并与上位机信号连接；

所述受感器3包括压电敏感元件301、质量块302、预紧筒303；所述电敏感元件301、质量块302、预紧筒303为三层紧密贴合构成一体化受感器的环形结构；所述压电敏感元件301和所述质量块303通过预紧筒303整体固定在第二金属外壳2的凸台上；

所述方形壳体与待测件之间固定连接；

所述第一金属外壳1和第二金属外壳2构成的方形壳体尺寸为10mm×10mm×10mm。

工作原理：本传感器采用全密封设计，满足IP68防护等级，可在百米水深的环境下使用。本发明壳体采用激光焊接的方式保证气密性，并对焊接处进行气密性检查处理；电缆处采用防水胶粘剂的密封方式进行防水性设计，以保证传感器的防水性能。相比于现有技术，本发明的传感器可以在100米水深下正常工作，而现有的电压信号输出的传感器则大多只能承受几米水深。

本发明所设计的传感器采用的是新型受感器结构，该受感器体积小、质量轻，在实现传感器的小型化功能的同时，提升了传感器的工作频率范围及响应误差，频率响应上限可达7k，频率响应误差可控制在±5%以内，传感器的外形尺寸仅为10mm×10mm×10mm（不包含电缆部分），以该新型的受感器结构设计的传感器具体很广泛的使用范围，不仅可以用于工业测控领域，还可应用于航空航天领域，用以测试微弱的振动信号。而现有的受感器结构体积较大，导致传感器的外形尺寸至少为15mm×15mm×15mm，传感器的工作频率上限仅为5k，频率响应误差至少在±10%以内。

本发明所设计的传感器采用的是新型结构的壳体设计，由于传感器的体积较小，内部空间小，装配难度很大，为了实现可操作性，壳体采用分体式的对接方式，即两个壳体分别为三个面，采用焊接的方式进行对接，这种方式将内部腔体充分的暴露出来，大大了降低了装配难度，确保了传感器的装配性。而现有的壳体方式即采用圆形盖板的方式，该种方式内部腔体暴露较小，在如此小的传感器体积下几乎无法操作。

全金属外壳密封，将电路板直接固定在第一金属外壳1和第二金属外壳2内，无需专门的机械固定构件，满足耐受严酷的电磁环境、水下工作环境、机械应力环境等要求。

实施例2：

本实施例在上述实施例1的基础上，为了更好地实现本发明，进一步地，所述第二金属外壳2的一个壳体面内侧设置凸台；所述受感器3安装在凸台上，且与印制电路板连接。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述受感器3为三组，设置在凸台上朝向X轴、Y轴和Z轴方向上，所述印制电路板4同样设置三组，分别与受感器3对应连接。

为了更好地实现本发明，进一步地，三组所述印制电路板4中，对应X轴向的印制电路板4安装在所述第二金属外壳2上，三组印制电路板4中对应Y轴向和Z轴向的印制电路板4分别安装在第一金属外壳1上。

工作原理：第二金属外壳2的内部凸台上分别安装着三个受感器3，第二金属外壳2的一个壳体面固定着X轴向的用于信号调理的印制电路板4，第二金属外壳1的两个壳体面上分别固定着Y轴向、Z轴向的印制电路板4，受感器3与印制电路板4之间采用导线连接，第一金属外壳1与第二金属外壳2采用激光焊接的方式形成刚性连接。

本实施例的其他部分与上述实施例1相同，故不再赘述。

实施例3：

本实施例在上述实施例1-2任一项的基础上，为了更好地实现本发明，进一步地，还包括金属护套5，所述金属护套5安装在第二金属外壳2外上；所述电缆6通过金属护套5与位于方形壳体内的印制电路板4连接。

本实施例的其他部分与上述实施例1-2任一项相同，故不再赘述。

实施例4：

本实施例在上述实施例1-3任一项的基础上，为了更好地实现本发明，进一步地，还包括测试安装孔7，所述测试安装孔7设置在方形壳体上。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述测试安装孔7有两组，分别设置在所述第二金属外壳2上未安装金属护套5的两个壳体面外侧。

工作原理：通过第二金属外壳2上的安装测试孔将产品安装在振动测试夹具上，振动测试夹具具有三轴向的测试功能，通过改变金属壳体2两个安装孔在振动测试夹具上的安装位置实现三个轴向的性能测试。

本实施例的其他部分与上述实施例1-3任一项相同，故不再赘述。

实施例5：

本实施例在上述实施例1-4任一项的基础上，为了更好地实现本发明，进一步地，所述第一金属外壳1和第二金属外壳2构成的方形壳体尺寸为10mm×10mm×10mm，所述第二金属外壳2上设置直径6mm的圆孔，所述金属护套5的内直径为6mm，与第二金属外壳2上的圆孔匹配密封安装，所述金属护套5的最外端设置内直径为5mm的圆孔；所述电缆6穿过第二金属外壳2和金属护套5上的圆孔与位于方形壳体内的印制电路板4连接；且在金属护套5与电缆6的间隙处填充有防水胶粘剂用于固定和密封电缆。

本实施例的其他部分与上述实施例1-4任一项相同，故不再赘述。

实施例6：

本实施例在上述实施例1-5任一项的基础上，如图4所示，为了更好地实现本发明，进一步地，所述印制电路板4采用IEPE形式的模拟电路，包括有场效应管和阻容器件的电荷信号放大电路和转换电路。

工作原理：在传感器工作时，通过安装螺钉将传感器与被测对象形成刚性连接，被测对象的振动信号通过传感器的第二金属外壳2传递给受感器3，受感器组合将感受到的振动信号转化成电荷信号输出，并通过导线输出给印制电路板4，印制电路板4对电荷信号进行放大处理后传输的电缆，最终通过电缆输出给后端信号采集系统进行分析处理。

传感器电路部分的实施示意图见图4所示，电路采用模拟电路，且为IEPE形式，利用场效应管和阻容器件共同构建的电路原理实现了电荷信号的放大及转换功能。

本实施例的其他部分与上述实施例1-5任一项相同，故不再赘述。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超小三轴防水型压电振动传感器，与上位机、待测件连接，其特征在于，包括第一金属外壳（1）、第二金属外壳（2）、受感器（3）、印制电路板（4）、电缆（6）；

所述第一金属外壳（1）和第二金属外壳（2）为可互相配合拼接为方形壳体的三面结构，所述受感器（3）和印制电路板（4）安装在所述第一金属外壳（1）和第二金属外壳（2）构成的方形壳体内，与印制电路板（4）通过方形壳体封闭连接的所述电缆（6）安装在方形壳体外并与上位机信号连接；

所述方形壳体与待测件之间固定连接。

2.如权利要求1所述的一种超小三轴防水型压电振动传感器，其特征在于，所述第二金属外壳（2）的一个壳体面内侧设置凸台；所述受感器（3）安装在凸台上，且与印制电路板连接。

3.如权利要求2所述的一种超小三轴防水型压电振动传感器，其特征在于，所述受感器（3）为三组，设置在凸台上朝向X轴、Y轴和Z轴方向上，所述印制电路板（4）同样设置三组，分别与受感器（3）对应连接；

三组所述印制电路板（4）中，对应X轴向的印制电路板（4）安装在所述第二金属外壳（2）上，三组印制电路板（4）中对应Y轴向和Z轴向的印制电路板（4）分别安装在第一金属外壳（1）上。

4.如权利要求3所述的一种超小三轴防水型压电振动传感器，其特征在于，所述受感器（3）包括压电敏感元件（301）、质量块（302）、预紧筒（303）；所述电敏感元件（301）、质量块（302）、预紧筒（303）为三层紧密贴合构成一体化受感器的环形结构。

5.如权利要求1-4任一项所述的一种超小三轴防水型压电振动传感器，其特征在于，还包括金属护套（5），所述金属护套（5）安装在第二金属外壳（2）外上；所述电缆（6）通过金属护套（5）与位于方形壳体内的印制电路板（4）连接。

6.如权利要求5所述的一种超小三轴防水型压电振动传感器，其特征在于，还包括测试安装孔（7），所述测试安装孔（7）设置在方形壳体上。

7.如权利要求6所述的一种超小三轴防水型压电振动传感器，其特征在于，所述测试安装孔（7）有两组，分别设置在所述第二金属外壳（2）上未安装金属护套（5）的两个壳体面外侧。

8.如权利要求1-4任一项所述的一种超小三轴防水型压电振动传感器，其特征在于，所述第一金属外壳（1）和第二金属外壳（2）构成的方形壳体尺寸为10mm×10mm×10mm。

9.如权利要求7所述的一种超小三轴防水型压电振动传感器，其特征在于，所述第一金属外壳（1）和第二金属外壳（2）构成的方形壳体尺寸为10mm×10mm×10mm，所述第二金属外壳（2）上设置直径6mm的圆孔，所述金属护套（5）的内直径为6mm，与第二金属外壳（2）上的圆孔匹配密封安装，所述金属护套（5）的最外端设置内直径为5mm的圆孔；所述电缆（6）穿过第二金属外壳（2）和金属护套（5）上的圆孔与位于方形壳体内的印制电路板（4）连接；且在金属护套（5）与电缆（6）的间隙处填充有防水胶粘剂用于固定和密封电缆。

10.如权利要求1-4任一项所述的一种超小三轴防水型压电振动传感器，其特征在于，所述印制电路板（4）采用IEPE形式的模拟电路，包括有场效应管和阻容器件的电荷信号放大电路和转换电路。

Images