CN113176422A - 一种三角剪切式电荷输出元件、压电加速度传感器及装配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及压电加速度传感器技术领域，尤其涉及一种三角剪切式电荷输出元件、压电加速度传感器及装配方法，包括基座、压电元件、导电片、质量块、绝缘片、预紧件和外壳。所述基座包括支撑部和正三棱柱状连接部，正三棱柱三个侧面加工为有坡度的坡面；所述压电元件套设在连接部外，压电元件与连接部之间形成间隙；所述导电片无间隙套接在压电元件内外表面；所述质量块无间隙套接在压电元件外表面的导电片；所述绝缘片插设于间隙，绝缘片为楔形块；所述预紧件挤压绝缘片的一端，以使绝缘片提供径向的预紧力紧固导电片、压电元件、质量块和基座；所述外壳环绕质量块设置。本发明设置多个压电元件并联输出，增大质量块，从而增大压电加速度传感器的灵敏度，压电元件与其它元件刚性接触，提升压电加速度传感器的频响特性及谐振。
Description
技术领域
本发明涉及压电加速度传感器技术领域，尤其涉及一种三角剪切式电荷输出元件、压电加速度传感器及装配方法。
背景技术
压电加速度传感器又称压电加速度计，也属于惯性式传感器。压电加速度传感器的原理是利用压电元件的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。
压电式加速度传感器的结构形式主要有压缩式、剪切式，和弯曲式三大类。剪切式压电加速度传感器结构简单，能做成极小型、高共振频率的加速度计，应用较为广泛。
围绕矿井水害防止的微震监测专用传感器存在灵敏度低、精度差等问题，其性能不能满足对矿井突水事件的准确预测预报。因此亟需一种高灵敏度、高精度、快速响应的用于矿井水害防治的微震监测用压电加速度传感器。
发明内容
本发明提出了一种三角剪切式电荷输出元件、压电式加速度传感器及装配方法。
一种压电式加速度传感器，包括基座、压电元件、导电片、质量块、绝缘片、预紧件和外壳。所述基座包括支撑部及位于支撑部上的正三棱柱状连接部，连接部上设置有沿连接部中心轴线轴向延伸形成的螺纹孔，正三棱柱三个侧面加工为有坡度的破面；所述压电元件套设在连接部外，压电元件与连接部之间形成间隙；所述导电片无间隙套接在压电元件内外表面；所述质量块无间隙套接在压电元件外表面的导电片；所述绝缘片插设于间隙，绝缘片为楔形块，绝缘片相对较薄的一端靠近支撑部；所述预紧件挤压绝缘片的一端，以使绝缘片提供径向的预紧力紧固导电片、压电元件、质量块和基座；所述外壳环绕质量块设置。
优选地，所述基座的正三棱柱状连接部为阶梯状结构，第一阶梯的三个侧面加工为斜坡面，斜坡面的坡度为85度；连接部上设置有沿连接部中心轴线轴向延伸形成的螺纹孔，与预紧件形成螺纹连接，安全可靠；基座的支撑部还包括输出插座和与外壳连接的螺纹连接部，并设置有沿支撑部中心轴线轴向延伸形成的底部螺纹孔，用于与被测对象固定连接，减少因连接问题引起的测量误差。
优选地，所述质量块为金属钨，圆柱状整体结构，中间孔对应基座连接部三个侧面设置。
优选地，所述压电元件为PZT-5H压电陶瓷，压电元件对应基座三棱柱的侧面分为三部分，每一部分包括四片压电陶瓷片，所述压电陶瓷片内外表面设有与之形成良好导电连接的导电片，多个所述导电片串联连接后经引线与所述基座输出插座的芯线导电连接，使多个压电陶瓷片并联输出。
优选地，所述绝缘片为氧化铝绝缘陶瓷，绝缘片的内侧面为斜坡面，斜坡面的坡度为85度。
优选地，所述导电片是含有贴合部和连接部的整体结构，导电片的贴合部尺寸大于或等于压电元件的尺寸，以使压电元件能够完全与导电片贴合部完全贴合；导电片也可以是分离结构，通过导线段电连接，以使各压电元件并联输出。
优选地，所述预紧件挤压绝缘片提供压电元件与导电片、绝缘片、质量块及基座之间的配合所需的径向力，即压电元件与导电片、绝缘片、质量块及基座之间为刚性接触，连接强度高，能够有效的提升电荷输出元件的整体刚度，继而提升压电加速度传感器的频响特性及谐振。
优选地，所述外壳环绕质量块设置，并与基座通过螺纹连接，安全可靠，提升传感器的谐振频率。
本发明实施例一个方面提出了三角剪切式电荷输出元件，包括基座、压电元件、导电片、质量块、绝缘片及预紧件，压电元件与导电片、绝缘片、质量块及基座之间的配合需预紧件挤压绝缘片提供的径向力连接，即压电元件与导电片、绝缘片、质量块及基座之间为刚性接触，连接强度高，能够有效的提升电荷输出元件的整体刚度，继而提升压电加速度传感器的频响特性及谐振。
本发明实施例另一方面提出了一种压电加速度传感器的装配方法，包括如下步骤：
a.在基座上加一个可以分离的平板；
b.将质量块套设在基座上，并形成空隙；
c.在上述空隙内三个侧面分别先后插入导电片、压电元件和导电片，并在导电片和基座连接部之间保留足够间隙；
d.在上述间隙内插入绝缘片，保证绝缘片和基座连接部两个坡面紧密贴合；
e.将预紧件连接在基座连接部上，向下挤压绝缘片，最终使压电元件等部件紧密贴合在基座上，形成过盈配合；
f.将之前加的平板去掉后，安装外壳。
本发明的一种三角剪切式电荷输出元件、压电式加速度传感器及装配方法的优点在于：
(1)本发明专利采用三角剪切结构，加速度传感器感受轴向振动时，压电元件承受切应力，压电元件与基座隔离，负载引起的基座应力变化不会影响到压电元件的变化，对瞬态温度引起的基座变形也具有很好的隔离，有效补偿了瞬态温度对压电元件的影响。保证环形剪切式压电加速传感器的频率响应及横向灵敏度的稳定性，进而保证检测结果的准确性。
(2)本发明专利将原本三块分离的质量块改为一个整体，增大质量块的质量，提升传感器的灵敏度。
(3)本发明专利将基座连接部三个侧面设置压电元件，充分利用空间，通过各压电元件并联设置，能够增大电荷输出元件的灵敏度，继而增大压电加速度传感器的灵敏度。
(4)本发明专利将预紧件挤压绝缘片产生径向力预紧基座、绝缘片、导电片、压电元件和质量块，通过调节预紧件的转动角度可以调节预紧径向力，从而调节压电式加速度传感器可承受的振动加速度的大小。
附图说明
图1为本发明实施例的压电加速度传感器结构示意图；
图2为本发明实施例的压电加速度传感器刨面结构示意图；
图3为本发明实施例的三角剪切式电荷输出元件的结构示意图
图4为本发明实施例的基座的结构示意图；
图5为本发明实施例的质量块的结构示意图；
图6为本发明实施例的导电片的结构示意图；
图中：1.基座；2.外壳；3.质量块；4.导电片；5.压电元件；6.绝缘片；7.预紧件；11.基座输出插座；12.基座支撑部；13.基座螺纹连接处；14.基座正三棱柱状连接部；31.质量块内表面；32.质量块外表面；41.导电片连接部；42.导电片贴合部。
具体实施方式
本发明提出了一种三角剪切式电荷输出元件、压电式加速度传感器及装配方法。
一种压电式加速度传感器，包括基座1、压电元件5、导电片4、质量块3、绝缘片6、预紧件7和外壳2。所述基座1包括支撑部12及位于支撑部上的正三棱柱状连接部14，连接部14上设置有沿连接部中心轴线轴向延伸形成的螺纹孔，正三棱柱三个侧面加工为有坡度的破面；所述压电元件5套设在连接部外，压电元件与连接部之间形成间隙；所述导电片4无间隙套接在压电元件5内外表面；所述质量块3无间隙套接在压电元件5外表面的导电片4；所述绝缘片6插设于间隙，绝缘片为楔形块，绝缘片相对较薄的一端靠近支撑部；所述预紧件7挤压绝缘片的一端，以使绝缘片提供径向的预紧力紧固导电片、压电元件、质量块和基座；所述外壳2环绕质量块设置。
优选地，所述基座1的正三棱柱状连接部14为阶梯状结构，第一阶梯的三个侧面加工为斜坡面，斜坡面的坡度为85度，斜坡面挤压绝缘片6，从而提供径向的预紧力；连接部上设置有沿连接部中心轴线轴向延伸形成的螺纹孔，与预紧件7形成螺纹连接，安全可靠；基座的支撑部12还包括输出插座11和与外壳连接的螺纹连接部13，并设置有沿支撑部中心轴线轴向延伸形成的底部螺纹孔，用于与被测对象固定连接，减少因连接问题引起的测量误差。
优选地，所述质量块3为金属钨，圆柱状整体结构，中间孔对应基座连接部三个侧面设置。
优选地，所述压电元件5为PZT-5H压电陶瓷，压电元件对应基座三棱柱的侧面分为三部分，每一部分包括四片压电陶瓷片，所述压电陶瓷片内外表面设有与之形成良好导电连接的导电片4，多个所述导电片串联连接后经引线与所述基座输出插座11的芯线导电连接，使多个压电陶瓷片并联输出。并且通过多个压电陶瓷片并联能够增大电荷输出元件的灵敏度，改善电荷输出元件的抗干扰能力。压电元件5在另一些实施例中，还可以采用压电单晶体和其他压电陶瓷，如石英晶体、铋层状陶瓷或铌酸锂等。
优选地，所述绝缘片6为氧化铝绝缘陶瓷，绝缘片的内侧面为斜坡面，斜坡面的坡度为85度，因此绝缘片的一端的厚度大于另一端的厚度。绝缘片6套设于基座连接部14，位于连接部14与导电片4之间。绝缘片6的设置可以避免压电组件的电荷向基座连接部11发生移动，进而可以提高压电加速度传感器的测量精度。
优选地，所述导电片4是含有贴合部42和连接部41的整体结构，导电片4的贴合部42尺寸大于或等于压电元件的尺寸，以使压电元件能够完全与导电片贴合部完全贴合；导电片也可以是分离结构，通过导线段电连接，以使各压电元件并联输出。
优选地，所述预紧件7包括相互连接的柱状部和止挡部，柱状部与正三棱柱上安装孔配合锁固上述各个元件，止挡部挤压绝缘片6的一端，以使绝缘片提供径向的预紧力紧固基座1、质量块3、导电片4和压电元件5，即压电元件与导电片、绝缘片、质量块及基座之间为刚性接触，连接强度高，能够有效的提升电荷输出元件的整体刚度，继而提升压电加速度传感器的频响特性及谐振。预紧件7在与螺纹孔连接前经过热处理，热处理有利于提高预紧件7的机械性能，防止在拧动预紧件7的过程中发生形变。
优选地，所述外壳2环绕质量块设置，并与基座1通过螺纹连接，安全可靠，提升传感器的谐振频率。外壳2与基座1形成屏蔽空间，基座1的连接部14、绝缘片6、导电片4、压电元件5与质量块3均位于屏蔽空间内，防止外部信号干扰传感器的灵敏度。
本发明实施例一个方面提出了三角剪切式电荷输出元件，包括基座1、压电元件5、导电片4、质量块3、绝缘片6及预紧件7，压电元件5与导电片4、绝缘片6、质量块3及基座1之间的配合需预紧件挤压绝缘片提供的径向力连接，即压电元件与导电片、绝缘片、质量块及基座之间为刚性接触，连接强度高，能够有效的提升电荷输出元件的整体刚度，继而提升压电加速度传感器的频响特性及谐振。
本发明实施例另一方面提出了一种压电加速度传感器的装配方法，用于对上述实施例的压电加速度传感器进行装配，具体操作步骤如下：：
a.在基座1上加一个可以分离的平板；
b.将质量块3套设在基座1上，并形成空隙；
c.在上述空隙内三个侧面分别先后插入导电片4、压电元件5和导电片4，并在导电片4和基座连接部14之间保留足够间隙；
d.在上述间隙内插入绝缘片，保证绝缘片6和基座连接部14两个坡面紧密贴合；
e.将预紧件7连接在基座连接部14上，向下挤压绝缘片6，最终使压电元件等部件紧密贴合在基座1上，形成过盈配合；
f.将之前加的平板去掉后，安装外壳2，完成压电加速度传感器的装配。
本发明实施例提供的压电加速度传感器的装配方法，无需通过冷装或热装工艺对压电加速度传感器进行装配，仅需一个可以分离的平板即可完成对压电加速度传感器的装配，相对于现有技术中通过冷装或热装工艺的装配结合的形式，效率更高，安装周期更短。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
Claims (6)
1.一种三角剪切式电荷输出元件、压电加速度传感器及装配方法，其特征在于，包括：基座1、压电元件5、导电片4、质量块3、绝缘片6、预紧件7和外壳2。所述基座1包括支撑部12及位于支撑部上的正三棱柱状连接部14，连接部14上设置有沿连接部中心轴线轴向延伸形成的螺纹孔，正三棱柱三个侧面加工为有坡度的坡面；所述压电元件5套设在连接部外，压电元件与连接部之间形成间隙；所述导电片4无间隙套接在压电元件5内外表面；所述质量块3无间隙套接在压电元件5外表面的导电片4；所述绝缘片6插设于间隙，绝缘片为楔形块，绝缘片相对较薄的一端靠近支撑部；所述预紧件7挤压绝缘片的一端，以使绝缘片提供径向的预紧力紧固导电片、压电元件、质量块和基座；所述外壳2环绕质量块设置。
2.根据权利要求1所述的一种三角剪切式电荷输出元件、压电加速度传感器及装配方法，其特征在于，所述基座1的正三棱柱状连接部14为阶梯状结构，第一阶梯的三个侧面加工为斜坡面，斜坡面的坡度为85度；连接部上设置有沿连接部中心轴线轴向延伸形成的螺纹孔，与预紧件7形成螺纹连接；基座的支撑部12还包括输出插座11和与外壳连接的螺纹连接部13，并设置有沿支撑部中心轴线轴向延伸形成的底部螺纹孔。
3.根据权利要求1所述的一种三角剪切式电荷输出元件、压电加速度传感器及装配方法，其特征在于，所述压电元件5为PZT-5H压电陶瓷，压电元件对应基座三棱柱的侧面分为三部分，每一部分包括四片压电陶瓷片，所述压电陶瓷片内外表面设有与之形成良好导电连接的导电片4，多个所述导电片串联连接后经引线与所述基座输出插座11的芯线导电连接，使多个压电陶瓷片并联输出。
4.根据权利要求1所述的一种三角剪切式电荷输出元件、压电加速度传感器及装配方法，其特征在于，所述质量块3为金属钨，圆柱状整体结构，中间孔对应基座连接部三个侧面设置。
5.根据权利要求1所述的一种三角剪切式电荷输出元件、压电加速度传感器及装配方法，其特征在于，所述绝缘片6为氧化铝绝缘陶瓷，绝缘片的内侧面为斜坡面，斜坡面的坡度为85度。
6.一种根据权利要求1至5任意一项所述的压电加速度传感器的装配方法，其特征在于，包括如下步骤：
a.在基座上加一个可以分离的平板；
b.将质量块套设在基座上，并形成空隙；
c.在上述空隙内三个侧面分别先后插入导电片、压电元件和导电片，并在导电片和基座连接部之间保留足够间隙；
d.在上述间隙内插入绝缘片，保证绝缘片和基座连接部两个坡面紧密贴合；
e.将预紧件连接在基座连接部上，向下挤压绝缘片，最终使压电元件等部件紧密贴合在基座上，形成过盈配合；
f.将之前加的平板去掉后，安装外壳。
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