CN113267647A - 一种低频振动加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及传感器领域，具体涉及一种低频振动加速度传感器，包括底座，所述底座上固定连接有压电陶瓷，所述压电陶瓷固定连接有质量块，所述压电陶瓷、所述质量块与所述底座组成悬臂梁结构，所述压电陶瓷与底座之间设置有第一弹簧，所述第一弹簧的一端与所述底座连接，所述第一弹簧的另一端与所述质量块连接。本发明所提供的技术方案能够实现根据实际工程需要调整传感器的谐振频率，以保证传感器在工作中能够准确测量待测元件振动过程中加速度的速度；在使传感器能够测量频率更低的振动的传感器的同时，还能够减少传感器内压电陶瓷断裂的风险。

Description

一种低频振动加速度传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器，特别是一种低频振动加速度传感器。

背景技术

为了减少地铁列车经过时产生的振动与噪音，地铁的轨道设置在道床上，道床与地面之间设置有隔振装置，隔振装置用于支撑道床，隔振装置内设置有隔振元件(多为弹簧)，列车经过轨道之后产生的振动经过隔振装置之后再传递至地面，由于隔振元件的振动频率远小于列车经过时所产生的振动，因此能够减少列车经过时传递至地面的振动，减少噪音。

在隔振元件工作的过程中，可能会因为长时间受到较大的力而出现断裂的情况，因此需要检测隔振元件在工作时受到的压力，其方式之一是先测量隔振元件的振动加速度，之后根据振动加速度计算出隔振元件所受的压力。目前测量振动加速度的传感器内部具有压电陶瓷，压电陶瓷在跟随隔振元件振动的过程中会因隔振元件的加速度而产生变形、受到力的作用，压电陶瓷在受力后会产生与受力大小成正比的电压，通过测量该电压大小便能计算出振动的加速度的大小；但是压电陶瓷是脆性材料，若其受到较大冲击，在发生变形时容易被破坏。

振动加速度传感器能够准确测量不同频率下的振动加速度信号；振动加速度传感器的频率响应范围与振动加速度传感器的谐振频率有关，振动加速度传感器的谐振频率越大，其频率响应范围越宽，但在低频(频率在0.001Hz～10Hz) 的信噪就会较低；振动加速度传感器的谐振频率低，对于测量更低频率的振动的加速度有着更好的信噪比，但是却会容易限制振动测试频率范围。因此调控好传感器系统的谐振频率，对于测量低频加速度信号至关重要。

振动加速度传感器的谐振频率与振动加速度传感器的结构有关，目前的振动加速度传感器的频率响应范围均是不可改变的，而隔振元件在工作时的振动频率是变化的，因此，隔振元件的振动频率可能会超出(低于)现有的振动加速度传感器的频率响应范围，导致振动加速度传感器所测得的隔振元件的振动加速度不够准确，最终计算出的隔振元件的受力不够精准；并且在实际工作中，弹性元件振动的频率越低，则弹性元件所受的压力越大，越容易出现断裂的情况；弹性元件所受的压力越大，其振动的加速度也越大，用于测量的振动加速度传感器内的压电陶瓷所受的力也越大，越可能出现断裂的情况。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有的低频振动加速度传感器的频率响应范围是固定的，不能根据实际工程需要改变其所适用的振动的频率范围，导致测得的数据不准确的问题；以及待测元件的加速度较大时，容易造成压电陶瓷断裂的问题，提供一种低频振动加速度传感器。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种低频振动加速度传感器，包括底座，所述底座上固定连接有压电陶瓷，所述压电陶瓷固定连接有质量块，所述压电陶瓷、所述质量块与所述底座组成悬臂梁结构，所述压电陶瓷与底座之间设置有第一弹簧，所述第一弹簧的一端与所述底座连接，所述第一弹簧的另一端与所述质量块连接。

采用本技术方案提供的一种低频振动加速度传感器，通过压电陶瓷、质量块与底座组成的悬臂梁结构，能够用于测量低频振动的加速度，通过设置质量块，能够增加压电陶瓷跟随待测元件振动时的形变，从而产生更大的电压，使本发明提供的传感器对振动更加敏感，提高传感器的灵敏度；通过改变第一弹簧的弹性系数，能够实现改变传感器结构的谐振频率，进而改变传感器的频率响应范围，从而在使用传感器之前根据待测元件工作时可能产生的振动频率的范围，选择合适弹性系数的第一弹簧，能够改变传感器的谐振频率，使传感器的频率响应范围能够包含待测元件振动的频率，避免根据传感器测量的数值计算得到的弹性元件的受力不准确，从而对待测元件的受力进行精准的监控；此外，当传感器受到较大冲击时，压电陶瓷与质量块之间会产生较大的相互作用力，压电陶瓷出现过载、发生较大的变形，此时，第一弹簧能够为质量块提供与冲击方向相同的力，以减小质量块与压电陶瓷之间的力，减少压电陶瓷的变形，降低了压电陶瓷断裂的风险，从而避免待测元件在受到冲击时，本技术方案提供的低频振动传感器中的压电陶瓷断裂，提高了传感器的耐冲击性能与抗过载性能，避免了因需要频繁更换传感器而导致监控待测元件振动过程中加速度变化的成本增加。

综上所述，本技术方案提供的振动加速度传感器不仅能够测量频率较低的振动的加速度，还能够提在测量频率较低的振动的加速度时，振动加速度传感器的承载能力，避免压电陶瓷损坏。

作为本发明的优选方案，所述底座还连接有外壳，所述外壳与所述底座围成腔体，所述压电陶瓷与所述第一弹簧位于所述腔体内。

通过设置外壳，压电陶瓷位于外壳内，能够保护压电陶瓷，避免压电陶瓷受到损伤。

作为本发明的优选方案，所述外壳与所述压电陶瓷之间设置有第二弹簧，所述第二弹簧的两端分别与所述外壳和所述质量块连接，所述第二弹簧与所述第一弹簧分别位于所述质量块的上下侧。

通过设置第二弹簧，能够避免质量块在向上运动(向远离第一弹簧的一侧运动)的过程中，如在传感器倾倒、翻转或掉落时，质量块向上的加速度大，造成压电陶瓷的较大变形，导致压电陶瓷断裂的情况。

作为本发明的优选方案，所述压电陶瓷为圆形，所述质量块为环状，所述质量块套设连接于所述压电陶瓷的外缘。

通过将压电陶瓷按照悬臂梁的方式进行组装，并且是环形的悬臂梁方式，极大的增加了陶瓷随振动的形变，可以响应更低频率的振动；采用圆形的压电陶瓷以及环状的质量块，还能够减少测量结果的横向偏差。

横向偏差存在于目前现有的由长方体状的压电陶瓷所组成悬臂梁的传感器中，现有的悬臂梁式传感器采用一根杆加一个质量块，传感器内部结构的质量分布不均匀、重心难以确认，对传感器的不同地方施加相同的加速度，现有的悬臂梁式传感器的响应结果不一致，导致测量结果存在横向偏差。采用环形的质量块与圆形的压电陶瓷，能够形成环形的悬臂梁，相较于现有传感器中的悬臂梁结构，本方案的传感器的环形悬臂梁在使用过程中更加的平衡与稳定、受力更加均匀，对传感器不同地方施加相同的加速度，环形悬臂梁的响应都很一致，不存在横向偏差。

作为本发明的优选方案，所述压电陶瓷与所述质量块粘接连接。

质量块与压电陶瓷采用粘接的方式连接，彼此之间不会相互运动，测得的待测元件的加速度更加准确。

作为本发明的优选方案，所述压电陶瓷的数量为两个，两个所述压电陶瓷重叠后与所述底座固定连接。

通过两个压电陶瓷重合，能够产生更大的电压，同时两个压电陶瓷重叠之后相较于单个压电陶瓷，受力之后变形量更小，能够有效防止压电陶瓷因受到的压力过大而断裂。

作为本发明的优选方案，所述压电陶瓷设置有螺钉过孔，所述压电陶瓷与所述底座通过螺钉固定连接。

压电陶瓷与底座通过螺钉连接，能够拆卸，便于更换第一弹簧。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

通过采用了环形的悬臂梁结构，消除了传感器的横向误差；传感器的结构决定了传感器的谐振频率，传感器的谐振频率决定了传感器的频率响应范围，通过设置第一弹簧与第二弹簧，通过改变第一弹簧与第二弹簧的刚度，阻尼等参数，能够改变传感器的谐振频率，进而改变传感器的频率响应范围，使其能够测量更低频率的振动的加速度，可以改善悬臂梁结构频率响应误差较大的问题；通过更换第一弹簧的弹性系数改变本发明提供的振动加速度传感器的频率响应范围，还能同时调整传感器的耐冲击与抗过载性能。

附图说明

图1是本发明的剖视图；

图2是本发明的立体图；

图3是本发明所提供的低频振动加速度传感器受到向上的冲击时的示意图；

图标：1-底座；2-外壳；3-压电陶瓷；4-质量块；5-第一弹簧；6-第二弹簧。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种低频振动加速度传感器，如图1与图2所示，包括底座1与外壳2，底座1与外壳2可以通过粘接连接，也可以通过螺纹连接等可拆卸连接方式连接，底座1与外壳2连接后围成腔体，腔体内设置有两个相互重叠的圆形的压电陶瓷3，两个压电陶瓷3中心均设置有螺钉过孔，重合后的两个压电陶瓷3通过穿过螺钉过孔的螺钉固定在底座1上；若仅使用一个压电陶瓷3也能够实现测量待测元件振动的加速度，但是压电陶瓷3容易因待测元件振动的加速度过大而断裂。两个重合后的压电陶瓷3的外缘采用工业环氧胶粘接有环状的质量块4，质量块4套设连接于压电陶瓷3的外缘；如图1所示，质量块4的下表面与底座1之间设置有第一弹簧5，第一弹簧5的两端分别与质量块4以及底座1连接，质量块4的上表面与外壳2之间设置有第二弹簧6，第二弹簧6的两端分别与质量块4的上表面以及外壳2连接；第一弹簧5与第二弹簧6的弹性系数相同。在传感器工作时，第一弹簧5与第二弹簧6交替呈拉伸与压缩状态。其中质量块4、底座1以及外壳2均为回转体。

待测元件的振动频率越低，则需要低频振动加速度传感器的谐振频率更高，才能实现对待测元件振动过程中的加速度进行更多次数的采样，以保证低频振动加速度传感器的测量精度；本实施例中的低频振动加速度传感器的谐振频率为f，

其中，k为第一弹簧5的弹性系数，m为质量块4的质量；由公式可知，m、k都可以决定结构的谐振频率，因此可以适当增加传感器结构中第一弹簧5与第二弹簧6的刚度，同时尽量将质量块4的质量减小，从而使得本实施例中的低频振动加速度传感器采集低频信号更加准确，更加有利于测量振动频率更低的过程中待测元件的加速度。

通过增加质量块4的质量大小，使得在同样的加速度下，压电陶瓷3会发生更大的变形，压电陶瓷3所产生的电压更大，低频振动加速度传感器对加速度的变化更加敏感，但是质量块4的质量过大，可能导致压电陶瓷3因过载而在变形的过程中发生断裂，导致低频振动加速度传感器失效，也可能使低频振动传感器的谐振频率变小，导致测量频率较低的振动的加速度时，测量结果不准确。

低频振动加速度传感器的工作原理如下：

在使用时，将低频振动加速度传感器按照图1所示的方向安装固定，使低频振动加速度传感器能够跟随待测元件的振动一同运动。当待测元件开始振动时，由于压电陶瓷3与底座1之间是固定连接，压电陶瓷3与底座1跟随待测元件开始一同运动；由于压电陶瓷3刚度较小，质量块4不能立即跟随待测元件一同运动，因此质量块4与压电陶瓷3之间存在速度差，导致压电陶瓷3发生变形(如图3所示)，压电陶瓷3变形后对质量块4施加作用力，该作用力使质量块4跟随待测元件的振动运动，同时，压电陶瓷3也受到与该作用力同样大小的压力，因此，通过测量压电陶瓷3所产生的电压即可求得该作用力的大小，再结合质量块4的质量便可求得质量块4跟随待测元件的振动运动时的加速度，质量块4运动时的加速度变化过程与待测元件的振动加速度变化过程一致；通过持续记录压电陶瓷3所产生的电压并计算得到质量块4的加速度变化曲线，便可得到质量块4随待测元件一同振动时质量块4的加速度变化曲线，该曲线与实际待测元件振动时的加速度变化曲线仅在相位上有所滞后。所属领域的技术人员根据质量块4的加速度变化曲线能够得到待测元件振动时加速度的变化曲线。当低频振动加速度传感器受到冲击时，压电陶瓷3会出现过载而发生断裂的情况，以冲击的方向向上为例，如图3所示，质量块4相对于底座1 向下运动，压电陶瓷3产生变形为质量块4提供向上的力，使质量块4向上运动；压电陶瓷3产生变形的同时，第一弹簧5受到压缩，第二弹簧6受到拉伸，第一弹簧5与第二弹簧分别为质量块4提供向上的力F₁与F₂以减少压电陶瓷3 需要产生的变形量，避免压电陶瓷3在受到冲击时出现断裂的情况。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种低频振动加速度传感器，包括底座(1)，所述底座(1)上固定连接有压电陶瓷(3)，所述压电陶瓷(3)固定连接有质量块(4)，所述压电陶(3)、所述质量块(4)与所述底座(1)组成悬臂梁结构，其特征在于，所述压电陶瓷(3)与底座(1)之间设置有第一弹簧(5)，所述第一弹簧(5)的一端与所述底座(1)连接，所述第一弹簧(5)的另一端与所述质量块(4)连接。

2.根据权利要求1所述的一种低频振动加速度传感器，其特征在于，所述底座(1)还连接有外壳(2)，所述外壳(2)与所述底座(1)围成腔体，所述压电陶瓷(3)与所述第一弹簧(5)位于所述腔体内。

3.根据权利要求2所述的一种低频振动加速度传感器，其特征在于，所述外壳(2)与所述压电陶瓷(3)之间设置有第二弹簧(6)，所述第二弹簧(6)的两端分别与所述外壳(2)和所述质量块(4)连接，所述第二弹簧(6)与所述第一弹簧(5)分别位于所述质量块(4)的上下侧。

4.根据权利要求1所述的一种低频振动加速度传感器，其特征在于，所述压电陶瓷(3)为圆形，所述质量块(4)为环状，所述质量块(4)套设连接于所述压电陶瓷(3)的外缘。

5.根据权利要求1所述的一种低频振动加速度传感器，其特征在于，所述压电陶瓷(3)与所述质量块(4)粘接连接。

6.根据权利要求1所述的一种低频振动加速度传感器，其特征在于，所述压电陶瓷(3)设置有螺钉过孔，所述压电陶瓷(3)与所述底座(1)通过螺钉固定连接。

7.根据权利要求1所述的一种低频振动加速度传感器，其特征在于，所述压电陶瓷(3)的数量为两个，两个所述压电陶瓷(3)重叠后与所述底座(1)固定连接。

Images