CN113295192A - 一种接触型力和声复合传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种接触型力和声复合传感器，包括壳体和探针，壳体内部设有腔体，腔体内从上至下依次设有弹簧、上电极、压电薄膜、下电极，下壳体的一端设有限位块，限位块可以卡住探针，探针的上表面与下电极的下表面紧密接触，并使位于上部的弹簧处于压缩状态，探针的另一端从壳体的底部伸出。本发明可以同时测量通过探针传导的力信号和声信号的变化量，并消除了空气噪声对有效信号的干扰，灵敏度高，响应频带宽，测试精度高，结构合理。
Description
技术领域
本发明涉及力和声复合传感器，特别是涉及一种接触型力和声复合传感器。
背景技术
传统声学传感器主要分为接触式传感器和非接触式传感器。接触式传感器主要采用压电器件将声信号转换为电信号，传感器一般通过夹具固定于测试样品表面，但是测试样品与传感器之间会存在空气层造成声阻抗不匹配，声波会有很大损耗，所以需要在接触面涂上耦合剂。一方面耦合剂不能完全消除损耗问题，而且使用耦合剂会增加检测的未知因素；另一方面传感器容易受到环境噪声干扰，降低传感器信噪比。非接触式传感器有电容式、光纤式和压电式，电容式是通过声音的振动引起电容变化来测量声信号，光纤式是通过声音振动引起光的干涉效应来间接测量声信号，压电式是通过压电效应将声信号转化为电信号。电容式传感器测量的电容量易受环境干扰，光纤式传感器体积大且信号处理慢，另外非接触式传感器由于与测试样品有一定距离，无法避免声音信号衰减问题。
传统压力传感器有应变式、压阻式和压电式等，其中压阻式压力传感器应用最广泛，它有极低的价格和较高的精度，而压电式压力传感器有高信噪比、宽频带和高灵敏度的优点。
综上所述，接触式传感器无法避免耦合剂所带来的检测的未知因素和空气中的噪声干扰，非接触式传感器则无法避免声信号衰减，因此传统声传感器都有着各种问题，无法得到精确的测量。目前大部分传统传感器测量的是单一的信号，很少有能同时测量压力信号和声信号的传感器。
发明内容
发明目的：针对传统接触型和非接触型声学传感器的不足，本发明的目的是提供一种接触型力和声复合传感器，其可以同时测量通过探针传导的力信号和声信号的变化量，有效减少空气噪声和检测的未知因素，提高了测量的精度，同时具有宽的响应频带和高灵敏度。
技术方案：本发明所述的一种接触型力和声复合传感器，包括壳体和探针，探针的一端伸入壳体内，另一端从壳体的底部伸出，且壳体底部设有用于卡住探针的限位块；壳体的内部设有腔体，腔体沿壳体长度方向设置，腔体内从上至下依次设有弹簧、上电极、压电薄膜、下电极，探针的上表面与下电极的下表面紧密接触，并使位于上部的弹簧处于压缩状态。
压电薄膜夹设于上下电极之间，导线一端焊接在电极上，导线另一端与放大器连接；限位块设于壳体的底端位置，从而使得探针可以卡在壳体的下端，同时壳体底部设有供探针穿过的通孔；弹簧沿腔体的长度方向设置，弹簧的一端与内衬套的顶壁紧密接触，另一端与上电极的上表面紧密接触；弹簧使得传感器内部在振动过程中为一个准刚性状态，同时内部零件不产生横向形变，而且在发生传感器掉落等情况时，弹簧能起到一个缓冲作用，保护内部零件；两个电极、不受力状态下的弹簧和探针伸入下壳体内的长度略长于上下壳体配合后的内部腔体长度，使弹簧处于压缩状态，以保证有一定的预应力。
其中，所述上电极、压电薄膜和下电极均与腔体相适配。
其中，弹簧沿腔体的高度方向设置，弹簧的预应力值为测量范围的上限，即振动物体产生的力须在弹簧预应力值以内，当超过此范围时弹簧起到保护作用。
可选的，壳体内设有内衬套，内衬套的外壁紧贴壳体的内壁，此时，内衬套的内壁围成的空间即为壳体内部的腔体。
其中，上述壳体内部的内衬套为绝缘材质的薄层，可以保证衬套内部电极-压电薄膜-电极形成一个绝缘空间，同时能够有效防止探针运动时内部器件横向移动，衬套项部开设有一个孔，该孔的直径略小于弹簧外径，可以卡住弹簧。
可选的，壳体的顶端设有电连接器及机械接口，壳体的底端设有供探针穿过的通孔。
可选的，所述壳体包括上壳体和下壳体，上壳体与下壳体可拆卸连接。如上壳体的下端外壁设有外螺纹，下壳体的上端内壁设有内螺纹，上壳体的外螺纹与下壳体的内螺纹配合。
其中，压电薄膜夹设于上下电极之间，弹簧沿腔体的长度方向设置，弹簧的一端与腔体顶壁紧密接触，另一端与上电极的上表面紧密接触；当被测物体振动力大于弹簧的预应力时，电极和探针沿腔体高度方向运动；从而使得电极和探针正常工作时在腔体内保持静止，当被测物体振动幅度过大时可以沿腔体高度方向移动。
上述接触型力和声复合传感器的传感方法包括以下步骤：探针与振动物体接触后，弹簧、上电极、压电薄膜、下电极和探针沿腔体侧壁开始作微小振动并保持一个准刚性状态，同时压电薄膜将压力信号转化为电信号。
其中，壳体和电极均为金属材质；压电薄膜为柔性压电材料，即具有良好柔韧性的压电材料，比如PVDF压电材料、有机硅聚合物压电材料等高分子柔性压电材料；壳体内设有绝缘内衬套；探针为刚性良导声材料，即探针不易发生明显形变而且吸声率小，是声音的优良导体，比如青铜、紫铜等。
发明原理：本发明的一种接触型力和声复合传感器，可用于接收通过探针传导的力信号和声信号；传感器由上壳体和下壳体组成；上壳体的上端设有电连接器和机械接口，上壳体腔体内壁紧贴有绝缘填充衬套，衬套内壁装有导电电极、压电薄膜和弹簧；在衬套内弹簧紧贴衬套的上端，在弹簧之下有两个导电电极夹着压电薄膜，两个导电电极上分别焊接一条导线，导线从上壳体的上部引出；探针与下导电电极压紧；下壳体可以通过和上壳体连接配合将探针与上部零件压紧。
有益效果：
(1)本发明填充衬套是绝缘材质的，通过压紧探针和下部电极可以达到内部电极-压电薄膜-电极的绝缘空间效果。
(2)本发明上下外壳是金属材质，连接配合后形成一个封闭空间，可以屏蔽外部空气中的噪声干扰。
(3)本发明结构中，弹簧的设计使传感器内部在振动过程中为一个准刚性状态，同时内部零件不产生横向形变，而且在发生传感器掉落等情况时，弹簧能起到一个缓冲作用，保护内部零件；两个电极、不受力状态下的弹簧和探针伸入下壳体内的长度略长于上下壳体配合后的内部腔体长度，使弹簧处于压缩状态，以保证有一定的预应力，可以提高测量灵敏度。
(4)本发明与传统非接触式和接触式声学传感器均有不同，价格低，安装简单，能同时测量通过探针传导的力信号和声信号的变化量，灵敏度高，响应频带宽，测试精度高，结构合理。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为传感器的爆炸图。
图3为测试样品结果；其中，图(a)为传感器测量得到的原始信号；图(b)为从原始信号中分离出的声信号；图(c)为从原始信号中分离出的力信号。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步地详细描述。
如图1、2所示，本发明的一种接触型力和声复合传感器包括壳体、绝缘内衬套3、上电极4、下电极5、PVDF压电薄膜6、弹簧7和探针8。壳体分为上壳体1和下壳体2，壳体内部设有圆柱形腔体，上壳体1为一金属材质的空心圆柱体状，圆柱体外径为15mm，外部高度为15.5mm，内径为12mm，内部深度为13.5mm；上壳体1的上端中心开设有一M2螺母孔，离中心外侧2mm处开设有一引线孔，上端厚度为2mm，引线孔径为1.5mm；上壳体1的下端开口，下端外壁有外螺纹。下壳体2为金属材质的空心圆柱体，外径为17mm，高度为10mm，下壳体2的上端开口，且内壁上端设有内螺纹，下壳体2与上壳体1的外螺纹配合旋紧，旋紧后形成一个金属封闭空间，可以屏蔽外部空气中的噪声干扰。下壳体2的底面中心位置开设有供探针8通过的通孔。
壳体的内壁贴设有绝缘内衬套3，通过压紧探针8可以达到内部绝缘空间效果，内衬套3的下端开口，上端紧贴上壳体1的内壁。如图2所示，内衬套3为一绝缘材质的空心圆柱体，外径为12mm，外部高度为16.5mm，内径为10mm，内部深度为15.5mm，衬套3上端中心开有一个直径6mm的孔，内衬套3可以刚好塞入上壳体1内，此时，内衬套3的内壁围成的空间即为壳体内部的腔体。上电极4和下电极5均是高度为3mm，直径为10mm的实心金属圆柱体。PVDF薄膜6是一层直径10mm的圆形薄层弹簧7的外径为10mm，线径为0.8mm，高度为10mm，弹簧7的设计使传感器内部在振动过程中为一个准刚性状态，同时内部零件不产生横向形变，而且在发生传感器掉落等情况时，弹簧7能起到一个缓冲作用，保护内部零件，而且两个电极、不受力状态下的弹簧7和探针8伸入下壳体内的长度略长于上下壳体配合后的内部腔体长度，使弹簧7处于压缩状态，有一定的预应力，提高传感器的灵敏度。弹簧7、上电极4、PVDF薄膜6、下电极5可以按从上到下依次顺序塞进内衬套3内，当被物体振动幅度过大时，以上部件在腔体内可以沿腔体高度方向移动。
本实施例的复合传感器进行安装时，将弹簧7、上电极4、PVDF薄膜6、下电极5、探针8按从上到下顺序放入内衬套3中，然后将内衬套3设于上壳体1的内部，将下壳体2和上壳体1旋紧，使弹簧7处于压缩状态，接着上壳体1上端可与外部电磁铁连接配合，导线一端焊接在电极上，另一端接在放大器输入端上。采用的放大器输入阻抗为1012Ω，等效输入噪声在10Hz时不高于
等效输入噪声在10kHz时不高于
放大倍数为400倍。
本实施例的复合传感器在使用时，将上下壳体旋紧，上部分M2螺母孔与电磁铁旋紧，电磁铁通电后，复合传感器整体做一个高度方向的往复振动，同时探针8与待测量样品紧密接触，传感器内部零件作微小振动并保持一个准刚性状态，同时压电薄膜将压力信号转化为电信号。传感器将采集到的信号输入到放大器中放大，然后输出至计算机，通过软件处理分离出20Hz以下的力信号和20Hz以上的声信号，即可同时测得力信号和声信号的波形图。图3为测试样品结果；其中，图(a)为传感器测量得到的原始信号；图(b)为从原始信号中分离出的声信号；图(c)为从原始信号中分离出的力信号。
本发明可以用来同时测量探针传导的力信号和声信号的变化量。相对非接触式传感器，本发明消除了空气噪声对有效信号的干扰；相对传统接触式传感器，本发明无需耦合剂，消除了耦合剂对信号的不利因素。本发明可以直接置于被测物体表面或连接于随动装置上测量信号变化量，而且探针可以根据实际测量需求设计成不同形状，适应性极强，灵敏度高，响应频带宽，测试精度高，结构合理。
Claims (8)
1.一种接触型力和声复合传感器，其特征在于：包括壳体和探针(8)，探针(8)的一端伸入壳体内，另一端从壳体的底部伸出，且壳体底部设有用于卡住探针(8)的限位块；壳体的内部设有腔体，腔体内从上至下依次设有弹簧(7)、上电极(4)、压电薄膜(6)、下电极(5)，探针(8)的上表面与下电极的下表面紧密接触，并使位于上部的弹簧处于压缩状态。
2.根据权利要求1所述的接触型力和声复合传感器，其特征在于：所述上电极(4)、压电薄膜(6)和下电极(5)均与腔体相适配。
3.根据权利要求1所述的接触型力和声复合传感器，其特征在于：壳体的顶端设有电连接器和机械接口，壳体的底端设有供探针(8)穿过的通孔。
4.根据权利要求1所述的接触型力和声复合传感器，其特征在于：所述壳体包括上壳体(1)和下壳体(2)，上壳体与下壳体可拆卸连接。
5.根据权利要求4所述的接触型力和声复合传感器，其特征在于：上壳体(1)的下端外壁设有外螺纹，下壳体(2)的上端内壁设有内螺纹，上壳体的外螺纹与下壳体的内螺纹配合。
6.根据权利要求1所述的接触型力和声复合传感器，其特征在于：压电薄膜夹设于上下电极之间，弹簧沿腔体的长度方向设置，弹簧的一端与腔体顶壁紧密接触，另一端与上电极的上表面紧密接触；当被测物体振动力大于弹簧的预应力时，电极和探针沿腔体高度方向运动。
7.根据权利要求1所述的接触型力和声复合传感器，其特征在于：壳体和电极均为金属，压电薄膜(6)为柔性压电材料，壳体内设有绝缘内衬套。
8.根据权利要求1所述的接触型力和声复合传感器，其特征在于：探针(8)为刚性良导声材料。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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