CN113720390A - 压电式超声-振动加速度复合传感器及测量装置 - Google Patents

压电式超声-振动加速度复合传感器及测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种压电式超声‑振动加速度复合传感器及测量装置，压电式超声‑暂态地电压复合传感器中，金属匹配层包括设在下表面的第一绝缘层和相对于下表面的上表面声匹配层，传感器壳体套设于金属匹配层，传感器壳体设有可拆卸连接的盖子，第一压电元件的第一负极面紧贴金属匹配层的上表面，第一正极面紧贴第二压电元件的第二正极面，由第一正极面(或第二正极面)引出信号输出线以输出宽频信号。背衬块设于传感器壳体内，背衬块的第一表面和上述第二负极面紧贴，相对于其第一表面的第二表面设有金属外壳，与弹簧相连，弹簧的另一端连接盖子。以上紧贴处均以导电胶紧贴。本发明可同时准确地获得被测对象同一位置的超声波和振动加速度信号。

Description

压电式超声-振动加速度复合传感器及测量装置
技术领域
本发明涉及传感器检测技术领域，尤其涉及一种压电式超声-振动加速度复合传感器及测量装置。
背景技术
超声、振动加速度传感器检测技术在工商业、农业、生物、国防军事等领域应用方面日趋成熟，且需求迫切，尤其在设备状态检测、监测方面应用极为广泛。在设备故障检测方面，超声波信号(频率高于20kHz)主要由于设备内部的局部放电产生，由于超声波在介质中的穿透力强、方向性好、信息携带量大，易于实现快速准确地在线、离线无损检测，因此常用于检测设备的电气故障。由于设备在不同工况下的表面振动情况各不相同，因此振动加速度传感器非常适用于检测设备的机械故障。
一般来说，设备的运行状态受到电气、机械等多方面因素的共同影响，而目前的设备故障诊断方法主要基于单一物理量的检测来诊断某一种类型的故障，这种方法易受干扰、准确性差、可测故障类型有限，不能同时准确地获得设备上某一点的多物理量参数，难以全面地反映设备的综合运行状态。
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的目的是提供一种压电式超声-振动加速度复合传感器及测量装置，其可同时并准确地获得设备同一位置的超声、振动加速度信号，从而实现设备的多物理量检测。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明的一种压电式超声-振动加速度复合传感器包括，
金属匹配层，其包括设在下表面的第一绝缘层和相对于下表面的上表面声匹配层，
传感器壳体，其套设于所述金属匹配层，所述传感器壳体的上方设有可拆卸连接的盖子，
第一压电元件，其设于所述传感器壳体内，所述第一压电元件包括紧贴所述上表面声匹配层的第一负极面和相对于所述第一负极面的第一正极面，
第二压电元件，其设于所述传感器壳体内，所述第二压电元件包括经由导电胶紧贴所述第一正极面的第二正极面和相对于所述第二正极面的第二负极面，传感器信号输出线从所述第一正极面或第二正极面引出以输出信号，
背衬块，其设于所述传感器壳体内，所述背衬块具有紧贴所述第二负极面的第一表面和相对于所述第一表面的第二表面，所述第二表面设有金属外壳，
弹簧，其一端连接所述背衬块的金属外壳上，另一端连接所述盖子。
所述的一种压电式超声-振动加速度复合传感器，其特征在于，所述金属匹配层的声阻抗Zm理论上为：
Figure BDA0003239957770000031
或
Figure BDA0003239957770000032
其中，Zp为第一压电元件和第二压电元件的声阻抗，Zt为被测对象的声阻抗。
所述的一种压电式超声-振动加速度复合传感器，其特征在于，所述金属匹配层的厚度为复合传感器的检测中心频率在金属匹配层中的对应声波长的四分之一。
所述的一种压电式超声-振动加速度复合传感器，其特征在于，所述盖子的内壁设有抵接弹簧的压块。
所述的一种压电式超声-振动加速度复合传感器，其特征在于，所述传感器壳体可拆卸连接所述金属匹配层以形成或打开密封空间，所述传感器壳体设有导出所述信号输出线的通道。
所述的一种压电式超声-振动加速度复合传感器，其特征在于，所述压电式超声-振动加速度复合传感器为中心对称结构。
所述的一种压电式超声-振动加速度复合传感器，其特征在于，所述金属外壳与第一、第二负极面等电位，所述信号输出通道与第一、第二正极面等电位。
所述的一种压电式超声-振动加速度复合传感器，其特征在于，所述背衬块金属外壳顶端设有可拆卸连接所述弹簧的凸起。
所述的一种压电式超声-振动加速度复合传感器，其特征在于，所述金属外壳为喇叭状结构。
所述的一种测量装置，其特征在于，其包括所述的
压电式超声-振动加速度复合传感器，
信号调理器，其连接所述信号输出线，
示波器，其连接所述信号调理器。
在上述技术方案中，本发明提供的一种压电式超声-振动加速度复合传感器，具有以下有益效果：压电式超声-暂态地电压复合传感器稳定性高、制造方便、成本低、抗干扰性强、灵敏度高，兼具超声、振动传感器的特点，可同时准确地获得被测对象同一位置的超声波和振动加速度信号。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是压电式超声-暂态地电压复合传感器的一个实施例的背衬块金属外壳的二维剖面结构示意图；
图2是压电式超声-暂态地电压复合传感器的一个实施例的背衬块金属外壳的三维剖面结构示意图；
图3是压电式超声-暂态地电压复合传感器的一个实施例的二维剖面结构示意图；
图4是压电式超声-暂态地电压复合传感器的一个实施例的三维剖面结构示意图；
图5是压电式超声-暂态地电压复合传感器的一个实施例的立体结构示意图；
图6是测量装置的一个实施例的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图图1至图6，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。
在一个实施例中，如图1至图5所示，压电式超声-振动加速度复合传感器包括，
金属匹配层7，其包括设在下表面的第一绝缘层8和相对于下表面的上表面声匹配层7，
传感器壳体3，其套设于所述金属匹配层7，所述传感器壳体3设有可拆卸连接的盖子1，
第一压电元件6，其设于所述传感器壳体3内，所述第一压电元件6包括紧贴所述金属匹配层7上表面的第一负极面和相对于所述第一负极面的第一正极面，
第二压电元件10，其设于所述传感器壳体3内，所述第二压电元件10包括经由导电胶紧贴所述第一正极面的第二正极面和相对于所述第二正极面的第二负极面，所述第一正极面或第二正极面连接信号输出线9以输出信号，
背衬块5，其设于所述传感器壳体3内，所述背衬块5具有紧贴所述第二负极面的第一表面和相对于所述第一表面的第二表面，所述第二表面设有金属外壳4，
弹簧2，其一端连接所述金属外壳4上，另一端连接所述盖子1，使此二者等电位，并对压电元件施加预紧力。
所述的一种压电式超声-振动加速度复合传感器的优选实施例中，所述金属匹配层7的声阻抗Zm为：
Figure BDA0003239957770000071
或
Figure BDA0003239957770000072
其中，Zp为第一压电元件6和第二压电元件10的声阻抗，Zt为被测对象的声阻抗。
所述的一种压电式超声-振动加速度复合传感器的优选实施例中，所述金属匹配层7的厚度为复合传感器检测中心频率在金属匹配层7中的对应声波长的四分之一。
所述的一种压电式超声-振动加速度复合传感器的优选实施例中，所述盖子1的内壁设有固定弹簧2的环形槽16。
所述的一种压电式超声-振动加速度复合传感器的优选实施例中，所述传感器壳体3可拆卸连接所述金属匹配层7以形成或打开密封空间，所述传感器壳体3设有导出所述信号输出线9的通道。
所述的一种压电式超声-振动加速度复合传感器的优选实施例中，所述压电式超声-振动加速度复合传感器为中心对称结构。
所述的一种压电式超声-振动加速度复合传感器的优选实施例中，所述金属外壳4与所述第一、二负极面及传感器外壳3等电位。
所述的一种压电式超声-振动加速度复合传感器的优选实施例中，所述金属外壳4顶端设有可拆卸连接所述弹簧2的凸起15。
所述的一种压电式超声-振动加速度复合传感器的优选实施例中，所述金属外壳4为喇叭状结构。
在一个实施例中，压电式超声-振动加速度复合传感器自下而上的结构为金属匹配层7、第一压电元件6、第二压电元件10、背衬块5(包括背衬块金属外壳4)、弹簧2、传感器壳体3和信号输出线9。
在一个实施例中，压电式超声-振动加速度复合传感器通过导电胶将第一压电元件6的第一负极面与金属匹配层7的上表面紧密粘贴在一起；用导电胶将第一压电元件6的正极与第二压电元件10的正极紧密粘贴在一起，并从正极侧面引出传感器的信号输出线9；通过导电胶将第二压电元件10的第二负极面与背衬块5的接触面紧密粘贴在一起，并使该第二负极面与背衬块5的金属外壳4等电位；在背衬块5的上方固定安装导电金属弹簧2；将整个部件装入传感器壳体3，信号输出线9通过外壳侧方的小孔引出，并用金属盖子1密封传感器。
在一个实施例中，所述第一压电元件6和/或第二压电元件10为厚向振动模式的压电元件片。
在一个实施例中，所述金属匹配层7的材料取决于被测物的声阻抗特性，一般为但不仅限于金属或金属氧化物陶瓷元件；此外，其测量面涂抹薄绝缘层的第一绝缘层8，以避免工作过程中的地回路干扰。
在一个实施例中，所述背衬块5由金属外壳4和背衬组成，其本身具有一定的质量。金属外壳4呈喇叭状，下宽上窄，下方为空心，用以填充背衬，尺寸与压电元件接触面的尺寸近似；上方为实心，用以支撑弹簧2。
在一个实施例中，所述弹簧2为金属良导体弹簧2，可施加预紧力以固定其下方部件，并实现背衬块5外壳与传感器壳体3的电气连接。
在一个实施例中，金属匹配层7的材料选择及厚度尺寸应遵循以下原则：针对不同的应用和检测对象，金属匹配层7的材料选择是不同的，选择合理的匹配层材料对于提高传感器的性能是十分重要的，应选择声透率高、阻抗匹配的材料制作匹配层。已知压电元件和被测对象的声阻抗分别为Zp、Zt，则金属匹配层7声阻抗Zm应由公式计算获得：
Figure BDA0003239957770000091
但对于检测、成像应用的宽频换能器，匹配层的声阻抗计算公式如下：
Figure BDA0003239957770000101
此外，金属匹配层7的厚度应基于超声学中的四分之一波长公式来确定，即匹配层的厚度应为传感器的检测中心频率在金属匹配层中对应声波长的四分之一。
如图1至图2所示，背衬块5由金属外壳4和背衬组成，背衬块5的外壳由金属制作，形状如喇叭，这种设计可以更好地吸收投射过压电元件的声波，避免二次回波干扰传感器的输出信号。目前背衬大多使用环氧树脂与钨粉混合形成，以达到阻尼的作用，二者的配比直接与传感器的频率响应有关，不同频谱宽度的传感器对配比量要求不同。按照相应的配比调配好背衬并将其浇注在背衬块5的外壳内，待其凝固后磨平抛光，即可完成背衬块5的制作。
如图3至图5所示，将金属匹配层7的下表面均匀涂抹一层薄绝缘材料，并打磨平整，从而消除传感器工作中的地回路干扰。通过导电胶将第一压电元件6的负极面与金属匹配层7的上表面紧密粘贴在一起，抽真空并高温固化；用导电胶将第一压电元件6的正极与第二压电元件10的正极紧密粘贴在一起，抽真空并高温固化，最后从压电元件的正极侧面引出传感器输出线；通过导电胶将第二压电元件10的负极面与背衬块5的接触面紧密粘贴在一起，并使该负极面与背衬块5的金属外壳4等电位，抽真空并高温固化；在背衬块5的上方固定安装金属弹簧2，将其卡入背衬块5金属外壳4和金属盖子1的固定卡槽内；将组装好的整个部件装入传感器壳体3并密封，输出线通过外壳侧方的引线接口引出，最后用金属盖子1密封整个复合传感器。
如图6所示，一种测量装置包括，
所述的压电式超声-暂态地电压复合传感器，
信号调理器13，其连接所述信号输出线9，
示波器14，其连接所述信号调理器13。
在一个实施例中，首先在被测对象上尽量选择表面平整的测量点11，将被测点擦洗干净；在被测点处均匀涂抹耦合剂12，并将复合传感器固定在被测点处，使其绝缘层表面与被测处紧密接触；复合传感器的输出线接入信号调理器13，对输出信号进行放大、滤波等处理；最后通过示波器14采集输出信号。
最后应该说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (10)

1.一种压电式超声-振动加速度复合传感器，其特征在于，其包括，
金属匹配层，其包括设在下表面的第一绝缘层和相对于下表面的上表面声匹配层，
传感器壳体，其套设于所述金属匹配层，所述传感器壳体的上方设有可拆卸连接的盖子，
第一压电元件，其设于所述传感器壳体内，所述第一压电元件包括紧贴所述上表面声匹配层的第一负极面和相对于所述第一负极面的第一正极面，
第二压电元件，其设于所述传感器壳体内，所述第二压电元件包括经由导电胶紧贴所述第一正极面的第二正极面和相对于所述第二正极面的第二负极面，传感器信号输出线从所述第一正极面或第二正极面引出以输出信号，
背衬块，其设于所述传感器壳体内，所述背衬块具有紧贴所述第二负极面的第一表面和相对于所述第一表面的第二表面，所述第二表面设有金属外壳，
弹簧，其一端连接所述背衬块的金属外壳上，另一端连接所述盖子。
2.根据权利要求1所述的一种压电式超声-振动加速度复合传感器，其特征在于，优选的，所述金属匹配层的声阻抗Zm理论上为：
Figure FDA0003239957760000011
或
Figure FDA0003239957760000012
其中，Zp为第一压电元件和第二压电元件的声阻抗，Zt为被测对象的声阻抗。
3.根据权利要求1所述的一种压电式超声-振动加速度复合传感器，其特征在于，所述金属匹配层的厚度为复合传感器的检测中心频率在金属匹配层中的对应声波长的四分之一。
4.根据权利要求1所述的一种压电式超声-振动加速度复合传感器，其特征在于，所述盖子的内壁设有抵接弹簧的压块。
5.根据权利要求1所述的一种压电式超声-振动加速度复合传感器，其特征在于，所述传感器壳体可拆卸连接所述金属匹配层以形成或打开密封空间，所述传感器壳体设有导出所述信号输出线的通道。
6.根据权利要求1所述的一种压电式超声-振动加速度复合传感器，其特征在于，所述压电式超声-振动加速度复合传感器为中心对称结构。
7.根据权利要求1所述的一种压电式超声-振动加速度复合传感器，其特征在于，所述金属外壳与第一、第二负极面等电位，所述信号输出通道与第一、第二正极面等电位。
8.根据权利要求1所述的一种压电式超声-振动加速度复合传感器，其特征在于，所述背衬块金属外壳顶端设有可拆卸连接所述弹簧的凸起。
9.根据权利要求1所述的一种压电式超声-振动加速度复合传感器，其特征在于，所述金属外壳为喇叭状结构。
10.一种测量装置，其特征在于，其包括，
如权利要求1-9中任一项所述的压电式超声-振动加速度复合传感器，
信号调理器，其连接所述信号输出线，
示波器，其连接所述信号调理器。
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CN115138547A (zh) * 2022-06-30 2022-10-04 中国工程物理研究院电子工程研究所 压电微机械超声换能器背衬材料、制备方法及填充方法

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