CN113884174A - 一种压缩型敏感元件的压电式振动传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种压缩型敏感元件的压电式振动传感器。所述传感器包括：压缩型敏感元件、集成式电荷放大电路、后端处理电路、内壳和航空插头；所述压缩型敏感元件安装在内壳内，将后端处理电路和集成式电荷放大器安装在压缩型敏感元件上方，将电源与信号线连至航空插头处，在传感器外壳底部开有M6螺纹孔，用来与检测物体连接；集成式电荷放大电路接收压缩型敏感元件产生的电荷，经过放大电路后，经由后端处理电路进行处理，输出电压信号。本发明传感器规避了压缩式压电振动传感器稳定性低、误差大等缺点，具有稳定性高、灵敏度高、成本低、结构简单的特点。
Description
技术领域
本发明涉及传感技术领域，是一种压缩型敏感元件的压电式振动传感器。
背景技术
压电式振动传感器是基于压电效应的传感器，其敏感元件是压电材料。压电材料由于压电效应，在受到压力作用时，会在其表面时产生电荷。压电式振动传感器的优点主要有：灵敏度比较高、频率响应的范围比较广、可靠性高等。压电式振动传感器主要用于监测振动参数，防止机械故障和危险事故的发生。
由于压电振动传感器工作的特殊性，通常是处于严峻的工作环境中，且保持全天候使用状态，这就对振动传感器的可靠性提出了很高的要求。工业设备在运行过程中,普遍存在不同程度的振动，严重的振动会降低设备的效能及执行机构的精度、破坏机器的运行状态，甚至缩短设备的使用寿命。所以，对压电振动传感器的可靠性和灵敏度提出了更高的要求；敏感元件是压电振动传感器的核心部件，直接决定着传感器的灵敏度。
剪切型压电加速度传感器在工作时，压电敏感元件受到的是剪切应力。当振动台振动时，由于基座与振动台刚性固定，基座被施加的加速度与振动台的加速度一致，与此同时压电元件受到了一个力的作用，该力的方向与基座所承受的运行加速度的方向完全相反。而质量块和基座给晶片的是一个剪切应力,这个力使其内部产生的效应导致两个表面分别带有了数量持平的电荷，而且产生的电荷同样具有相反的符号。产生的电荷信号通过连接的引线进行输出，且电荷信号和加速度具有正比例关系。在选择应用于剪切型压电传感器上的压电晶片时，主要考虑压电晶片的剪切压电系数。
现有的剪切式压电振动传感器中，核心压电敏感组件一般采用螺栓穿设压电敏感组件的中心后与螺母配合的方式进行紧固、或者采用导电胶粘接的方式进行紧固。上述两种常用的紧固方式使得组装过程繁琐，工艺稳定性低，导致产品批量生产时的可靠性低；同时，由于需要使用螺栓螺母或者导电胶会在一定程度上增加生产成本；此外，对于使用导电胶粘接的方式进行紧固时，由于使用导电胶会限制压电敏感组件的工作温度。
虽然剪切型压电式振动传感器的压电陶瓷片不与传感器外壳相连，其电荷不会受到外壳影响，因此其噪声干扰较小。但是压电陶瓷的压电系数中最大的是d33参数，使用剪切型振动传感器会有灵敏度较小的问题，而且剪切型振动传感器结构复杂，价格过于昂贵。
压缩型压电式振动传感器简单，成本相对来说不高，但是由于压缩式振动传感器的结构中，压电陶瓷片和传感器外壳相连，因此压电陶瓷片因振动而产生的电荷会直接传递到传感器的外壳上去，通常情况下其外壳的材质为不锈钢等导电金属，因此会造成传感器测量误差。
发明内容
本发明为解决上述问题，本发明提供了一种压缩型敏感元件的压电式振动传感器，本发明提供了以下技术方案：
一种压缩型敏感元件的压电式振动传感器，所述传感器包括：压缩型敏感元件、集成式电荷放大电路、后端处理电路、内壳和航空插头；
所述压缩型敏感元件安装在内壳内，将后端处理电路和集成式电荷放大器安装在敏感元件上方，将电源与信号线连至航空插头处，在传感器外壳底部开有M6螺纹孔，用来与检测物体连接；
集成式电荷放大电路接收压缩型敏感元件产生的电荷，经过放大电路后，经由后端处理电路进行处理，输出电压信号。
优选地，所述压缩型敏感元件包括质量块、环形压电陶瓷、螺钉、预紧压片和外壳，将环形压电陶瓷和质量块通过螺钉和预紧压片固定安装，然后装于外壳中；将环形压电陶瓷两端通过金线连接至集成式电荷放大器。
优选地，所述后端处理电路包括电荷转换电路、调理放大电路、带通滤波电路和输出放大电路；所述电荷转换电路连接调理放大电路，所述调理放大电路连接带通滤波电路，所述带通滤波电路连接输出放大电路。
优选地，所述所述后端处理电路还包括稳压电源电路，所述稳压电源电路分别连接电荷转换电路、调理放大电路、带通滤波电路和输出放大电路。
优选地，环形压电陶瓷选择PZT-5A，外径为Φ5，内径为Φ1；质量块材料为铜，外径为Φ7，内径为Φ1。
本发明具有以下有益效果：
本发明传感器结构简单、成本低；压缩型敏感元件的压电式振动传感器跟随平台上下振动时，质量块与压电陶瓷由于相互挤压产生电荷，压电陶瓷两端电荷通过金线连接至集成式电荷放大器，最终经电荷放大器等信号处理单元后产生的电压信号也应与电荷量Q成正比，输出具有较高线性度，通过M6螺纹孔与振动平台相连，可靠性更高。压缩型敏感元件在兼顾自身优点外，采用电荷放大器，对于其压电陶瓷片与金属外壳相连导致测量误差的问题，通过在压电陶瓷片和金属外壳之间添加绝缘层来解决，除此之外，对整个敏感元件添加金属屏蔽罩以降低外界电磁干扰。该传感器规避了剪切式压电振动传感器稳定性低、灵敏度低等缺点，具有稳定性高、灵敏度高、成本低、结构简单的特点。
附图说明
图1为压缩型敏感元件的压电式振动传感器内部结构图；
图2为后级处理电路原理图；
图3为电荷放大级实际电路图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。
具体实施例一：
根据图1至图3所示，本发明提供一种压缩型敏感元件的压电式振动传感器，所述传感器包括：压缩型敏感元件、集成式电荷放大电路、后端处理电路、内壳和航空插头；
所述压缩型敏感元件安装在内壳内，将后端处理电路和集成式电荷放大器安装在敏感元件上方，将电源与信号线连至航空插头处，在传感器外壳底部开有M6螺纹孔，用来与检测物体连接；
集成式电荷放大电路接收压缩型敏感元件产生的电荷，经过放大电路后，经由后端处理电路进行处理，输出电压信号。
优选地，所述压缩型敏感元件包括质量块、环形压电陶瓷、螺钉、预紧压片和外壳，将环形压电陶瓷和质量块通过螺钉和预紧压片固定安装，然后装于外壳中；将环形压电陶瓷两端通过金线连接至集成式电荷放大器。敏感元件设计选择使用环形压电陶瓷片和环形质量块。其中，压电陶瓷选择PZT-5A，外径为Φ5，内径为Φ1。质量块材料为铜，外径为Φ7，内径为Φ1。
该传感器采用压缩型压电式电荷放大器，对于其压电陶瓷片与金属外壳相连导致测量误差的问题，通过在压电陶瓷片和金属外壳之间添加绝缘层来解决，除此之外，对整个敏感元件添加金属屏蔽罩以降低外界电磁干扰。
由于被测物体的振动，会导致压电陶瓷表面产生电荷，这个电荷量与被测物体的加速度成正比。在后级的信号处理电路中，最终经电荷放大器等信号处理单元后产生的电压信号也应与电荷量Q成正比。
振动传感器的敏感元件产生的电荷作为输入，经过电荷放大器，可以有如下关系：
优选地，所述后端处理电路包括电荷转换电路、调理放大电路、带通滤波电路和输出放大电路；所述电荷转换电路连接调理放大电路，所述调理放大电路连接带通滤波电路，所述带通滤波电路连接输出放大电路。
优选地，所述所述后端处理电路还包括稳压电源电路，所述稳压电源电路分别连接电荷转换电路、调理放大电路、带通滤波电路和输出放大电路。在整个后级处理电路的前端，是压电陶瓷和质量块构成的敏感元件，其输出为电荷信号，这个电荷信号为高阻的。整个工作过程为，压电陶瓷产生的电荷信号经过电荷转换单元电路，将高阻的电荷信号转换成低阻的电压信号进行输出。由于这个电压信号的幅值不够大，之后再经过调理放大电路将其电压值进行放大。之后通过带通滤波电路，滤除该电压信号中的高频和低频噪声。最后再经过输出放大电路对带通滤波后的电压信号进行进一步放大，输出合适的电压信号，并将最终结果通过航插输出以供数据的获取和显示。而稳压电源单元电路的作用是为每个子单元电路提供所需的稳定的电源电压。
将压缩型敏感元件安装在如图1所示的传感器壳体中，将后端处理电路和集成式电荷放大器安装在敏感元件上方，将电源与信号线连至航空插头处，在传感器外壳底部开有M6螺纹孔，用来与检测物体连接。压缩型敏感元件由质量块、环形压电陶瓷、螺钉、预紧压片和外壳组成，将环形压电陶瓷和质量块通过螺钉和预紧压片固定安装，然后装于外壳中；将环形压电陶瓷两端通过金线连接至集成式电荷放大器，最后连至包含调理放大电路、带通滤波电路、输出放大电路的后端处理电路中，集成式电荷放大器的实际电路图如上图3所示
以上所述仅是一种压缩型敏感元件的压电式振动传感器的优选实施方式，一种压缩型敏感元件的压电式振动传感器的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种压缩型敏感元件的压电式振动传感器，其特征是：所述传感器包括：压缩型敏感元件、集成式电荷放大电路、后端处理电路、内壳和航空插头；
所述压缩型敏感元件安装在内壳内，将后端处理电路和集成式电荷放大器安装在压缩型敏感元件上方，将电源与信号线连至航空插头处，在传感器外壳底部开有M6螺纹孔，用来与检测物体连接；
集成式电荷放大电路接收压缩型敏感元件产生的电荷，经过放大电路后，经由后端处理电路进行处理，输出电压信号。
2.根据权利要求1所述的一种压缩型敏感元件的压电式振动传感器，其特征是：所述压缩型敏感元件包括质量块、环形压电陶瓷、螺钉、预紧压片和外壳，将环形压电陶瓷和质量块通过螺钉和预紧压片固定安装，然后装于外壳中；将环形压电陶瓷两端通过金线连接至集成式电荷放大器。
3.根据权利要求2所述的一种压缩型敏感元件的压电式振动传感器，其特征是：所述后端处理电路包括电荷转换电路、调理放大电路、带通滤波电路和输出放大电路；所述电荷转换电路连接调理放大电路，所述调理放大电路连接带通滤波电路，所述带通滤波电路连接输出放大电路。
4.根据权利要求3所述的一种压缩型敏感元件的压电式振动传感器，其特征是：所述所述后端处理电路还包括稳压电源电路，所述稳压电源电路分别连接电荷转换电路、调理放大电路、带通滤波电路和输出放大电路。
5.根据权利要求2所述的一种压缩型敏感元件的压电式振动传感器，其特征是：环形压电陶瓷选择PZT-5A，外径为Φ5，内径为Φ1；质量块材料为铜，外径为Φ7，内径为Φ1。
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