CN114966108A - 一种超宽温加速度传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超宽温加速度传感器及其制备方法，包括压电敏感单元和与压电敏感单元连接的电缆组件，压电敏感单元包括芯体组件、基座、外罩、质量块、热应力环、预紧环和压电敏感组件。本发明在敏感组件设计中加入热应力环，以保证较宽的工作温度，压电晶体的堆叠部分采用两片引线片将所有压电片并联为一组压电敏感组件，进一步提高传感器电信号输出的稳定性。本发明具有温区宽、抗辐射强、耐腐蚀、密封性好等特点，可靠性高、响应快、密封性好、工作温区宽，可靠工作温度跨度不小于800℃，低温工作点可达‑190℃以下，高温工作点可达600℃以上，可应用于核能、航天或航空等军用、民用领域。

Description

一种超宽温加速度传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及技术领域，具体涉及一种超宽温加速度传感器及其制备方法。

背景技术

加速度测量是在各种工况下需要监测的重要指标，其指标参数是判断系统工况和环境适应性的重要条件。加速度传感器的种类较多，且在各类大型测试系统中运用广泛。但是在某些极端温度条件下，特别是连续的宽温区工况下的加速度精确测量一直是个难点。

老式压电加速度传感器稳定工作温度区间较为狭窄，通常为-80℃～+160℃之间。超出工作温度范围后，传感器易会出现压电晶体失效或电缆损坏进而导致整机失效的情况。本发明中的超宽温加速度传感器较老式传感器在极端的宽温区工况下具有良好的可靠性、稳定性和适应性。

发明内容

本发明是为了解决加速度传感器工作温度范围窄的问题，提供一种超宽温加速度传感器及其制备方法，压电敏感组件包括芯体组件、基座、预紧环、质量块、热应力环、绝缘陶瓷、引线片和压电晶体，其核心部件为可在宽温区工况下可靠工作的压电晶体，电缆组件采用灌封了金属氧化物粉末的铠装电缆，并且直接焊接在传感器基座上以保证整体的密封性。本加速度传感器适用温区宽、抗辐射强、耐腐蚀、密封性好等特点。该传感器具有可靠性高、响应快、密封性好、工作温区宽等特点。可应用于核能、航天或航空等军用、民用领域。

本发明提供一种超宽温加速度传感器，包括压电敏感单元和与压电敏感单元连接的电缆组件，压电敏感单元、电缆组件均为密封结构，压电敏感单元、电缆组件的连接处密封，压电敏感单元和电缆组件适用的环境温度范围相同；

压电敏感单元包括芯体组件，固定在芯体组件外部的基座，设置在基座上方且位于芯体组件外部的外罩，设置在外罩内部且位于芯体组件上部的质量块，设置在质量块中部的热应力环，设置在热应力环上部且位于质量块中部的预紧环和设置在质量块、芯体组件之间的压电敏感组件，芯体组件与基座的连接处密封，基座与外罩的连接处密封，芯体组件用于支撑并固定质量块、热应力环、预紧环和压电敏感组件，热应力环用于吸收质量块产生的热应力以使压电敏感组件在高温和低温时均稳定输出，预紧环用于压紧质量块、热应力环和压电敏感组件，压电敏感组件用于将加速度信号转换为电信号通过电缆组件输出。

本发明所述的一种超宽温加速度传感器，作为优选方式，压电敏感组件包括上下交替排列的引线片，压电晶体和设置在最上层的引线片上方、最下层的引线片下方的绝缘陶瓷，绝缘陶瓷的数量至少为2 个，引线片为并联结构，位于上部的绝缘陶瓷设置在质量块的底部下方，位于下部的绝缘陶瓷设置在芯体基座的上方。

本发明所述的一种超宽温加速度传感器，作为优选方式，芯体组件包括基座和设置在基座上部中央的芯体，芯体为杆状结构，质量块、热应力环、预紧环、压电敏感组件均穿过芯体，预紧环通过螺纹固定在芯体上端后再焊接熔合。

本发明所述的一种超宽温加速度传感器，作为优选方式，压电敏感组件的底部设置在所述芯体基座上，所述芯体位于所述压电敏感组件中心。

本发明所述的一种超宽温加速度传感器，作为优选方式，基座、芯体为一体式结构或者通过焊接或螺纹连接固定。

本发明所述的一种超宽温加速度传感器，作为优选方式，芯体组件、外罩、质量块、热应力环、预紧环和压电敏感组件均为轴对称结构；基座设置用于固定芯体组件和外罩的凹槽。

本发明所述的一种超宽温加速度传感器，作为优选方式，电缆组件包括电缆引线接嘴、金属铠装电缆和电连接器；压电敏感单元还包括密封连接在基座一侧的与电缆引线接嘴密封连接的开孔卡槽结构，

金属铠装电缆包括金属管，设置在金属管内部与引线片焊接的金属芯线和将金属管、金属芯线灌封固定的金属氧化物粉末，金属芯线的数量为2个，电连接器和金属铠装电缆通过焊接连接，电连接器为水密式连接器，所述电缆引线接嘴和所述金属铠装电缆通过焊接连接。

本发明提供一种超宽温加速度传感器的制备方法，包括以下步骤：

S1、压电敏感组件装配：将引线片、压电晶体上下交替排列，在最上层的引线片以上和最下层的引线片以下分别放置一个绝缘陶瓷，再将所有引线片并联，压电敏感组件装配完成；

S2、压电敏感单元装配：将芯体组件放入基座的凹槽中，再将压电敏感组件、质量块、热应力环、预紧环依次放在芯体组件上，预紧环压紧压电敏感组件、质量块和热应力环后与芯体组件焊接，再将芯体组件与基座焊接熔合，压电敏感单元装配完成；

S3、将电缆组件中的芯线与压电敏感组件中的引线片连接，电缆组件装配完成；

S4、外罩装配：将外罩放在芯体组件外侧并焊接，超宽温加速度传感器制备完成。

本发明所述的一种超宽温加速度传感器的制备方法，作为优选方式，步骤S2中，将压电敏感组件、质量块、热应力环、预紧环依次穿过芯体，预紧环与芯体螺纹连接后再焊接。

本发明所述的一种超宽温加速度传感器的制备方法，作为优选方式，步骤S3中，电缆引线接嘴与基座焊接。

本技术方案提供一种超宽温加速度传感器，该传感器主要用于环境温度变化范围较大时，振动加速度参数的测量。传感器将测得的加速度信号转换为电信号传输给后续的信号处理电路。可靠工作温度跨度不小于800℃，低温工作点可达-190℃以下，高温工作点可达600℃以上。传感器外露结构整体采用焊接工艺完成组装以保证整体密封，具有适用温区宽、抗辐射强、耐腐蚀、密封性好等特点。

一种超宽温加速度传感器，包括芯体组件、基座、外罩、预紧环、质量块、热应力环、绝缘陶瓷、引线片、压电晶体、电缆引线接嘴和电缆组件组成。其中芯体组件位于基座的内部，外罩位于基座的上方，与电缆引线接嘴密封的开孔卡槽结构位于基座侧面，电缆组件位于电缆引线接嘴内部且芯线和引线片焊接在一起，压电晶体和引线片呈交错层叠结构，绝缘陶瓷分别位于此结构的上、下表面组合为一体后放置于芯体基座上方，质量块位于绝缘陶瓷上方，热应力环位于质量块内部，预紧环位于质量块内部同时位于热应力环上方。

芯体组件由一个或多个零件组成，中心位置有螺杆状结构，螺杆根部须有一个平台结构。

基座和芯体组件之间需紧密配合后焊接在一起，外罩和基座之间需紧密配合后焊接在一起，预紧环与芯体的螺杆通过螺纹紧固后将质量块、热应力环以及由绝缘陶瓷、引线片、压电晶体组成的一体式结构紧固在芯体上，基座和电缆组件上的电缆引线接嘴焊接为一体。

电缆组件由电缆引线接嘴、金属铠装电缆和电连接器组成，其中金属铠装电缆由外部金属管、2根金属芯线和灌封在它们之间的金属氧化物粉末组成。电连接器和铠装电缆焊接为一体。金属芯线通过焊接的方式与引线片连接，用于保证信号的可靠传输。

超宽温加速度传感器主要由可在超宽温区工况下工作的压电敏感组件和电缆组件以及其他结构件组成。压电敏感组件主要由芯体组件、基座、预紧环、质量块、热应力环、绝缘陶瓷、引线片和压电晶体组成，其核心部件为可在宽温区工况下可靠工作的压电晶体。电缆组件包括电缆与电连接器，其中，电缆作为和传感器直接连接的部件，其工况温度环境要求和传感器本体一致，所以采用灌封了金属氧化物粉末的铠装电缆，电缆组件直接焊接在传感器基座上以保证整体的密封性。

本发明具有以下优点：

(1)本发明对传感器结构进行了创新性设计，在敏感组件设计中加入热应力环，以保证在较宽的工作温度下，保证压电晶体的输出的稳定性以及质量块和敏感组件贴合的紧密性。

(2)本发明对压电晶体的堆叠部分采用两片引线片将所有压电片并联为一组压电敏感组件，进一步提高传感器电信号输出的稳定性。

(3)本发明在组装过程中，传感器外漏部分采用激光焊接的组合方式结合铠装水密电缆，组装完成整机后可适用于各种测试环境。

(4)本发明超宽温加速度传感器结构采用一体式设计，适用温区宽、抗辐射强、耐腐蚀、密封性好等特点。该传感器具有可靠性高、响应快、密封性好、工作温区宽等特点，可靠工作温度跨度不小于 800℃，低温工作点可达-190℃以下，高温工作点可达600℃以上。可应用于核能、航天或航空等军用、民用领域。

附图说明

图1为一种超宽温加速度传感器结构剖面图；

图2为一种超宽温加速度传感器三维轴测图；

图3为一种超宽温加速度传感器压电敏感组件放大图；

图4为一种超宽温加速度传感器的制备方法流程图。

附图标记：

1、压电敏感单元；11、芯体组件；111、芯体基座；112、芯体；12、基座；13、外罩；14、质量块；15、热应力环；16、预紧环；17、压电敏感组件；171、绝缘陶瓷；172、引线片；173、压电晶体；2、电缆组件；21、电缆引线接嘴。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1

如图1、图2所示，一种超宽温加速度传感器，包括压电敏感单元1和与压电敏感单元1连接的电缆组件2，压电敏感单元1、电缆组件2均为密封结构，压电敏感单元1、电缆组件2的连接处密封，压电敏感单元1和电缆组件2适用的环境温度范围相同；

压电敏感单元1包括芯体组件11，固定在芯体组件11外部的基座12，设置在基座12上方且位于芯体组件11外部的外罩13，设置在外罩13内部且位于芯体组件11上部的质量块14，设置在质量块 14中部的热应力环15，设置在热应力环15上部且位于质量块14中部的预紧环16和设置在质量块14、芯体组件11之间的压电敏感组件17，芯体组件11与基座12的连接处密封，基座12与外罩13的连接处密封，芯体组件11用于支撑并固定质量块14、热应力环15、预紧环16和压电敏感组件17，热应力环15用于吸收质量块14产生的热应力以使压电敏感组件17在高温和低温时均稳定输出，预紧环 16用于压紧质量块14、热应力环15和压电敏感组件17，压电敏感组件17用于将加速度信号转换为电信号通过电缆组件2输出；

芯体组件11包括芯体基座111和设置在芯体基座111上部中央的芯体112，芯体112为杆状结构，质量块14、热应力环15、预紧环16、压电敏感组件17均穿过芯体112，预紧环16通过螺纹固定在芯体112 上端后再焊接熔合；

压电敏感组件17的底部设置在芯体基座111上，芯体112位于压电敏感组件17中心上；

基座111、芯体112为一体式结构或者通过焊接或螺纹连接固定；

芯体组件11、外罩13、质量块14、热应力环15、预紧环16和压电敏感组件17均为轴对称结构；基座12设置用于固定芯体组件 11和外罩13的凹槽；

如图3所示，压电敏感组件17包括上下交替排列的引线片172，压电晶体173和设置在最上层的引线片172上方、最下层的引线片172 下方的绝缘陶瓷171，绝缘陶瓷171的数量至少为2个，引线片172 为并联结构，位于上部的绝缘陶瓷171设置在质量块14的底部下方，位于下部的绝缘陶瓷171设置在芯体基座111的上方；

电缆组件2包括所述电缆引线接嘴21、金属铠装电缆和电连接器；

压电敏感单元1还包括密封连接在所述基座12一侧的与电缆引线接嘴21密封连接的开孔卡槽结构，所述引线片172与所述电缆组件2 的芯线连接，所述电缆组件2通过所述电缆引线接嘴21与基座开孔卡槽结构焊接；

所述金属铠装电缆包括金属管，设置在所述金属管内部与所述引线片172焊接的金属芯线和将所述金属管、所述金属芯线灌封固定的金属氧化物粉末。所述金属芯线的数量为2个，所述电连接器和所述金属铠装电缆通过焊接连接，所述电连接器为水密式连接器。所述电缆引线接嘴21和所述金属铠装电缆通过焊接连接。

实施例2

如图1为本发明超宽温加速度传感器结构剖面图，本发明的超宽温加速度传感器包括压电敏感单元1和电缆组件2；

压电敏感单元1包括芯体组件11、基座12、外罩13、质量块14、热应力环15、预紧环16、压电敏感组件17，压电敏感组件17包括引线片172、压电晶体173、绝缘陶瓷171。

外露的芯体组件11、基座12、外罩13和电缆组件2通过焊接工艺连接为一个密封的整体。其作用是在整个超宽温区的工作环境下，保证产品的密封性及抗电磁干扰能力。

绝缘陶瓷171、压电晶体173和引线片172组合为压电敏感组件后17，被质量块14、热应力环15、预紧环16组成的紧固系统牢牢压紧。其作用是保证在-190℃～+600℃的环境温度下将被测物体的加速度持续稳定的转化为电信号。

预紧环16与芯体112螺纹紧固后再通过焊接工艺将两个零件熔接为一体。其作用是在整个超宽温区的加速度测量过程中，防止预紧环16因温度应变导致的松动，进而导致的传感器整体失效。

电缆组件2为电缆引线接嘴21、金属铠装电缆和电连接器组成，其中电连接器为水密式连接器，金属铠装电缆由外部金属管、2根金属芯线和灌封在它们之间的金属氧化物粉末组成。其作用是在环境温度大于600℃的高温下可保持较高的绝缘电阻及温度稳定性，保证电信号的可靠传输。同时，传感器在突发的水下环境也可可靠工作。

电缆组件2位于电缆引线接嘴21内部且芯线和引线片172熔焊在一起。其作用是在保证整体密封性的同时，环境温度大于600℃的高温下，不会因高温导致焊点失效，进而导致的传感器整体失效。

实施例3

如图4所示，一种超宽温加速度传感器的制备方法，包括以下步骤：

S1、压电敏感组件装配：将引线片172、压电晶体173上下交替排列，在最上层的引线片172以上和最下层的引线片172以下分别放置一个绝缘陶瓷171，再将所有引线片172并联，压电敏感组件17装配完成；

S2、压电敏感单元装配：将芯体组件11放入基座12的凹槽中，再将压电敏感组件17、质量块14、热应力环15、预紧环16依次放在芯体组件11上，预紧环16压紧压电敏感组件17、质量块14和热应力环15后与芯体组件11焊接，再将芯体组件11与基座12焊接熔合，压电敏感单元1装配完成；

将压电敏感组件17、质量块14、热应力环15、预紧环16依次穿过芯体112，预紧环16与芯体112螺纹连接后再焊接；

S3、电缆组件装配：将电缆组件2的芯线与与压电敏感组件17 中所述的引线片172连接，电缆组件装配完成；

S4、外罩装配：将外罩13放在芯体组件11外侧并焊接，超宽温加速度传感器制备完成。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超宽温加速度传感器，其特征在于：包括压电敏感单元(1)和与所述压电敏感单元(1)连接的电缆组件(2)，所述压电敏感单元(1)、所述电缆组件(2)均为密封结构，所述压电敏感单元(1)、所述电缆组件(2)的连接处密封，所述压电敏感单元(1)和所述电缆组件(2)适用的环境温度范围相同；

所述压电敏感单元(1)包括芯体组件(11)，固定在所述芯体组件(11)外部的基座(12)，设置在所述基座(12)上方且位于所述芯体组件(11)外部的外罩(13)，设置在所述外罩(13)内部且位于所述芯体组件(11)上部的质量块(14)，设置在所述质量块(14)中部的热应力环(15)，设置在所述热应力环(15)上部且位于所述质量块(14)中部的预紧环(16)和设置在所述质量块(14)、所述芯体组件(11)之间的压电敏感组件(17)，所述芯体组件(11)与所述基座(12)的连接处密封，所述基座(12)与所述外罩(13)的连接处密封，所述芯体组件(11)用于支撑并固定所述质量块(14)、所述热应力环(15)、所述预紧环(16)和所述压电敏感组件(17)，所述热应力环(15)用于吸收所述质量块(14)产生的热应力以使所述压电敏感组件(17)在高温和低温时均稳定输出，所述预紧环(16)用于压紧所述质量块(14)、所述热应力环(15)和所述压电敏感组件(17)，所述压电敏感组件(17)用于将加速度信号转换为电信号通过所述电缆组件(2)输出。

2.根据权利要求1所述的一种超宽温加速度传感器，其特征在于：所述压电敏感组件(17)包括上下交替排列的引线片(172)，压电晶体(173)和设置在最上层的所述引线片(172)上方、最下层的所述引线片(172)下方的绝缘陶瓷(171)，所述绝缘陶瓷(171)的数量至少为2个，所述引线片(172)为并联结构，位于上部的所述述绝缘陶瓷(171)设置在所述质量块(14)的底部下方，位于下部的所述述绝缘陶瓷(171)设置在所述芯体基座(111)的上方。

3.根据权利要求1所述的一种超宽温加速度传感器，其特征在于：所述芯体组件(11)包括芯体基座(111)和设置在所述芯体基座(111)上部中央的芯体(112)，所述芯体(112)为杆状结构，所述质量块(14)、所述热应力环(15)、所述预紧环(16)、所述压电敏感组件(17)均穿过所述芯体(112)，所述预紧环(16)通过螺纹固定在所述芯体(112)上端后再焊接熔合。

4.根据权利要求3所述的一种超宽温加速度传感器，其特征在于：所述压电敏感组件(17)的底部设置在所述芯体基座(111)上，所述芯体(112)位于所述压电敏感组件(17)中心。

5.根据权利要求4所述的一种超宽温加速度传感器，其特征在于：所述芯体基座(111)和所述芯体(112)为一体式结构或者通过焊接或螺纹连接固定。

6.根据权利要求1所述的一种超宽温加速度传感器，其特征在于：所述芯体组件(11)、所述外罩(13)、所述质量块(14)、所述热应力环(15)、所述预紧环(16)和所述压电敏感组件(17)均为轴对称结构；所述基座(12)设置用于固定所述芯体组件(11)和所述外罩(13)的凹槽。

7.根据权利要求2所述的一种超宽温加速度传感器，其特征在于：

所述电缆组件(2)包括电缆引线接嘴(21)、金属铠装电缆和电连接器；

所述压电敏感单元(1)还包括密封连接在所述基座(12)一侧与所述电缆引线接嘴(21)密封连接的开孔卡槽结构，所述引线片(172)与所述电缆组件(2)的芯线连接，所述电缆组件(2)与所述开孔卡槽结构焊接；

所述金属铠装电缆包括金属管，设置在所述金属管内部与所述引线片(172)焊接的金属芯线和将所述金属管、所述金属芯线灌封固定的金属氧化物粉末，所述金属芯线的数量为2个，所述电连接器和所述金属铠装电缆通过焊接连接，所述电连接器为水密式连接器，所述电缆引线接嘴(21)和所述金属铠装电缆通过焊接连接。

8.一种超宽温加速度传感器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、压电敏感组件装配：将引线片(172)、压电晶体(173)上下交替排列，在最上层的引线片(172)以上和最下层的引线片(172)以下分别放置一个绝缘陶瓷(171)，再将所有引线片(172)并联，压电敏感组件(17)装配完成；

S2、压电敏感单元装配：将芯体组件(11)放入基座(12)的凹槽中，再将所述压电敏感组件(17)、质量块(14)、热应力环(15)、预紧环(16)依次放在所述芯体组件(11)上，所述预紧环(16)压紧所述压电敏感组件(17)、所述质量块(14)和所述热应力环(15)后与所述芯体组件(11)焊接，再将所述芯体组件(11)与所述基座(12)焊接熔合，压电敏感单元(1)装配完成；

S3、电缆组件装配：将电缆组件(2)中所述的芯线与所述压电敏感组件(17)中所述的引线片(172)连接，电缆组件装配完成；

S4、外罩装配：将外罩(13)放在所述芯体组件(11)外侧并焊接，超宽温加速度传感器制备完成。

9.根据权利要求8所述的一种超宽温加速度传感器的制备方法，其特征在于：步骤S2中，将所述压电敏感组件(17)、所述质量块(14)、所述热应力环(15)、所述预紧环(16)依次穿过芯体(112)，所述预紧环(16)与所述芯体(112)螺纹连接后再焊接。

10.根据权利要求8所述的一种超宽温加速度传感器的制备方法，其特征在于：步骤S3中，所述电缆组件(2)上的所述电缆引线接嘴(21)与基座(12)焊接。

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