CN115127667A - 一种单触点与腔体相结合的高敏感压电式声振动传感器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及振动传感领域，具体提供了一种单触点与腔体相结合的高敏感压电式声振动传感器，该振动传感器包括：该传感器包括第一结构层、第二结构层、第三结构层、腔体。腔体的形状为缺少一个底面的空心圆柱体状，第二结构层为圆片状的金属材料，第二结构层粘合固定于腔体的敞口处，第二结构层和腔体形成密闭腔室，第三结构层固定设置于第二结构层靠近腔体一侧，第三结构层为压电材料，第一结构层粘合固定于第二结构层远离腔体一侧，第一结构层远离第二结构层一侧固定设置有胶粒触点。本发明传感器的灵敏度较高、稳定性较强。

Description

一种单触点与腔体相结合的高敏感压电式声振动传感器

技术领域

本申请涉及振动传感领域，具体而言，涉及一种单触点与腔体相结合的高敏感压电式声振动传感器。

背景技术

声振动与人们的日常生活有千丝万缕的关系。声振动无处不在，随着社会的进步，对声振动的检测提出了新的要求。当前，消费类市场带来的巨大市场机遇，对声振动的检测比过去任何时候都重要。声振动的探测存在于各个领域，如医疗领域和工业领域等等，声振动的高灵敏探测十分重要。

目前声振动传感器主要有压电式传感器、电容式传感器和磁电式传感器三种。其中，电容式传感器是以电容器为传感单元，将被测量转换为电容量变化的装置，常见的有平行板电容器传感器和圆筒型电容器。磁电式传感器主要利用电磁感应原理，其输出功率较大。压电式传感器的工作原理主要为正压电效应，主要用于加速度、压力和振动等各种物理量及其变化的测量。现有压电式传感器一般仅由压电材料和铜基底构成，由于仅仅依靠铜基底的形变使得压电材料形变，形变程度较小，因此压电材料的电学特性改变较小，所以传感器的灵敏度较低。同时，压电材料和铜基底构成的传感器的谐振频率较高，对低频声振动信号的探测效果较差，使得传感器的灵敏度不高。

综上所述，现有的压电式传感器的谐振频率较高、声振动引起压电材料的振幅较小，使得现有声振动传感器的灵敏度较低。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种单触点与腔体相结合的高敏感压电式声振动传感器，该传感器包括胶粒触点、第一结构层、第二结构层、第三结构层、腔体、外壳。腔体的形状为缺少一个底面的空心圆柱体状，第二结构层为圆片状的金属材料，具体的，腔体的腔壁和第二结构层的材料均为金属铜，金属铜的延展性好、抗压强度高，作为第二结构层容易形变，作为腔体的腔壁强度较好，容易保持腔体的形状。第二结构层的半径和腔体的底面半径相同，第二结构层粘合固定于腔体的敞口处，第二结构层和腔体形成密闭腔室，形成电屏蔽，消除电容耦合，防止静电感应，以减少周围环境的场强对结构整体性能的影响，从而提升本发明振动传感器的传感准确率。腔体的腔壁设置有一小孔，便于将正负极的导线引出。

第三结构层使用绝缘胶粘合固定设置于第二结构层靠近腔体一侧，绝缘胶使得二者之间绝缘，从而形成电回路时不至于短路或载流子转移。具体的，第三结构层为压电材料，优选地，第三结构层为压电陶瓷PZT材料，由于正压电效应，在外力作用下，本发明中的外力指第三结构层的形变，压电材料内部产生电极化效应，从而其上电压发生改变，通过外电路探测得到。更具体的，第二结构层和第三结构层分别与负极和正极固定连接，使得本发明传感器接入外电路。

第一结构层粘合固定于第二结构层远离腔体一侧，第一结构层为圆片状导声材料，第一结构层的材料为3M背胶材料。第一结构层对第二结构层起到保护作用，防止第二结构层氧化，以降低第二结构层的电学特性。第一结构层远离第二结构层一侧粘合固定于有胶粒触点，具体地，使用聚氨酯胶水粘合连接。胶粒触点的材料为导声材料，具体地，胶粒触点的形状为圆柱状，胶粒触点的材料为硅胶，硅胶材质有很好的柔软性和弹性，缓冲性能良好，同时具有良好的导声性和耐磨性，胶粒触点能够产生更大的振幅，从而依次使得第二结构层、第三结构层的形变程度更大，从而探测灵敏度较高。胶粒触点和第一结构层共同接收待测声振动。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

(1)本发明传感器由胶粒触点、第一结构层、第二结构层、第三结构层、腔体、外壳构成，第二结构层和腔体形成密闭腔室，胶粒触点、第一结构层、第二结构层、第三结构层之间依次紧密接触，传递待测声振动，由于传递过程中声振动的损耗较小，最终使得压电材料的第三结构层产生较大的形变，即声振动引起的压电材料的振幅较大，由于压电材料的正压电效应，第三结构层内产生电极化现象，使得第三结构层的电压信号变化，通过外电路探测得到电压信号的变化，因此本发明传感器的灵敏度较高。

(2)第三结构层振动时，使得腔体内的空气随之膨胀或压缩，即声波在腔体内进行传播，同时在腔壁上多次反射，在第三结构层处多次叠加，使得第三结构层的形变程度更大，进一步增强了声振动引起的压电材料的振幅，对于压电材料，由于正压电效应，较大的压力变化会使得第三结构层的电极化现象更强，第三结构层表面上的电位差增大，通过外电路探测到电压信号的变化较大，因此，本发明传感器的灵敏度较高。

(3)由于胶粒触点和第一结构层共同接收声振动，且二者之间存在耦合，本发明结构的谐振频率较小，这样低频响应较好，低频信息较多，低频信息包含更多的声振动信息，较多的低频信息使得探测准确率较高。

(4)本发明传感器的响应带宽范围内的平坦度较好，探测信号更稳定，因此本发明传感器的稳定性较好。

附图说明

图1为本发明提供的一种单触点与腔体相结合的高敏感压电式声振动传感器的主视图；

图2为本发明提供的一种单触点与腔体相结合的高敏感压电式声振动传感器的立体图；

图3为本发明提供的一种单触点与腔体相结合的高敏感压电式声振动传感器的部件分离示意图(实体)；

图4为本发明提供的一种单触点与腔体相结合的高敏感压电式声振动传感器的部件分离示意图(线条)；

图5为本发明提供的一种单触点与腔体相结合的高敏感压电式声振动传感器的胶粒触点的厚度(圆柱体的高度)和传感器谐振频率的关系；

图6为本发明提供的一种单触点与腔体相结合的高敏感压电式声振动传感器的谐振频率仿真结果；

图7为本发明提供的一种单触点与腔体相结合的高敏感压电式声振动传感器去除胶粒触点时的谐振频率仿真结果；

图8为本发明提供的一种单触点与腔体相结合的高敏感压电式声振动传感器的谐响应分析曲线；

图9为本发明提供的一种单触点与腔体相结合的高敏感压电式声振动传感器去除胶粒触点时的谐响应分析曲线。

图标：1-胶粒触点；2-第一结构层；3-第二结构层；4-第三结构层；5-腔体；6-外壳。

具体实施方式

为了使本发明的实施过程更加清楚，下面将会结合附图进行详细说明。

本发明提供了一种单触点与腔体相结合的高敏感压电式声振动传感器，如图1、图2、图3、图4所示，该传感器包括：胶粒触点1、第一结构层2、第二结构层3、第三结构层4、腔体5、外壳6。腔体5为圆柱形的空心腔体5，腔壁的材料为金属铜，圆柱形腔体5的顶面敞开，以方便在敞口处设置与其形状和尺寸相匹配的第二结构层3，第二结构层3的形状为扁平的圆柱状，尺寸与腔体5的敞口相匹配，即第二结构层3为敞口腔体5的“盖子”，第二结构层3和腔体5形成密闭空间，第二结构层3的厚度范围为0.1-0.2mm，通过实际的测试，这样的厚度范围可以保证第二结构层3不会太薄以至于破碎，也不会太厚使得形变太小，灵敏度降低，因此，第二结构层3的厚度为0.1-0.2mm，使得第二结构层3不易破碎且形变量较大，从而本发明传感器更耐用，且灵敏度高。具体地，第二结构层3靠近腔体5一侧的平面不是平面，靠近边缘位置的厚度均较薄，较薄区域的平面为同心圆，同心圆的半径差小于腔体5的腔壁厚度，使得第二结构层3中间区域较厚，形成向腔体5一侧的凸起状，对应地，腔体5敞口处的腔壁也不是平面，腔壁靠近腔体5内侧的一周的高度小于边缘一周，形成半个凹槽状，与第二结构层3靠近腔体5一侧的凸起状相匹配，第二结构层3 和腔体5接触处通过胶水固定粘合连接在一起，具体地，采用的是聚氨酯胶水，这样能够使得第二结构层3和腔体5的接触更加紧密和牢固，形成密闭腔体5；第二结构层3的材料为铜，材料均为铜的腔体5和第二结构层3形成密闭的空间，这样形成屏蔽腔体，将其内部电路的地线与机体导联，形成电屏蔽，消除电容耦合，防止静电感应，以减少周围环境的场强对结构整体性能的影响，从而提升本发明振动传感器的传感准确率；铜材料价格低廉，延展性好，抗压强度较高、耐性好，在使用时稳定可靠适用于腔壁，薄的金属铜容易变形，适用于第二结构层3，其次铜材料的导电性较好，方便在其上设置电极。腔体 5的腔壁上设置有小孔，用以引出导线，具体地，小孔设置在腔壁中心高度处，若设置在靠近第二结构层3一侧，距离第三结构层4太近，操作时容易对第三结构层4造成损坏；若设置在腔壁远离第二结构层3一侧，即小孔位置距离第三结构层4较远，对第二结构层3和第三结构层4做正负极引线时，导线距离太长，且经过实验测试，小孔设置在腔壁中心高度处对结构整体性能的影响较小。腔壁的厚度需要大于1.0mm，具体地，可以为1.1mm。

在第二结构层3远离腔体5一侧，固定设置有第一结构层2，第一结构层2和第二结构层3之间通过聚氨酯胶水粘合连接。第一结构层2的材料为3M背胶材料，3M背胶材料具有良好的导声性和耐磨性；一方面，第一结构层2与第二结构层3的接触面积较大，且第一结构层2具有很好的导声性，能够将胶粒触点1的声振动很好地传递给第二结构层3，使得第二结构层3 形变，同时，第一结构层2也暴露在待测声场中，这样待测声场也使得第一结构层2随之振动，即第一结构层2能够单独接收声振动，从而使得第二结构层3的形变程度更大，从而提升传感器的灵敏度；另一方面，第一结构层2的耐磨性使得第一结构层2起到保护第二结构层3的目的，使得第二结构层3不直接接触空气，从而避免第二结构层3氧化，第二结构层3的氧化会使得其材料由金属铜变为氧化铜，而氧化铜材料的导电性、延展性、抗压性均不如金属铜，因此，防止第二结构层3 的氧化使得本发明传感器稳定性较强。第一结构层2的形状为扁圆柱状；扁圆柱状的高度即第一结构层2的厚度可以为 0.05mm，实验测试表明，第一结构层2的厚度为0.05mm时本发明传感器的灵敏度较高，这是由于这个厚度时第一结构层2的导声性较好，第一结构层2通过购买得到。胶粒触点1固定设置于第一结构层2远离第二结构层3一侧，第二结构层3和胶粒触点1之间通过聚氨酯胶水粘合连接。胶粒触点1远离第一结构层2一端用于接收振动信号。

胶粒触点1的材料为硅胶，胶粒触点1靠近第一结构层2 一端的端面材料为3M背胶材料，这样能够使得胶粒触点1和第一结构层2容易固定连接在一起，同时胶粒触点1和第一结构层2之间的接触部分均为3M背胶材料，这使得振动时二者之间更容易耦合在一起，从而降低谐振频率；硅胶材质有很好的柔软性和弹性，缓冲性能良好，同时具有良好的导声性和耐磨性，在待测声振动不变的情况下，胶粒触点1能够产生更大的振幅，从而使得第二结构层3的形变程度更大，从而探测灵敏度较高。

胶粒触点1的形状为圆柱形，当本发明传感器用作心音心电传感器时，圆柱形胶粒接触人体会更加舒适，异物感会减少；圆柱形胶粒触点1为扁圆柱状，具体地，图5显示，传感器的谐振频率与圆柱胶粒触点1的高度的关系，可知，圆柱高度越高，谐振频率越低，同时，圆柱高度越高，待测声振动的传递越容易失真能量损耗也较大，因此，圆柱高度为4-6mm，过高时声振动的传递失真较严重，能量损耗较大，过低时谐振频率较高，探测不到低频信息，更具体地，圆柱高度可以为5mm。圆柱胶粒触点1的底面直径可以为15mm，这样扁圆柱状的胶粒触点1与待测振动信号和第一结构层2的接触面积较大，能够使得第一结构层2的形变更加均匀，进而使得第二结构层3、第三结构层4的形变程度更大，使得第三结构层4的电学特性改变更多，灵敏度较高；且胶粒触点1和第一结构层2的距离较近，减少了由于距离较远带来的声振动传递失真和能量损失，从而提升本发明传感器的准确度较高；胶粒触点1的圆柱中心轴线通过第一结构层2的几何中心，且垂直于第一结构层2靠近胶粒触点1一侧的平面，这使得声振动经胶粒触点1传播作用在第三结构层4的位移最大处，从而产生较大的形变，由于正压电效应，使得第三结构层4的电学特性改变较大，从而探测到的电信号的改变较大，即本发明传感器的灵敏度较高；胶粒触点1的数目为一个，使用一个胶粒触点1接收声振动，可以使胶粒触点1的振动形变更集中于第三结构层4中心位移最大处，从而灵敏度较高。胶粒触点1和第一结构层2共同接收待测声振动，二者之间产生耦合能够降低本发明传感器的谐振频率，从而包含更多低频声振动，而声振动的有效信息处于低频，因此，本发明传感器的灵敏度较高。

第二结构层3靠近腔体5一侧固定设置有第三结构层4，二者通过绝缘粘合剂固定在一起，这样第三结构层4随着第二结构层3的形变而形变，且二者之间绝缘。第三结构层4为压电材料，具体地，为压电陶瓷PZT材料。第三结构层4的形状为扁圆柱状，圆柱的底面半径略小于第二结构层3靠近腔体5一侧的凸起平面的半径，且扁圆柱状第三结构层4的中心轴线和第二结构层3的中心轴线共线，具体地，底面直径可以为 15-20mm，由于正压电效应带来的电信号变化与压电材料的面积和形变程度均有关系，面积越大，相同形变程度的形变引起的压电材料的电学特性的改变越大，且留有间隙用于给第二结构层3加电压，这样能够保证正压电效应产生的电信号的变化较大，即传感器的灵敏度较高，且方便设置电压；第三结构层4 为厚度即扁圆柱的高可以为0.2mm，测试结果表明，该厚度传感器的灵敏度最高。由于压电陶瓷材料的正压电效应，第三结构层4的形变会使得结构内部产生电极化现象，从而机械能转化为电能，引起外电路中电信号的变化，实现声振动的传感。在第二结构层3靠近腔体5一侧表面上，与第三结构层4之间的间隙处固定焊接负极，第三结构层4靠近腔体5一侧的表面上任意位置固定焊接正极，正负极的导线通过腔体5侧壁上的小孔引出腔体5，与外电路连接，同时为了保证腔体5的密闭性，小孔的尺寸略大于导线的直径之和，同时使用热熔胶密封孔洞；由于第二结构层3和第三结构层4之间通过绝缘胶固定，因此二者之间不导通，将正负极连接外电路，形成探测回路。由于压电材料易破碎，通过第二结构层3的形变使得第三结构层4 产生形变，能够增大第三结构层4的受力面积，使其受力均匀，减小压强，从而防止了第三结构层4的破碎，提升本发明传感器的安全性；第三结构层4的形变，即第三结构层4的振动，会使得密闭腔体5内的空气随着第三结构层4的振动产生周期性膨胀与收缩，在腔壁上多次反射叠加，再次作用于第三结构层4上，使得第三结构层4的形变程度更大，从而将更多的机械能转化为电能，探测到电信号的变化较大，提升本发明传感器的灵敏度；同时将第三结构层4设置于第二结构层3靠近腔体5一侧，能够减小本发明传感器的体积，使得器件符合微型化的趋势。

外壳6的材料为环氧树脂，不饱和聚酯树脂质量轻、强度高、耐化学腐蚀、电绝缘，且其成型方法简单易操作，因此选择其中的环氧树脂作为外壳6，可以有效防腐蚀；外壳6的形状与腔体5相同，尺寸略大于腔体5，具体地，腔体5的外表面与外壳6的内表面尺寸相匹配，尺寸几乎一致，腔体5与外壳6 之间通过聚氨酯胶水固定连接，以保证结构的密封性。外壳6 的厚度可以为0.8mm，这样既能起到有效的保护作用，也使得本发明传感器的质量较轻。外壳6的壳壁上有与腔体5腔壁上对应的小孔。

应用时，第三结构层4引出的导线与正极连接，第二结构层3引出的导线与负极连接，和电源一同构成外电路，用于探测外电路中的电压信号。具体地，外电路中还包括滤波模块、放大模块、传输模块等等，这些模块的设置仅在于如何更好地得到电压的变化。胶粒触点1和第一结构层2用于接收待测声振动，在待测声振动的作用下，胶粒触点1使得第一结构层2 振动形变，第二结构层3随着第一结构层2的振动而振动，从而使得第三结构层4振动，产生形变，根据正压电效应，产生电极化现象，第三结构层4表面上的电位差变化，通过外电路探测到电压信号变化，探测待测声振动的振动情况。胶粒触点1 的低损耗、高传导特性和胶粒触点1与第一结构层2、第二结构层3之间大面积紧密连接，且第一结构层2、第二结构层3均易于形变，这些使得第三结构层4的形变程度更大；同时，第三结构层4振动时，使得腔体5内的空气随之膨胀或压缩，即声波在腔体5内进行传播，同时在腔壁上多次反射，在第三结构层4处多次叠加，使得第三结构层4的形变程度更大；第三结构层4的形变程度更大，对于压电材料，由于正压电效应，较大的压力变化会使得第三结构层4的电极化现象更强，第三结构层4表面上的电位差增大，通过外电路探测到电压信号的变化较大，因此，本发明传感器的灵敏度较高。

同时，胶粒触点1和第一结构层2的振动相互耦合，尤其在二者接触处，胶粒触点1小面积的点振动和第一结构层2的面振动相互耦合，使得本发明结构的谐振频率小，这样低频响应较好，低频信息较多，低频信息包含更多的声振动信息，较多的低频信息使得探测准确率较高。具体地，利用COMSOL有限元仿真软件得到的仿真结果表明，本发明结构的谐振频率小，更具体地，如图6和图7所示，为本发明传感器设置胶粒触点1 和不设置胶粒触点1时的谐振有频率结果分别为1192.5Hz和 2024.5Hz，前者低于后者，设置有胶粒触点1的传感器对应的谐振频率大大降低，这样能够获得更低频的声振动，从而本发明装置的灵敏度较高。图8和图9为设置胶粒触点1和不设置胶粒触点1时的谐响应分析曲线，设置胶粒触点1后，对比图7 和图8可知，在达到拐点前的一定范围内起伏不是很大，趋于平缓，平坦度较高，即传感器响应带宽范围内的平坦度提升，探测信号更稳定，因此本发明传感器的稳定性较好。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种单触点与腔体相结合的高敏感压电式声振动传感器，其特征在于，所述传感器包括第一结构层、第二结构层、第三结构层、腔体，所述腔体的形状为缺少一个底面的空心圆柱体状，所述第二结构层为圆片状的金属材料，所述第二结构层粘合固定于所述腔体的敞口处，所述第二结构层和所述腔体形成密闭腔室，所述第三结构层固定设置于所述第二结构层靠近所述腔体一侧，所述第三结构层为压电材料，所述第一结构层粘合固定于所述第二结构层远离所述腔体一侧。

2.根据权利要求1所述的单触点与腔体相结合的高敏感压电式声振动传感器，其特征在于，第二结构层的半径和所述腔体的底面半径相同。

3.根据权利要求2所述的单触点与腔体相结合的高敏感压电式声振动传感器，其特征在于，所述第一结构层远离所述第二结构层一侧固定设置有所述胶粒触点，所述胶粒触点和所述第一结构层共同接收待测声振动。

4.根据权利要求3所述的单触点与腔体相结合的高敏感压电式声振动传感器，其特征在于，所述第二结构层和所述第三结构层之间通过绝缘胶固定连接。

5.根据权利要求4所述的单触点与腔体相结合的高敏感压电式声振动传感器，其特征在于，所述第二结构层靠近所述腔体一侧的平面中心区域厚度大于边缘区域的厚度。

6.根据权利要求5所述的单触点与腔体相结合的高敏感压电式声振动传感器，其特征在于，所述腔体、所述第一结构层、所述第二结构层、所述第三结构层、所述胶粒触点。

7.根据权利要求6所述的单触点与腔体相结合的高敏感压电式声振动传感器，其特征在于，所述腔体的侧壁上设置有小孔。

8.根据权利要求1所述的单触点与腔体相结合的高敏感压电式声振动传感器，其特征在于，所述第一结构层的材料为3M背胶材料。

9.根据权利要求1所述的单触点与腔体相结合的高敏感压电式声振动传感器，其特征在于，所述第二结构层的材料为金属铜，所述第三结构层的材料为压电陶瓷。

10.根据权利要求1所述的单触点与腔体相结合的高敏感压电式声振动传感器，其特征在于，所述腔体腔壁的材料的为金属铜。

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