CN117129712A - 一种环形压电陶瓷六维加速度传感器及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种环形压电陶瓷六维加速度传感器及其测量方法，属于加速度传感器领域，包括底座、敏感芯体、盖板、接嘴壳和接嘴，底座为正六面体结构，敏感芯体包括三个轴向芯体和三个周向芯体，正六面体结构中一面的敏感芯体安装腔体上端内嵌接嘴壳，接嘴壳上端内部插接接嘴，接嘴下端连接有引线，其余五面的敏感芯体安装腔体上端嵌入盖板；周向芯体为带有环形压电陶瓷的剪切式芯体，通过环形压电陶瓷与剪切型质量块接触面之间的剪切作用实现周向加速度的测量。本发明使用压缩式芯体测量轴向加速度，并设计了一种新型的带有环形压电陶的剪切式芯体用于测量周向加速度，整体结构紧凑、耐高温，有效提升了传感器的测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种环形压电陶瓷六维加速度传感器及其测量方法，属于加速度传感器技术领域。
背景技术
六维加速度传感器在航空航天、汽车安全、机器人、机械设备等领域有着广泛的应用，传统的方法是依靠三轴线加速度和单轴角加速度协同工作，在安装使用过程中会造成极大的困扰，同时测量的结果数据也会因安装环境恶劣而造成较大的误差，从而无法得到正确的结果分析。
当前，六维加速度传感器仍处于研究发展阶段，为满足六维加速度测量及安装使用便捷，有必要设计一种结构紧凑、测量精度较高的六维加速度传感器。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种环形压电陶瓷六维加速度传感器及其测量方法，使用压缩式芯体测量轴向加速度，并设计了一种新型的带有环形压电陶的剪切式芯体用于测量周向加速度，整体结构紧凑、耐高温，有效提升了传感器的测量精度。
本发明采用以下技术方案：
一种环形压电陶瓷六维加速度传感器，包括底座、敏感芯体、盖板、接嘴壳和接嘴，所述底座为正六面体结构，六面上设有敏感芯体安装腔体，敏感芯体包括三个轴向芯体和三个周向芯体，正六面体结构相邻三面上分别垂直安装有三个轴向芯体，三个轴向芯体的轴线相互垂直，定义底座中心为原点，三个轴向芯体的轴线方向分别为X轴、Y轴和Z轴正方向，用于测量X轴、Y轴和Z轴的轴向加速度；X轴、Y轴和Z轴负方向上分别安装三个周向芯体，用于测量X轴、Y轴和Z轴的周向加速度；
正六面体结构中一面的敏感芯体安装腔体上端内嵌接嘴壳，接嘴壳上端内部插接接嘴，接嘴下端连接有引线，引线与敏感芯体相连接，用于传输信号，其余五面的敏感芯体安装腔体上端嵌入盖板；
所述周向芯体为带有环形压电陶瓷的剪切式芯体，通过环形压电陶瓷与剪切型质量块接触面之间的剪切作用实现周向加速度的测量。
优选的，所述周向芯体包括中心柱、剪切型绝缘环、剪切型电荷极片、环形压电陶瓷、剪切型质量块和合金圈，中心柱为柱状结构且一端带螺纹，剪切型绝缘环、剪切型电荷极片、环形压电陶瓷和剪切型质量块均包括对称分布的两个圆心角小于180°的半圆环状结构，剪切型绝缘环、剪切型电荷极片、环形压电陶瓷和剪切型质量块依次套设在中心柱上，剪切型质量外部包裹合金圈，合金圈为圆环状结构；
所述环形压电陶瓷为经过极化后的压电陶瓷，具有正负极，正极贴合剪切型电荷极片安装。
优选的，剪切型绝缘环、剪切型电荷极片、环形压电陶瓷及剪切型质量块中，对称分布的两个半圆环状结构之间均设置缺口。缺口可以保证两块半环形陶瓷的端部不会接触，一旦接触就会短路，导致传感器无法测量到信号。
优选的，所述轴向芯体为压缩型结构，包括压缩型压电陶瓷、压缩型电荷极片、绝缘片、绝缘环、压缩型质量块和紧固螺栓，压缩型压电陶瓷、压缩型电荷极片、绝缘片均为圆环型片状结构，绝缘环和压缩型质量块均为圆环状结构，所述压缩型质量块、压缩型压电陶瓷、压缩型电荷极片、绝缘片和绝缘环同轴设置，压缩型质量块和绝缘环套设于紧固螺栓上，压缩型压电陶瓷、压缩型电荷极片和绝缘片套设于绝缘环上；
所述压缩型压电陶瓷为经过极化后的压电陶瓷，具有正负极，正极贴合压缩型电荷极片安装。
优选的，所述敏感芯体安装腔体内设置有安装螺纹孔，安装时，轴向芯体通过紧固螺栓旋紧于敏感芯体安装腔体的安装螺纹孔上，紧固螺栓外套有绝缘环；周向芯体通过中心柱一端的螺纹旋紧于敏感芯体安装腔体的安装螺纹孔上。
优选的，剪切型质量块和压缩型质量块的材质为高比重合金，剪切型电荷极片和压缩型电荷极片的材质为inconel 600，绝缘片和绝缘环的材质为PEEK，底座、盖板、接嘴壳和接嘴的材质均为镍基合金材料，为使传感器在高温环境下更好的工作，在底座、盖板、接嘴壳和接嘴表面采用电弧离子镀方法喷涂有一层YSZ热障涂层。
优选的，所述接嘴的材料采用高温烧结玻璃，用于与接嘴壳进行隔离，接嘴下端设置有6根接线端，6根接线端下端连接6根引线，其中3根引线连接至压缩型电荷极片，用于传输X、Y、Z向轴向振动信号；3根引线连接至剪切型电荷极片，用于传输X、Y、Z向的周向振动信号；
所述底座与盖板之间、底座与接嘴壳之间、以及接嘴壳与接嘴之间均采用激光焊接密封，使得传感器内部形成密封空间，焊缝深度为1mm，所述底座、盖板、接嘴壳和接嘴均采用镍基合金材料。
本发明采用传统的压缩式芯体和新设计的环形剪切型芯体结合的方式提供了一种六维传感器，用于周向测量的芯体做出了创新；传感器整体结构紧凑，空间运用合理，使传感器体积小型化；在耐高温性能方面本发明使用镍基合金作为壳体（底座、盖板、接嘴壳和接嘴组成壳体）材料，同时在传感器表面喷涂YSZ热障涂层，双重保障了传感器的耐高温性能。
优选的，所述底座上设置有安装孔，用于安装在待测装置上。
优选的，六维加速度传感器的安装方法如下：
S1、组装并安装轴向芯体：
将压缩型质量块、压缩型压电陶瓷、压缩型电荷极片、绝缘片按顺序堆叠在一起，保证中部的通孔同轴，将紧固螺栓从中部的通孔穿过，紧固螺栓上套入绝缘环以定位并绝缘压缩型压电陶瓷、压缩型电荷极片和绝缘片；
将组装好的轴向芯体安装于敏感芯体安装腔体，紧固螺栓待螺纹的一端旋紧于安装螺纹孔内，用于测量X、Y、Z的轴向加速度；
S2、组装并安装周向芯体：
通过安装支具安装周向芯体，安装支具为圆柱状，安装支具中部设置有安装区，安装区边缘为限位环，用于对剪切型绝缘环、剪切型电荷极片、环形压电陶瓷和剪切型质量块限位，安装区中心设置有中心孔，中心孔两侧对称分布有两个凸块，用于隔绝剪切型绝缘环、剪切型电荷极片、环形压电陶瓷和剪切型质量块中两个半圆环状结构之间的缺口，并保证多个缺口的端面平齐；
将中心柱带螺纹的一端穿入安装支具中心孔内，将两个剪切型绝缘环、两个剪切型电荷极片、两个环形压电陶瓷、两个剪切型质量块依次套入中心柱，缺口通过安装支具两个凸块隔离开，然后用合金圈热缩紧固起来，待合金圈紧固完成从周向芯体底部抽出安装支具；
将组装好的周向芯体安装于敏感芯体安装腔体，中心柱带有螺纹的一端，旋紧于安装螺纹孔内，用于测量X、Y、Z的周向加速度；
本发明在装配传感器之前先把敏感芯体组装好，装周向敏感芯时用到了安装支具，可以保证芯体各端面和居中等要求满足后，用合金圈热缩紧固起来，合金圈采用镍钛铌合金，遇热会收缩，起到紧固芯体的作用，其紧固力最少可达300磅，同时周向敏感芯在振动过程中其剪切型质量块会有运动趋势，并不会真的运动，因此可以保证在使用过程中多个半环形的端部对齐问题。
S3、安装盖板、接嘴壳，焊接引线，焊接接嘴：
将轴向芯体的压缩型电荷极片和周向芯体的剪切型电荷极片分别焊接上引线，然后将接嘴壳焊接至其中一个敏感芯体安装腔体上端内壁处，并将引线从接嘴壳引出并焊接至接嘴的6个接线端，最后将接嘴焊接至接嘴壳上端内部，其他敏感芯体安装腔体分别卡入盖板并焊接密封；本发明的传感器内部绝缘措施完善，结果输出稳定。
S4、在待测装置上通过安装孔将六维加速度传感器旋紧于待测装置上进行测量。
一种基于上述的环形压电陶瓷六维加速度传感器的测量方法，对于轴向芯体，其压缩型压电陶瓷受到压缩或拉伸作用时，在压缩型压电陶瓷的上下表面会产生等量异种电荷；对于周向芯体，其环形压电陶瓷受到剪切作用时，在环形压电陶瓷的内外表面会产生等量异种电荷；
当传感器受到X轴轴向加速度时，位于X轴正方向的轴向芯体的压缩型质量块挤压压缩型压电陶瓷，使压缩型压电陶瓷的一面产生电荷Q1并通过压缩型电荷极片输出到接嘴，进而传输到采集系统，压缩型压电陶瓷的另一面产生的电荷通过与底座导通进而输送至地面，此时Y轴和Z轴正方向的压缩型压电陶瓷不受压缩作用不产生电荷，X轴、Y轴和Z轴负方向周向芯体的环形压电陶瓷不受剪切作用不产生电荷；
当传感器受到Y轴轴向加速度时，位于Y轴正方向的轴向芯体的压缩型质量块挤压压缩型压电陶瓷，使压缩型压电陶瓷的一面产生电荷Q2并通过压缩型电荷极片输出到接嘴，进而传输到采集系统，压缩型压电陶瓷的另一面产生的电荷通过与底座导通进而输送至地面，此时Y轴和Z轴正方向的压缩型压电陶瓷不受压缩作用不产生电荷，X轴、Y轴和Z轴负方向周向芯体的环形压电陶瓷不受剪切作用不产生电荷；
当传感器受到Z轴轴向加速度时，位于Z轴正方向的轴向芯体的压缩型质量块挤压压缩型压电陶瓷，使压缩型压电陶瓷的一面产生电荷Q3并通过压缩型电荷极片输出到接嘴，进而传输到采集系统，压缩型压电陶瓷的另一面产生的电荷通过与底座导通进而输送至地面，此时Y轴和Z轴正方向的压缩型压电陶瓷不受压缩作用不产生电荷，X轴、Y轴和Z轴负方向周向芯体的环形压电陶瓷不受剪切作用不产生电荷；
当传感器受到X轴周向加速度时，位于X轴负方向的周向芯体的剪切型质量块发生微小转动趋势并对环形压电陶瓷施加剪切力，使环形压电陶瓷一面产生电荷Q4并通过剪切型电荷极片输出到接嘴，进而传输到采集系统，环形压电陶瓷另一面产生的电荷通过中心柱输出至地面，此时X、Y、Z轴正方向的压缩型压电陶瓷不受压缩作用不产生电荷，Y轴和Z轴负方向的环形压电陶瓷不受剪切作用不产生电荷；
当传感器受到Y轴周向加速度时，位于Y轴负方向的周向芯体的剪切型质量块发生微小转动趋势并对环形压电陶瓷施加剪切力，使环形压电陶瓷一面产生电荷Q5并通过剪切型电荷极片输出到接嘴，进而传输到采集系统，环形压电陶瓷另一面产生的电荷通过中心柱输出至地面，此时X、Y、Z正方向的压缩型压电陶瓷不受压缩作用不产生电荷，X轴和Z轴负方向的环形压电陶瓷不受剪切作用不产生电荷；
当传感器受到Z轴周向加速度时，位于Z轴负方向的周向芯体的剪切型质量块发生微小转动趋势并对环形压电陶瓷施加剪切力，使环形压电陶瓷一面产生电荷Q6并通过剪切型电荷极片输出到接嘴，进而传输到采集系统，环形压电陶瓷另一面产生的电荷通过中心柱输出至地面，此时X、Y、Z正方向的压缩型压电陶瓷不受压缩作用不产生电荷，X轴和Y轴负方向的环形压电陶瓷不受剪切作用不产生电荷；
产生的轴向加速度和周向加速度的计算过程为：
其中，ax为X轴的轴向加速度，ay为Y轴的轴向加速度，az为Z轴的轴向加速度，aMx为X轴的周向加速度，aMy为Y轴的周向加速度，aMz为Z轴的周向加速度，K 1为X轴轴向芯体的灵敏度，K 2为Y轴轴向芯体的灵敏度，K 3为Z轴轴向芯体的灵敏度，K 4为X轴周向芯体的灵敏度，K 5为Y轴周向芯体的灵敏度，K 6为Z轴周向芯体的灵敏度，Q 1为X轴的轴向芯体输出的电荷量，Q 2为Y轴的轴向芯体输出的电荷量，Q 3为Z轴的轴向芯体输出的电荷量，Q 4为X轴的周向芯体输出的电荷量，Q 5为Y轴的周向芯体输出的电荷量，Q 6为Z轴的周向芯体输出的电荷量。
本发明创新的设计了环形压电陶瓷，其测量原理为：以Z轴为例，当传感器受Z轴周向加速度时，Z轴周向芯体的剪切型质量块发生惯性微观旋转，该旋转过程中两块剪切型质量块同步进行，且两片环形压电陶瓷外表面与剪切型质量块内表面紧密贴合，面-面接触使得受力更加均匀，因此本发明可对两块环形压电陶瓷的a面施加均匀的剪切力，使环形陶瓷片的a、b面均匀产生等量异种电荷，其中a面的电荷通过电荷极片输出到接嘴，进而传输到采集系统，b面的电荷通过中心柱输出至地面。相较于传统的陀螺仪，本发明所示结构更为简单，便于生产装配。
本发明未详尽之处，均可采用现有技术。
本发明的有益效果为：
（1）本发明提供了一种环形压电陶瓷结构的敏感芯体，和传统的压缩式芯体组合合成可测六维加速度的传感器，以满足X、Y、Z轴向和X、Y、Z轴周向振动的情况测试。
（2）本发明所设计的新型带有环形压电陶的剪切式周向芯体，其剪切方式为转动剪切，在转动时两片环形压电陶瓷一起受剪切力，两片环形压电陶瓷与剪切型质量块紧密贴合，面-面接触使得受力更加均匀，且不易损坏，大幅提升了测量数据的可靠性和精确度；同时，本发明的周向芯体只需要在剪切型电荷极片上引一根线，从而输出电荷信号，其负电荷信号由陶瓷的另一面贴合中心柱从而接地，方便快捷，进一步提高了测量精度。
（3）在耐高温特性方面，本发明提供了双重保障，其一将外壳和接嘴等外表面材料均使用镍基合金材料，其二是在传感器的外表面使用电弧离子镀技术均匀喷涂YSZ热障涂层，达到隔绝温度的效果。
（4）在结构方面，本发明合理分配底座的内部空间，安装六个敏感芯体的同时使传感器结构最小化。
附图说明
图1为本发明的测试原理示意图；
图2为本发明的环形压电陶瓷六维加速度传感器的装配示意图；
图3为本发明中轴向芯体的结构剖视图；
图4为本发明中周向芯体的结构剖视图；
图5为本发明中周向芯体的俯视示意图；
图6为本发明的安装支具示意图；
图7为本发明中利用安装支具安装周向芯体的示意图；
图8为本发明中敏感芯体安装腔体结构示意图；
图9为本发明中轴向测试原理图；
图10为本发明中周向测试原理图；
图11为本发明的传感器安装面示意图；
图12为本发明的传感器外形图；
图中，1-接嘴，2-接嘴壳，3-紧固螺栓，4-压缩型质量块，5-绝缘环，6-压缩型压电陶瓷，7-压缩型电荷极片，8-绝缘片，9-中心柱，10-剪切型绝缘环，11-剪切型电荷极片，12-环形压电陶瓷，13-剪切型质量块，14-合金圈，15-盖板，16-底座，17-安装螺纹孔，18-安装孔，19-限位环，20-中心孔，21-凸块。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“左”、“右”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装置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。
实施例1
一种环形压电陶瓷六维加速度传感器，如图1~图12所示，包括底座16、敏感芯体、盖板15、接嘴壳2和接嘴1，底座16为正六面体结构，六面上设有敏感芯体安装腔体，敏感芯体包括三个轴向芯体和三个周向芯体，正六面体结构相邻三面上分别垂直安装有三个轴向芯体，三个轴向芯体的轴线相互垂直，定义底座中心为原点，三个轴向芯体的轴线方向分别为X轴、Y轴和Z轴正方向，用于测量X轴、Y轴和Z轴的轴向加速度；X轴、Y轴和Z轴负方向上分别安装三个周向芯体，用于测量X轴、Y轴和Z轴的周向加速度；
正六面体结构中一面的敏感芯体安装腔体上端内嵌接嘴壳2，接嘴壳2上端内部插接接嘴1，接嘴1下端连接有引线，引线与敏感芯体相连接，用于传输信号，其余五面的敏感芯体安装腔体上端嵌入盖板；
周向芯体为带有环形压电陶瓷的剪切式芯体，通过环形压电陶瓷与剪切型质量块接触面之间的剪切作用实现周向加速度的测量。
实施例2
一种环形压电陶瓷六维加速度传感器，如实施例1所述，所不同的是，如图4、图5所示，周向芯体包括中心柱9、剪切型绝缘环10、剪切型电荷极片11、环形压电陶瓷12、剪切型质量块13和合金圈14，中心柱9为柱状结构且一端带螺纹，剪切型绝缘环10、剪切型电荷极片11、环形压电陶瓷12和剪切型质量块13均包括对称分布的两个圆心角小于180°的半圆环状结构，剪切型绝缘环10、剪切型电荷极片11、环形压电陶瓷12和剪切型质量块13依次套设在中心柱9上，剪切型质量外部包裹合金圈14，合金圈14为圆环状结构；
环形压电陶瓷12为经过极化后的压电陶瓷，具有正负极，正极贴合剪切型电荷极片安装。
剪切型绝缘环10、剪切型电荷极片11、环形压电陶瓷12及剪切型质量块13中，对称分布的两个半圆环状结构之间均设置缺口。缺口可以保证两块半环形陶瓷的端部不会接触，一旦接触就会短路，导致传感器无法测量到信号。
实施例3
一种环形压电陶瓷六维加速度传感器，如实施例2所述，所不同的是，如图3所示，轴向芯体为压缩型结构，包括压缩型压电陶瓷6、压缩型电荷极片7、绝缘片8、绝缘环5、压缩型质量块4和紧固螺栓3，压缩型压电陶瓷6、压缩型电荷极片7、绝缘片8均为圆环型片状结构，绝缘环5和压缩型质量块4均为圆环状结构，压缩型质量块4、压缩型压电陶瓷6、压缩型电荷极片7、绝缘片8和绝缘环5同轴设置，压缩型质量块4和绝缘环5套设于紧固螺栓3上，压缩型压电陶瓷6、压缩型电荷极片7和绝缘片8套设于绝缘环5上；
压缩型压电陶瓷6为经过极化后的压电陶瓷，具有正负极，正极贴合压缩型电荷极片安装。
实施例4
一种环形压电陶瓷六维加速度传感器，如实施例3所述，所不同的是，敏感芯体安装腔体内设置有安装螺纹孔17，如图8所示，安装时，轴向芯体通过紧固螺栓旋紧于敏感芯体安装腔体的安装螺纹孔17上，紧固螺栓外套有绝缘环；周向芯体通过中心柱一端的螺纹旋紧于敏感芯体安装腔体的安装螺纹孔17上。
实施例5
一种环形压电陶瓷六维加速度传感器，如实施例4所述，所不同的是，剪切型质量块13和压缩型质量块4的材质为高比重合金，剪切型电荷极片11和压缩型电荷极片7的材质为inconel 600，绝缘片和绝缘环的材质为PEEK，底座16、盖板15、接嘴壳2和接嘴1的材质均为镍基合金材料，为使传感器在高温环境下更好的工作，在底座、盖板、接嘴壳和接嘴表面采用电弧离子镀方法喷涂有一层YSZ热障涂层。
接嘴1的材料采用高温烧结玻璃，用于与接嘴壳进行隔离，接嘴下端设置有6根接线端，6根接线端下端连接6根引线，其中3根引线连接至压缩型电荷极片，用于传输X、Y、Z向轴向振动信号；3根引线连接至剪切型电荷极片，用于传输X、Y、Z向的周向振动信号；
底座16与盖板15之间、底座16与接嘴壳2之间、以及接嘴壳2与接嘴1之间均采用激光焊接密封，使得传感器内部形成密封空间，焊缝深度为1mm，底座16、盖板15、接嘴壳2和接嘴1均采用镍基合金材料。
本实施例采用传统的压缩式芯体和新设计的环形剪切型芯体结合的方式提供了一种六维传感器，用于周向测量的芯体做出了创新；传感器整体结构紧凑，空间运用合理，使传感器体积小型化；在耐高温性能方面本发明使用镍基合金作为壳体（底座、盖板、接嘴壳和接嘴组成壳体）材料，同时在传感器表面喷涂YSZ热障涂层，双重保障了传感器的耐高温性能。
底座上设置有安装孔18，用于安装在待测装置上。
实施例6
一种环形压电陶瓷六维加速度传感器，如实施例5所述，所不同的是，六维加速度传感器的安装方法如下：
S1、组装并安装轴向芯体：
将压缩型质量块4、压缩型压电陶瓷6、压缩型电荷极片7、绝缘片8按顺序堆叠在一起，保证中部的通孔同轴，将紧固螺栓3从中部的通孔穿过，紧固螺栓3上套入绝缘环5以定位并绝缘压缩型压电陶瓷6、压缩型电荷极片7和绝缘片8；
将组装好的轴向芯体安装于敏感芯体安装腔体，紧固螺栓待螺纹的一端旋紧于安装螺纹孔17内，用于测量X、Y、Z的轴向加速度；
S2、组装并安装周向芯体：
通过安装支具安装周向芯体，安装支具为圆柱状，安装支具中部设置有安装区，安装区边缘为限位环19，用于对剪切型绝缘环、剪切型电荷极片、环形压电陶瓷和剪切型质量块限位，安装区中心设置有中心孔20，中心孔20两侧对称分布有两个凸块21，用于隔绝剪切型绝缘环、剪切型电荷极片、环形压电陶瓷和剪切型质量块中两个半圆环状结构之间的缺口，并保证多个缺口的端面平齐，如图6、图7所示；
将中心柱9带螺纹的一端穿入安装支具中心孔20内，将两个剪切型绝缘环、两个剪切型电荷极片、两个环形压电陶瓷、两个剪切型质量块依次套入中心柱9，缺口通过安装支具两个凸块21隔离开，然后用合金圈14热缩紧固起来，待合金圈14紧固完成从周向芯体底部抽出安装支具；
将组装好的周向芯体安装于敏感芯体安装腔体，中心柱9带有螺纹的一端，旋紧于安装螺纹孔17内，用于测量X、Y、Z的周向加速度；
本发明在装配传感器之前先把敏感芯体组装好，装周向敏感芯时用到了安装支具，可以保证芯体各端面和居中等要求满足后，用合金圈热缩紧固起来，合金圈采用镍钛铌合金，遇热会收缩，起到紧固芯体的作用，其紧固力最少可达300磅，同时周向敏感芯在振动过程中其剪切型质量块会有运动趋势，并不会真的运动，因此可以保证在使用过程中多个半环形的端部对齐问题。
S3、安装盖板、接嘴壳，焊接引线，焊接接嘴：
将轴向芯体的压缩型电荷极片7和周向芯体的剪切型电荷极片11分别焊接上引线，然后将接嘴壳2焊接至其中一个敏感芯体安装腔体上端内壁处，并将引线从接嘴壳2引出并焊接至接嘴1的6个接线端，最后将接嘴1焊接至接嘴壳2上端内部，其他敏感芯体安装腔体分别卡入盖板15并焊接密封；本实施例的传感器内部绝缘措施完善，结果输出稳定。
S4、在待测装置上通过安装孔18将六维加速度传感器旋紧于待测装置上进行测量。
实施例7
一种环形压电陶瓷六维加速度传感器的测量方法，对于轴向芯体，其压缩型压电陶瓷6受到压缩或拉伸作用时，在压缩型压电陶瓷6的上下表面会产生等量异种电荷；对于周向芯体，其环形压电陶瓷12受到剪切作用时，在环形压电陶瓷的内外表面会产生等量异种电荷；
当传感器受到X轴轴向加速度时，位于X轴正方向的轴向芯体的压缩型质量块挤压压缩型压电陶瓷，使压缩型压电陶瓷的一面产生电荷Q1并通过压缩型电荷极片输出到接嘴，进而传输到采集系统，压缩型压电陶瓷的另一面产生的电荷通过与底座导通进而输送至地面，此时Y轴和Z轴正方向的压缩型压电陶瓷不受压缩作用不产生电荷，X轴、Y轴和Z轴负方向周向芯体的环形压电陶瓷不受剪切作用不产生电荷；
当传感器受到Y轴轴向加速度时，位于Y轴正方向的轴向芯体的压缩型质量块挤压压缩型压电陶瓷，使压缩型压电陶瓷的一面产生电荷Q2并通过压缩型电荷极片输出到接嘴，进而传输到采集系统，压缩型压电陶瓷的另一面产生的电荷通过与底座导通进而输送至地面，此时Y轴和Z轴正方向的压缩型压电陶瓷不受压缩作用不产生电荷，X轴、Y轴和Z轴负方向周向芯体的环形压电陶瓷不受剪切作用不产生电荷；
当传感器受到Z轴轴向加速度时，位于Z轴正方向的轴向芯体的压缩型质量块挤压压缩型压电陶瓷，使压缩型压电陶瓷的一面产生电荷Q3并通过压缩型电荷极片输出到接嘴，进而传输到采集系统，压缩型压电陶瓷的另一面产生的电荷通过与底座导通进而输送至地面，此时Y轴和Z轴正方向的压缩型压电陶瓷不受压缩作用不产生电荷，X轴、Y轴和Z轴负方向周向芯体的环形压电陶瓷不受剪切作用不产生电荷；
当传感器受到X轴周向加速度时，位于X轴负方向的周向芯体的剪切型质量块发生微小转动趋势并对环形压电陶瓷施加剪切力，使环形压电陶瓷一面产生电荷Q4并通过剪切型电荷极片输出到接嘴，进而传输到采集系统，环形压电陶瓷另一面产生的电荷通过中心柱输出至地面，此时X、Y、Z轴正方向的压缩型压电陶瓷不受压缩作用不产生电荷，Y轴和Z轴负方向的环形压电陶瓷不受剪切作用不产生电荷；
当传感器受到Y轴周向加速度时，位于Y轴负方向的周向芯体的剪切型质量块发生微小转动趋势并对环形压电陶瓷施加剪切力，使环形压电陶瓷一面产生电荷Q5并通过剪切型电荷极片输出到接嘴，进而传输到采集系统，环形压电陶瓷另一面产生的电荷通过中心柱输出至地面，此时X、Y、Z正方向的压缩型压电陶瓷不受压缩作用不产生电荷，X轴和Z轴负方向的环形压电陶瓷不受剪切作用不产生电荷；
当传感器受到Z轴周向加速度时，位于Z轴负方向的周向芯体的剪切型质量块发生微小转动趋势并对环形压电陶瓷施加剪切力，使环形压电陶瓷一面产生电荷Q6并通过剪切型电荷极片输出到接嘴，进而传输到采集系统，环形压电陶瓷另一面产生的电荷通过中心柱输出至地面，此时X、Y、Z正方向的压缩型压电陶瓷不受压缩作用不产生电荷，X轴和Y轴负方向的环形压电陶瓷不受剪切作用不产生电荷；
产生的轴向加速度和周向加速度的计算过程为：
其中，ax为X轴的轴向加速度，ay为Y轴的轴向加速度，az为Z轴的轴向加速度，aMx为X轴的周向加速度，aMy为Y轴的周向加速度，aMz为Z轴的周向加速度，K 1为X轴轴向芯体的灵敏度，K 2为Y轴轴向芯体的灵敏度，K 3为Z轴轴向芯体的灵敏度，K 4为X轴周向芯体的灵敏度，K 5为Y轴周向芯体的灵敏度，K 6为Z轴周向芯体的灵敏度，Q 1为X轴的轴向芯体输出的电荷量，Q 2为Y轴的轴向芯体输出的电荷量，Q 3为Z轴的轴向芯体输出的电荷量，Q 4为X轴的周向芯体输出的电荷量，Q 5为Y轴的周向芯体输出的电荷量，Q 6为Z轴的周向芯体输出的电荷量。
本发明创新的设计了环形压电陶瓷，其测量原理，如图10所示，以Z轴为例，当传感器受Z轴周向加速度时，Z轴周向芯体的剪切型质量块发生惯性微观旋转，该旋转过程中两块剪切型质量块同步进行，且两片环形压电陶瓷外表面与剪切型质量块内表面紧密贴合，面-面接触使得受力更加均匀，因此本发明可对两块环形压电陶瓷的a面施加均匀的剪切力FT，使环形陶瓷片的a、b面均匀产生等量异种电荷，其中a面的电荷通过电荷极片输出到接嘴，进而传输到采集系统，b面的电荷通过中心柱输出至地面。相较于传统的陀螺仪，本发明所示结构更为简单，便于生产装配。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种环形压电陶瓷六维加速度传感器，其特征在于，包括底座、敏感芯体、盖板、接嘴壳和接嘴，所述底座为正六面体结构，六面上设有敏感芯体安装腔体，敏感芯体包括三个轴向芯体和三个周向芯体，正六面体结构相邻三面上分别垂直安装有三个轴向芯体，三个轴向芯体的轴线相互垂直，定义底座中心为原点，三个轴向芯体的轴线方向分别为X轴、Y轴和Z轴正方向，用于测量X轴、Y轴和Z轴的轴向加速度；X轴、Y轴和Z轴负方向上分别安装三个周向芯体，用于测量X轴、Y轴和Z轴的周向加速度；
正六面体结构中一面的敏感芯体安装腔体上端内嵌接嘴壳，接嘴壳上端内部插接接嘴，接嘴下端连接有引线，引线与敏感芯体相连接，用于传输信号，其余五面的敏感芯体安装腔体上端嵌入盖板；
所述周向芯体为带有环形压电陶瓷的剪切式芯体，通过环形压电陶瓷与剪切型质量块接触面之间的剪切作用实现周向加速度的测量。
2.根据权利要求1所述的环形压电陶瓷六维加速度传感器，其特征在于，所述周向芯体包括中心柱、剪切型绝缘环、剪切型电荷极片、环形压电陶瓷、剪切型质量块和合金圈，中心柱为柱状结构且一端带螺纹，剪切型绝缘环、剪切型电荷极片、环形压电陶瓷和剪切型质量块均包括对称分布的两个圆心角小于180°的半圆环状结构，剪切型绝缘环、剪切型电荷极片、环形压电陶瓷和剪切型质量块依次套设在中心柱上，剪切型质量外部包裹合金圈，合金圈为圆环状结构；
所述环形压电陶瓷为经过极化后的压电陶瓷，具有正负极，正极贴合剪切型电荷极片安装。
3.根据权利要求2所述的环形压电陶瓷六维加速度传感器，其特征在于，剪切型绝缘环、剪切型电荷极片、环形压电陶瓷及剪切型质量块中，对称分布的两个半圆环状结构之间均设置缺口。
4.根据权利要求3所述的环形压电陶瓷六维加速度传感器，其特征在于，所述轴向芯体包括压缩型压电陶瓷、压缩型电荷极片、绝缘片、绝缘环、压缩型质量块和紧固螺栓，压缩型压电陶瓷、压缩型电荷极片、绝缘片均为圆环型片状结构，绝缘环和压缩型质量块均为圆环状结构，所述压缩型质量块、压缩型压电陶瓷、压缩型电荷极片、绝缘片和绝缘环同轴设置，压缩型质量块和绝缘环套设于紧固螺栓上，压缩型压电陶瓷、压缩型电荷极片和绝缘片套设于绝缘环上；
所述压缩型压电陶瓷为经过极化后的压电陶瓷，具有正负极，正极贴合压缩型电荷极片安装。
5.根据权利要求4所述的环形压电陶瓷六维加速度传感器，其特征在于，所述敏感芯体安装腔体内设置有安装螺纹孔，用于安装周向芯体的中心柱和轴向芯体的紧固螺栓。
6.根据权利要求5所述的环形压电陶瓷六维加速度传感器，其特征在于，剪切型质量块和压缩型质量块的材质为高比重合金，剪切型电荷极片和压缩型电荷极片的材质为inconel 600，绝缘片和绝缘环的材质为PEEK，底座、盖板、接嘴壳和接嘴的材质均为镍基合金材料，在底座、盖板、接嘴壳和接嘴表面喷涂有一层YSZ热障涂层。
7.根据权利要求6所述的环形压电陶瓷六维加速度传感器，其特征在于，所述接嘴的材料采用高温烧结玻璃，用于与接嘴壳进行隔离，接嘴下端设置有6根接线端，6根接线端下端连接6根引线，其中3根引线连接至压缩型电荷极片，用于传输X、Y、Z向轴向振动信号；3根引线连接至剪切型电荷极片，用于传输X、Y、Z向的周向振动信号；
所述底座与盖板之间、底座与接嘴壳之间、以及接嘴壳与接嘴之间均采用激光焊接密封，使得传感器内部形成密封空间，焊缝深度为1mm，所述底座、盖板、接嘴壳和接嘴均采用镍基合金材料。
8.根据权利要求7所述的环形压电陶瓷六维加速度传感器，其特征在于，所述底座上设置有安装孔，用于安装在待测装置上。
9.根据权利要求8所述的环形压电陶瓷六维加速度传感器，其特征在于，六维加速度传感器的安装方法如下：
S1、组装并安装轴向芯体：
将压缩型质量块、压缩型压电陶瓷、压缩型电荷极片、绝缘片按顺序堆叠在一起，保证中部的通孔同轴，将紧固螺栓从中部的通孔穿过，紧固螺栓上套入绝缘环以定位并绝缘压缩型压电陶瓷、压缩型电荷极片和绝缘片；
将组装好的轴向芯体安装于敏感芯体安装腔体，紧固螺栓待螺纹的一端旋紧于安装螺纹孔内，用于测量X、Y、Z的轴向加速度；
S2、组装并安装周向芯体：
通过安装支具安装周向芯体，安装支具为圆柱状，安装支具中部设置有安装区，安装区边缘为限位环，安装区中心设置有中心孔，中心孔两侧对称分布有两个凸块，用于隔绝剪切型绝缘环、剪切型电荷极片、环形压电陶瓷和剪切型质量块中两个半圆环状结构之间的缺口；
将中心柱带螺纹的一端穿入安装支具中心孔内，将两个剪切型绝缘环、两个剪切型电荷极片、两个环形压电陶瓷、两个剪切型质量块依次套入中心柱，缺口通过安装支具两个凸块隔离开，然后用合金圈热缩紧固起来，待合金圈紧固完成从周向芯体底部抽出安装支具；
将组装好的周向芯体安装于敏感芯体安装腔体，中心柱带有螺纹的一端，旋紧于安装螺纹孔内，用于测量X、Y、Z的周向加速度；
S3、安装盖板、接嘴壳，焊接引线，焊接接嘴：
将轴向芯体的压缩型电荷极片和周向芯体的剪切型电荷极片分别焊接上引线，然后将接嘴壳焊接至其中一个敏感芯体安装腔体上端内壁处，并将引线从接嘴壳引出并焊接至接嘴的6个接线端，最后将接嘴焊接至接嘴壳上端内部，其他敏感芯体安装腔体分别卡入盖板并焊接密封；
S4、在待测装置上通过安装孔将六维加速度传感器旋紧于待测装置上进行测量。
10.一种基于权利要求8所述的环形压电陶瓷六维加速度传感器的测量方法，其特征在于，对于轴向芯体，其压缩型压电陶瓷受到压缩或拉伸作用时，在压缩型压电陶瓷的上下表面会产生等量异种电荷；对于周向芯体，其环形压电陶瓷受到剪切作用时，在环形压电陶瓷的内外表面会产生等量异种电荷；
当传感器受到X轴轴向加速度时，位于X轴正方向的轴向芯体的压缩型质量块挤压压缩型压电陶瓷，使压缩型压电陶瓷的一面产生电荷Q1并通过压缩型电荷极片输出到接嘴，进而传输到采集系统，压缩型压电陶瓷的另一面产生的电荷通过与底座导通进而输送至地面，此时Y轴和Z轴正方向的压缩型压电陶瓷不受压缩作用不产生电荷，X轴、Y轴和Z轴负方向周向芯体的环形压电陶瓷不受剪切作用不产生电荷；
当传感器受到Y轴轴向加速度时，位于Y轴正方向的轴向芯体的压缩型质量块挤压压缩型压电陶瓷，使压缩型压电陶瓷的一面产生电荷Q2并通过压缩型电荷极片输出到接嘴，进而传输到采集系统，压缩型压电陶瓷的另一面产生的电荷通过与底座导通进而输送至地面，此时Y轴和Z轴正方向的压缩型压电陶瓷不受压缩作用不产生电荷，X轴、Y轴和Z轴负方向周向芯体的环形压电陶瓷不受剪切作用不产生电荷；
当传感器受到Z轴轴向加速度时，位于Z轴正方向的轴向芯体的压缩型质量块挤压压缩型压电陶瓷，使压缩型压电陶瓷的一面产生电荷Q3并通过压缩型电荷极片输出到接嘴，进而传输到采集系统，压缩型压电陶瓷的另一面产生的电荷通过与底座导通进而输送至地面，此时Y轴和Z轴正方向的压缩型压电陶瓷不受压缩作用不产生电荷，X轴、Y轴和Z轴负方向周向芯体的环形压电陶瓷不受剪切作用不产生电荷；
当传感器受到X轴周向加速度时，位于X轴负方向的周向芯体的剪切型质量块发生微小转动趋势并对环形压电陶瓷施加剪切力，使环形压电陶瓷一面产生电荷Q4并通过剪切型电荷极片输出到接嘴，进而传输到采集系统，环形压电陶瓷另一面产生的电荷通过中心柱输出至地面，此时X、Y、Z轴正方向的压缩型压电陶瓷不受压缩作用不产生电荷，Y轴和Z轴负方向的环形压电陶瓷不受剪切作用不产生电荷；
当传感器受到Y轴周向加速度时，位于Y轴负方向的周向芯体的剪切型质量块发生微小转动趋势并对环形压电陶瓷施加剪切力，使环形压电陶瓷一面产生电荷Q5并通过剪切型电荷极片输出到接嘴，进而传输到采集系统，环形压电陶瓷另一面产生的电荷通过中心柱输出至地面，此时X、Y、Z正方向的压缩型压电陶瓷不受压缩作用不产生电荷，X轴和Z轴负方向的环形压电陶瓷不受剪切作用不产生电荷；
当传感器受到Z轴周向加速度时，位于Z轴负方向的周向芯体的剪切型质量块发生微小转动趋势并对环形压电陶瓷施加剪切力，使环形压电陶瓷一面产生电荷Q6并通过剪切型电荷极片输出到接嘴，进而传输到采集系统，环形压电陶瓷另一面产生的电荷通过中心柱输出至地面，此时X、Y、Z正方向的压缩型压电陶瓷不受压缩作用不产生电荷，X轴和Y轴负方向的环形压电陶瓷不受剪切作用不产生电荷；
产生的轴向加速度和周向加速度的计算过程为：
；
其中，ax为X轴的轴向加速度，ay为Y轴的轴向加速度，az为Z轴的轴向加速度，aMx为X轴的周向加速度，aMy为Y轴的周向加速度，aMz为Z轴的周向加速度，K 1为X轴轴向芯体的灵敏度，K 2为Y轴轴向芯体的灵敏度，K 3为Z轴轴向芯体的灵敏度，K 4为X轴周向芯体的灵敏度，K 5为Y轴周向芯体的灵敏度，K 6为Z轴周向芯体的灵敏度，Q 1为X轴的轴向芯体输出的电荷量，Q 2为Y轴的轴向芯体输出的电荷量，Q 3为Z轴的轴向芯体输出的电荷量，Q 4为X轴的周向芯体输出的电荷量，Q 5为Y轴的周向芯体输出的电荷量，Q 6为Z轴的周向芯体输出的电荷量。
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| CN117129712B (zh) | 2024-06-25 |
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