CN117214458A - 一种微型大带宽环形剪切式压电加速度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微型大带宽环形剪切式压电加速度传感器，包括：基座、环形支撑组件、压电环、质量块以及盖板，基座上开设有安装腔，其一侧还开设有通道；环形支撑组件设置在安装腔内；压电环悬空架设在环形支撑组件上，压电环内壁面和外壁面上均设置有电极层，内壁面的电极层与电信号处理电路连接；质量块套设在压电环的内圈，且质量块上设置有限位结构，盖板用于封装基座的安装腔。本装置降低横轴灵敏度，改善了传感器的频响特性。
Description
技术领域
本发明涉及振动测量领域，具体涉及一种微型大带宽环形剪切式压电加速度传感器。
背景技术
压电加速度计属于自发型机电换能传感器。对传感器施加激励时，质量块在外部加速度影响下产生的惯性力导致压电材料内部极化电畴从原本的电中性位置发生应变，在电极表面产生与加速度成比例的等量异号电荷。
选择正确的陶瓷材料是关键。压电加速度计结构应具备较大的刚度、围绕主轴对称、尽可能做到小体积轻质量。此外，必须在灵敏度和谐振频率之间、电荷输出和陶瓷内部噪声之间做出平衡的考量。
压电加速度计通常分为压缩、剪切和弯曲三种模式，压缩型压电元件直接连接到传感器壳体的基座，对其应变效应和热瞬态效应具有很高的敏感性；剪切模式加速计，其整体上具备最佳的传感性能，其压电敏感元件设置在支撑柱和质量块之间，有效地将压电元件与基座隔离，在三种模式中基座应变灵敏度和热瞬态效应灵敏度最小。此外，剪切几何形状本身导致尺寸较小；与压缩和剪切设计相比，弯曲模式加速度计因刚度较低而导致其工作频率范围较窄，并且其抗冲击性能较差，易受热瞬态效应影响。
剪切结构可以细分为平板剪切、环形剪切、三角剪切，每种剪切结构都有自身的特点。平板剪切结构在同质量要求下其固有频率较低，不适于微型化，三角剪切结构在国外压电加速度传感器应用较多，三角剪切结构需要多个压电片、配重块、记忆预紧元件等组合装配在一起形成传感器，结构比较复杂，加工装配误差较大，难以保证刚度需求。
固有谐振频率是指加速度计的自发电敏感元件进入谐振的频率fn，并以无阻尼状态响应特定的作用加速度的最大运动，可由下式得出：
综上可知，当测振频率ω远小于固有频率ωn时，即ω＜＜ωn时，才能保证传感器获得的信号不存在幅值和相位失真的情况；传感器具有稳定灵敏度的频率区间，称为工作频率范围，低频极限与敏感材料和放大电路有关，高频极限与固有谐振频率和安装谐振频率有关；在实际应用中，高频上限取安装谐振频率的1/3。
横向灵敏度作为传感器承受振动信号与主轴方向垂直时的输出响应，当振动并非理想方向时，与主轴方向产生偏移，可能引发横向谐振，同样也会在达到某一频率值时偏离主轴产生大幅度共振，导致信号输出失真，必须确定加速度传感器的横向谐振频率，以避免加速度计工作在这个特殊频率点。
传统环形剪切式结构依靠高温导电胶粘接而产生的接触刚度并不可靠，高频大冲击振动下容易影响传感器的频响特性。
因此，需要提供一种微型大带宽环形剪切式压电加速度传感器以解决上述问题。
发明内容
本发明提供一种微型大带宽环形剪切式压电加速度传感器，通过环形支撑组件的三个弧形支撑板支撑压电环，弧形支撑板在受到反径向的力时刚度很大，难以向外弯折，限制了敏感元件在非主轴方向上的振动，以解决现有的高频大冲击振动下容易影响传感器的频响特的问题。
本发明的一种微型大带宽环形剪切式压电加速度传感器采用如下技术方案：包括：
基座，其上开设有安装腔，其一侧还开设有与安装腔连通的通道；
环形支撑组件，其包括三个弧形支撑板，三个弧形支撑板绕安装腔中心均布设置在安装腔内；
压电环，其悬空架设在三个弧形支撑板之间，其内壁面和外壁面上均设置有电极层，内壁面的电极层与电信号处理电路连接；
质量块，其套设在压电环的内圈，且质量块上设置有限位结构，限位结构用于防止质量块从压电环的内圈滑落；
盖板，用于封装基座的安装腔。
优选的，弧形支撑板的内弧面沿弧线方向设置有支撑压电环的支撑台。
优选的，每两个相邻的弧形支撑板的相邻端面之间有一定距离。
优选的，弧形支撑板的端面和安装腔内底面固定连接，且弧形支撑板的外弧面与安装腔的连接处加工有第一圆角。
优选的，质量块上开设有中心孔，靠近质量块其中一端面的外圈上设置有环形限位台，靠近质量块另一个端面加工有第二圆角。
优选的，基座的通道的出口连接有螺纹筒，螺纹筒和接地线连接。
优选的，压电环内壁面的电极层通过导线接入电信号处理电路。
优选的，基座的安装腔内壁面上设置有凸台，凸台用于在盖板盖设在安装腔时对盖板进行支撑。
优选的，质量块和压电环之间，压电环和环形支撑组件之间的装配方式均为温差装配。
优选的，温差装配包括：
根据过盈配合的尺寸设计以及材料线膨胀系数，获取质量块达到目标安装尺寸所需的冷缩温度和环形支撑组件达到目标安装尺寸所需的热胀温度；
根据冷缩温度对质量块进行冷却收缩，直至达到质量块的目标安装尺寸；
将冷却收缩完成的质量块置入压电环内圈；
根据热胀温度对环形支撑组件加热膨胀，直至达到环形支撑组件的目标安装尺寸；
将安装好的质量块与压电环置入变形后的三个弧形支撑板之间，直至压电环碰触到支撑台；
待弧形支撑板和质量块恢复常温后，即完成压电加速度传感器的温差装配。
本发明的有益效果是：
1、通过环形支撑组件的三个弧形支撑板支撑压电环，弧形支撑板在受到反径向的力时刚度很大，难以向外弯折，限制了敏感元件在非主轴方向上的振动，减小基座应变效应对压电元件的影响，降低横轴灵敏度，由于弧形支撑板在受到反径向的力时刚度很大，故根据固有频率公式，刚度和固有频率成正比，在刚度大时，传感器频率响应也相应的扩大了，故有效改善了传感器的频响特性。
3、本发明中的质量块和压电环之间，压电环和环形支撑组件之间的装配方式均采用温差装配，不仅避免了配合表面的损伤，相比传统的导电胶粘接形式可靠性更高，压电环的电极层与相配合的部件之间的接触面更平整，从而有效提高接触刚度，根据固有频率公式，刚度和固有频率成正比，在刚度提高时，传感器频率响应也相应的扩大了，故有效改善了传感器的频响特性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种微型大带宽环形剪切式压电加速度传感器的实施例的总体结构的剖视图；
图2为本发明的一种微型大带宽环形剪切式压电加速度传感器的三维装配爆炸视图；
图3为本发明的一种微型大带宽环形剪切式压电加速度传感器的质量块三维结构剖视图；
图4为本发明的一种微型大带宽环形剪切式压电加速度传感器的压电环三维结构示意图；
图5为本发明的一种微型大带宽环形剪切式压电加速度传感器的基座和环形支撑组件的连接示意图；
图6为本发明的一种微型大带宽环形剪切式压电加速度传感器的基座三维结构剖视图；
图7为本发明的一种微型大带宽环形剪切式压电加速度传感器的工作模态振型图；
图8为本发明的一种微型大带宽环形剪切式压电加速度传感器的三轴向1g加速度时谐响应分析曲线图；
图中：1、质量块；2、压电环；3、环形支撑组件；4、基座；5、盖板；6、导线；11、中心孔；12、环形限位台；13、第二圆角；21、内壁面；22、外壁面；31、弧形支撑板；32、支撑台；33、第一圆角；41、凸台；42、螺纹筒；43、通道。
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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的一种微型大带宽环形剪切式压电加速度传感器的实施例，如图1所示，包括：基座4、环形支撑组件3、压电环2、质量块1以及盖板5，其中，基座4上开设有安装腔，如图6所示，基座4的一侧还开设有与安装腔连通的通道43；环形支撑组件3包括三个弧形支撑板31，三个弧形支撑板31绕安装腔中心均布设置在安装腔内；压电环2悬空架设在环形支撑组件3的三个弧形支撑板31之间，其内壁面21和外壁面22上均设置有电极层，内壁面的电极层与电信号处理电路连接；质量块1套设在压电环2的内圈，且质量块1上设置有限位结构，限位结构用于防止质量块1从压电环2的内圈滑落；盖板5用于封装基座4的安装腔的腔口。
需要说明的是，压电环2为标准件，呈圆管状，采用PZT-5H压电陶瓷粉末烧结成型，压电环2的轴向极化后具备剪切正压电效，压电环2的内外环壁面镀银形成电极层，当本实施例的压电加速度传感器受到正Z轴方向(压电环2的轴向)的加速度，质量块1由于受到外界加速度影响产生的惯性力使压电环2受到与加速度同方向的切向力时，压电环2的内外环壁面将产生与惯性力成比例的等量异号电荷，压电环2的外壁面产生的电荷通过弧形支撑板31内壁传递到基座4上，并由基座4上的螺纹筒42将电荷导出至地端，压电环2的内壁面产生压电加速度传感器所需的电荷信号，电荷信号以电流形式通过导线6引出至电信号处理电路，通过前置放大器进行I/V放大变换处理，得到加速度信号；由于压电环2表面的光洁度也会影响装配可靠性，在加工过程中应尽量打磨平整，其次，本实施例中压电环2与质量块1以及弧形支撑板31之间进行过盈配合，采用嵌套方式；且环形支撑组件3、基座4及盖板5均选用刚度较大但密度较小的钛合金棒料，保证刚度的条件下尽可能减小安装质量。
本实施例中将质量块1套设在压电环2内圈，相较于传统的将质量块1悬挂在压电材料外侧，基座内预留给质量块的空间可以减小，因此，本实施例的结构能有效减小基座体积，在降低质量负载效应的同时提高压电加计的安装共振频率，为了保证电荷灵敏度，本发明采用高比重钨铜合金保证敏感质量不变，在测量一定范围的高频振动信号时，其输出信号不会发生突变导致失真，由于在压电加速度传感器测量物体时，被测物体质量会影响压电加计安装共振频率，从而影响工作频率范围，一般要求被测物体的质量大于压电加速度传感器本身质量的10倍，因此，本发明用于更精密微小器件的结构健康监测，本实施例将质量块1套设在压电环2内圈以减小压电加速度传感器的体积。
具体的，如图5所示，由于环形结构向外弯折的刚度很大，对于水平轴向的振动有很强地抑制能力，有利于加速度计稳定工作于正Z轴向，降低横轴灵敏度影响，故本实施例的环形支撑组件3的三个弧形支撑板31，弧形支撑板31的内弧面朝向安装腔的中心方向，且弧形支撑板31的内弧面沿弧线方向设置有支撑压电环2的支撑台32，设置支撑台32是为了方便压电环2装配并且提高接触刚度，增大固有频率，由于，质量与刚度成反比，间距与质量和刚度成反比，故为了提高刚度，本实施例在每两个相邻的弧形支撑板31的相邻端面之间有一定距离，从而改善传感器的频响特性。
具体的，如图5所示，弧形支撑板31的端面和安装腔内底面固定连接，为了减小应力集中，在弧形支撑板31的外弧面与安装腔的连接处加工有第一圆角33。
具体的，质量块1上开设有中心孔11，靠近质量块1其中一端面的外圈上设置有环形限位台12，靠近质量块1另一个端面加工有第二圆角13，由于质量块1作为压电加速度计的惯性质量，是决定压电加速度计灵敏度的主要部件，需要采用高比重的钨铜合金保证在较小的体积下能达到足够的质量来对压电环2产生满足需求的剪切应力，其中，在质量块1上的第二圆角13，第二圆角13用于导向，便于使得质量块1安装在压电环2上，在质量块1上设置环形限位台12的目的是：用于在温差装配时引导质量块1安装到关于压电环的主轴对称的位置；中心孔11的直径可根据后续设计需求进行调整以增减质量块1的质量，从而提供足够宽的频响范围。
具体的，基座4的通道43的出口连接有外攻M4螺纹的螺纹筒42，螺纹筒42和接地线连接。
具体的，压电环2内壁面的电极层通过导线6接入电信号处理电路。
具体的，基座4的安装腔内壁面上设置有凸台41，凸台41用于在盖板5盖设在安装腔时对盖板5进行支撑，在盖板5安装在安装腔的腔口时并采用高温胶接形式封装，封装完毕后在盖板5以及基座4表面涂覆绝缘材料，涂覆绝缘材料以抑制地回路噪声对压电加速度传感器的信号处理产生的干扰。
具体的，质量块1和压电环2之间，压电环2和环形支撑组件3之间的装配方式均为温差装配，采用温差装配目的是提高接触刚度，从而增大固有频率，并且与传统高温胶接方式相比，具备更强的抗冲击能力。
具体的，温差装配包括：根据过盈配合的尺寸设计以及材料线膨胀系数，获取质量块1达到目标安装尺寸所需的冷缩温度和环形支撑组件3达到目标安装尺寸所需的热胀温度；根据冷缩温度对质量块1进行冷却收缩，即将质量块1放入超低温冰箱中一段时间进行冷却收缩，直至达到质量块1的目标安装尺寸；将冷却收缩完成的质量块1置入压电环2内圈；根据热胀温度对环形支撑组件3加热膨胀，即将环形支撑组件3置于空气加热箱中加热膨胀，直至达到环形支撑组件3的目标安装尺寸；将安装好的质量块1与压电环2置入变形后的三个弧形支撑板31之间，直至压电环2碰触到支撑台32。待弧形支撑板31和质量块1恢复常温(20℃)后，即完成压电加速度传感器的温差装配。
其中，温差装配的原理即为过盈配合，压电环2与质量块1之间的配合基准制采用基孔制，公差带为H7/r6，压电环2与支撑柱3之间的配合基准制采用基轴制，公差带为R7/h6；确定公差带后，计算质量块1和支撑柱3达到目标安装尺寸所需冷缩或热胀的温度，计算公式为：
l1＝l0[1+αl(T1-T0)]
其中，αl为材料线膨胀系数；
l0为材料在T0摄氏度时的直径；
T0为常温时的温度；
l1为材料在T1摄氏度时的直径，即本实施了中所要达到的目标安装尺寸的直径；
经过COMSOL压电耦合场模态振型仿真及谐响应分析，证明该结构具备足够大的正Z轴共振频率，同时在工作频率范围内产生的横轴灵敏度影响极小。
为进一步说明本实施例的结构针对带宽指标优化(提高固有频率，也可表述为提高带宽或增宽带宽)的可行性，本实施例使用多物理场耦合分析软件(COMSOLMultiphysics 5.6)，添加压电效应耦合场，对压电加速度传感器前四阶模态进行仿真，如图7所示，第三阶模态为正Z轴共振模态，频率可达114kHz，取线性输出3dB处为工作频率上限，可达60kHz，根据图8，对Z轴灵敏度曲线取对数横坐标，0～60kHz工作频率范围内输出平稳，说明本实施例压电加速度传感器的对于高频信号检测具备高保真度，即在测量60kHz以下的振动频率时，输出信号仅代表该振动信号的变化，不会与压电加计本身产生共振；进一步对压电加速度计进行谐响应分析，在各轴向施加1g加速度验证横轴灵敏度影响，模拟当正Z轴向振动加速度完全偏移至水平轴向时产生的电荷灵敏度，由图8中X/Y轴灵敏度曲线可知，在0～60kHz工作频率范围内，水平轴向输出与正Z轴输出信号相差102数量级，即最大水平轴向输出与正Z轴输出电压的比值小于5％，满足横轴灵敏度的指标要求。
具体的工作原理
使用时，使压电加速度传感器贴合被测物体，当被测物产生振动，压电加速度传感器也将振动，此时质量块1由于惯性加速度，对压电环2施加剪切应力，使压电环2产生弹性变形从而产生电荷；即压电加速度传感器受到正Z轴方向(压电环2的轴向)的加速度，质量块1由于受到外界加速度影响产生的惯性力使压电环2受到与加速度同方向的切向力时，压电环2的内外环壁面将产生与惯性力成比例的等量异号电荷，压电环2的外壁面产生的电荷通过弧形支撑板31内壁传递到基座4上，并由基座4上的螺纹筒42将电荷导出至地端，压电环2的内壁面产生压电加速度传感器所需的电荷信号，电荷信号以电流形式通过导线6引出至电信号处理电路，通过前置放大器进行I/V放大变换处理，得到加速度信号，即本实施例中通过前置放大器进行I/V放大变换以及阻抗变换，将信号传送至数据采集仪器，后续采用相对校准法对压电加计进行标定，需在同一激振台上刚性固定被测压电加速度传感器与标准压电加速度传感器，以正弦信号驱动激振器对两个压电加速度传感器产生正弦激励，将被测压电加速度传感器的输出响应与标准压电加速度传感器的输出响应进行比较，得出的比值即为两者灵敏度的比值，即得到了本实施例传感器的灵敏度。
综上所述，本发明实施例提供的一种微型大带宽环形剪切式压电加速度传感器，通过。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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)
1.一种微型大带宽环形剪切式压电加速度传感器，其特征在于，包括：
基座(4)，其上开设有安装腔，其一侧还开设有与安装腔连通的通道(43)；
环形支撑组件(3)，其包括三个弧形支撑板(31)，三个所述弧形支撑板(31)绕安装腔中心均布设置在安装腔内；
压电环(2)，其悬空架设在三个弧形支撑板(31)之间，其内壁面(21)和外壁面(22)上均设置有电极层，内壁面的电极层与电信号处理电路连接；
质量块(1)，其套设在压电环(2)的内圈，且质量块(1)上设置有限位结构，所述限位结构用于防止质量块(1)从压电环(2)的内圈滑落；
盖板(5)，用于封装基座(4)的安装腔。
2.根据权利要求1所述的一种微型大带宽环形剪切式压电加速度传感器，其特征在于，弧形支撑板(31)的内弧面沿弧线方向设置有支撑所述压电环(2)的支撑台(32)。
3.根据权利要求1所述的一种微型大带宽环形剪切式压电加速度传感器，其特征在于，每两个相邻的弧形支撑板(31)的相邻端面之间有一定距离。
4.根据权利要求1所述的一种微型大带宽环形剪切式压电加速度传感器，其特征在于，弧形支撑板(31)的端面和安装腔内底面固定连接，且弧形支撑板(31)的外弧面与安装腔的连接处加工有第一圆角(33)。
5.根据权利要求1所述的一种微型大带宽环形剪切式压电加速度传感器，其特征在于，所述质量块(1)上开设有中心孔(11)，靠近质量块(1)其中一端面的外圈上设置有环形限位台(12)，靠近质量块(1)另一个端面加工有第二圆角(13)。
6.根据权利要求1所述的一种微型大带宽环形剪切式压电加速度传感器，其特征在于，所述基座(4)的通道(43)的出口连接有螺纹筒(42)，所述螺纹筒(42)和接地线连接。
7.根据权利要求1所述的一种微型大带宽环形剪切式压电加速度传感器，其特征在于，压电环(2)内壁面的电极层通过导线(6)接入电信号处理电路。
8.根据权利要求1所述的一种微型大带宽环形剪切式压电加速度传感器，其特征在于，所述基座(4)的安装腔内壁面上设置有凸台(41)，所述凸台(41)用于在盖板(5)盖设在安装腔时对盖板(5)进行支撑。
9.根据权利要求1所述的一种微型大带宽环形剪切式压电加速度传感器，其特征在于，所述质量块(1)和压电环(2)之间，压电环(2)和环形支撑组件(3)之间的装配方式均为温差装配。
10.根据权利要求9所述的一种微型大带宽环形剪切式压电加速度传感器，其特征在于，所述温差装配包括：
根据过盈配合的尺寸设计以及材料线膨胀系数，获取质量块(1)达到目标安装尺寸所需的冷缩温度和环形支撑组件(3)达到目标安装尺寸所需的热胀温度；
根据所述冷缩温度对质量块1进行冷却收缩，直至达到质量块(1)的目标安装尺寸；
将冷却收缩完成的质量块(1)置入压电环(2)内圈；
根据所述热胀温度对环形支撑组件(3)加热膨胀，直至达到环形支撑组件(3)的目标安装尺寸；
将安装好的质量块(1)与压电环(2)置入变形后的三个弧形支撑板(31)之间，直至压电环(2)碰触到支撑台(32)；
待弧形支撑板(31)和质量块(1)恢复常温后，即完成压电加速度传感器的温差装配。
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| CN202311107434.7A CN117214458A (zh) | 2023-08-30 | 2023-08-30 | 一种微型大带宽环形剪切式压电加速度传感器 |
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| CN202311107434.7A CN117214458A (zh) | 2023-08-30 | 2023-08-30 | 一种微型大带宽环形剪切式压电加速度传感器 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117825747A (zh) * | 2024-03-04 | 2024-04-05 | 山东利恩斯智能科技有限公司 | 一种中心质量块加速度传感器及其工作方法 |
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2023
- 2023-08-30 CN CN202311107434.7A patent/CN117214458A/zh active Pending
Cited By (2)
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| CN117825747A (zh) * | 2024-03-04 | 2024-04-05 | 山东利恩斯智能科技有限公司 | 一种中心质量块加速度传感器及其工作方法 |
| CN117825747B (zh) * | 2024-03-04 | 2024-06-07 | 山东利恩斯智能科技有限公司 | 一种中心质量块加速度传感器及其工作方法 |
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