CN117706112A - 一种宽频响应的三轴电压式压电加速度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽频响应的三轴电压式压电加速度传感器，包括用于产生三个轴向的信号的受感器结构、用于对信号进行处理的信号调理电路板以及用于对信号进行输出的插座结构；受感器结构包括底座以及设置在底座的三个轴向上的受感器单元；底座作为三个受感器单元共同的输地端；三个受感器单元分别产生轴向的信号，并将三个轴向的信号输入至信号调理电路板，通过所述信号调理电路板将信号处理后再由插座结构将信号进行输出。该传感器简单的结构实现了三个轴向的加速度测量，利用导电片将受感器的信号导入信号调理电路板，并将信号调理电路板的输出信号导入插座，解决了低频下传感器易受到噪声干扰的问题，提高了测量的精准性能。
Description
技术领域
本发明涉及压电传感器技术领域，具体涉及一种宽频响应的三轴电压式压电加速度传感器。
背景技术
压电加速度传感器是利用压电元件的压电效应将加速度信号转变为等比例输出的电荷或电压信号的一类传感器。由于压电材料的稳定性强、输出灵敏度高，因此压电加速度传感器的可靠性佳。因此压电加速度传感器可用于航空、航天、船舶、核电、大型工业装备等的健康监测、故障分析系统和减震降噪平台等，是目前应用最为广泛的加速度传感器之一。
目前，大部分压电加速度传感器是单轴结构，仅能测试单一轴向(一般为Z轴)的加速度值。三轴压电加速度传感器可以同时完成三个垂直方向的加速度测量，从系统的层面来讲可以减少传感器的安装数量并降低成本。现阶段的该类传感器的报道较少，三轴压电加速度计(US20200174034A1)、三轴压电加速度传感器(CN208795764U)、适用于工业现场的三轴压电传感器(CN107449507A)、三轴压电式传感器(CN206906417U)均具有体积大、重量大、频率响应范围窄、频响差、使用温度范围窄、温漂大的缺点，同时上述传感器的结构复杂、装配难度大，相应的生产成本也高。这就意味着部分温度下和部分加速度频率下，已有传感器不能满足测试需求，这大大限制这类传感器的应用。例如风力发电机组的振动情况覆盖0.1Hz-20kHz的范围，如果想全范围监测机组的振动情况，则需要同时安装低频加速度传感器、中频加速度传感器和高频加速度传感器，共需三只产品才能实现全频段的加速度监测。传感器安装数量的增加，导致系统重量的增加，安装难度的增高，这是测试系统不想看到的。同理，现阶段三轴压电加速度传感器的使用温度范围窄、温漂大亦导致部分温度环境下测量数据的缺失和测量误差的增大。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种宽频响应的三轴电压式压电加速度传感器。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种宽频响应的三轴电压式压电加速度传感器，包括用于产生三个轴向的信号的受感器结构、用于对信号进行处理的信号调理电路板以及用于对信号进行输出的插座结构；
受感器结构包括底座以及设置在底座的三个轴向上的受感器单元；底座作为三个受感器单元共同的输地端；
三个受感器单元分别产生轴向的信号，并将三个轴向的信号输入至信号调理电路板，通过所述信号调理电路板将信号处理后再由插座结构将信号进行输出。
采用上述技术方案的有益效果为：以简单的结构实现了三个轴向的加速度测量，利用导电片将受感器的信号导入信号调理电路板，并将信号调理电路板的输出信号导入插座，解决了低频下传感器易受到噪声干扰的问题。此外，通过共用一个底座减小了受感器的体积，简化了受感器的结构形式，实现了受感器的小型化。并且共用一个底座作为输出地，提升了三个轴向输出的一致性，降低了成本。
进一步地，受感器单元包括设置在所述底座上的两片压电陶瓷、位于两片压电陶瓷之间的导电片以及设置在外侧的压电陶瓷上的质量块，受感器结构的三个垂直轴向的导电片将压电陶瓷的信号引入信号调理电路板。
采用上述技术方案的有益效果为：受感器三个垂直轴向的导电片将压电陶瓷的信号引入调理电路，由于导电片虽薄但有一定的强度，不同于传统的导线连接，可以有效的避免线缆摩擦电噪声的问题，因此在低频振动下，传感器的输出信号稳定、无毛刺、干扰小、线性度高，即在低频段具有极低的频率响应误差。
进一步地，插座结构包括插座以及插座导电片，插座导电片的一侧与信号调理电路板连接，插座导电片的另一侧与插座的插针连接。
采用上述技术方案的有益效果为：可以有效的降低噪声干扰，实现传感器优秀的低频响应。
进一步地，所述插座导电片呈L形结构。
进一步地，插座为四芯结构，分别对应三个轴向的输出信号和一个接地端。
进一步地，信号调理电路板粘接于传感器的上盖。
进一步地，信号调理电路板为集成式结构，信号调理电路板共用的地线与插座的地线连接。
进一步地，质量块、压电陶瓷、导电片通过螺栓依次连接在底座上。
进一步地，压电陶瓷材料的密度不低于8g/cm3，导电片的厚度为0.2mm。
本发明具有以下有益效果：本发明所提供的一种宽频响应的三轴电压式压电加速度传感器，其结构可靠，使用性能好，以简单的结构实现了三个轴向的加速度测量，利用导电片将受感器的信号导入信号调理电路板，并将信号调理电路板的输出信号导入插座，解决了低频下传感器易受到噪声干扰的问题。
此外，通过共用底座和电路板共用地线和插座的地线，简化了结构，提升了输出的一致性，减小了传感器的体积和重量，解决了三轴传感器过于笨重、体积大的问题，实现了传感器的小型化和轻量化。并且通过受感器的导电片和插座导电片，有效的避免线缆摩擦电噪声的问题，在低频段具有极低的频率响应误差。通过信号调理电路采用电压放大原理，可以在高频段对传感器的输出信号进行有效的衰减，降低传感器的频率响应误差。
此外，通过压电陶瓷元件使其压电性和电容随温度的漂移率一致，则经过电压放大电路后，传感器灵敏度随温度的漂移趋近于零，不仅降低了传感器的温漂，还拓宽了传感器的使用温度范围。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明中受感器结构示意图；
图3为本发明中插座结构示意图；
图1至图3中所示附图标记分别表示为：1-受感器结构，2-信号调理电路板，3-插座结构，10-底座，11-压电陶瓷，12-导电片，13-质量块，30-插座，31-插座导电片，4-上盖。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1至图2所示，一种宽频响应的三轴电压式压电加速度传感器，包括用于产生三个轴向的信号的受感器结构1、用于对信号进行处理的信号调理电路板2以及用于对信号进行输出的插座结构3。
受感器结构1包括底座10以及设置在底座10的三个轴向上的受感器单元，底座10作为三个受感器单元共同的输地端；底座10上三个轴向的安装面于下底面垂直。三个受感器单元分别产生轴向的信号，并将三个轴向的信号输入至信号调理电路板2，通过信号调理电路板2将信号处理后再由插座结构3将信号进行输出。以简单的结构实现了三个轴向的加速度测量，利用导电片12将受感器的信号导入信号调理电路板2，并将信号调理电路板2的输出信号导入插座30，解决了低频下传感器易受到噪声干扰的问题。
受感器单元包括设置在底座10上的两片压电陶瓷11、位于两片压电陶瓷11之间的导电片12以及设置在外侧的压电陶瓷11上的质量块13，受感器结构1的三个垂直轴向的导电片12将压电陶瓷11的信号引入信号调理电路板2，质量块13、压电陶瓷11、导电片12通过螺栓依次连接在底座10上。由于导电片12虽薄但有一定的强度，不同于传统的导线连接，可以有效的避免线缆摩擦电噪声的问题，因此在低频振动下，传感器的输出信号稳定、无毛刺、干扰小、线性度高，即在低频段具有极低的频率响应误差。此外，其通过共用一个底座10减小了受感器的体积，简化了受感器的结构形式，实现了受感器的小型化。并且共用一个底座10作为输出地，提升了三个轴向输出的一致性，降低了成本。
此外，压电陶瓷11元件通过特定的配方和工艺调节，使其压电性和电容随温度的漂移率一致，则经过电压放大电路后，传感器灵敏度随温度的漂移趋近于零，整表的灵敏度温度漂移系数≤0.05％/℃@(-70-135℃)，不仅降低了传感器的温漂，还拓宽了传感器的使用温度范围，远远优于现有技术水平。并且，压电陶瓷11材料的密度不低于8g/cm3，导电片12的厚度为0.2mm，螺栓的装配预紧力为1-3Ncm，因此传感器整体结构的刚度大，将传感器的共振频率提升到50kHz以上，有利于降低传感器的高频响应误差。
如图3所示，插座结构3包括插座30以及插座导电片31，插座30为四芯结构，分别对应三个轴向的输出信号和一个接地端，可以有效的降低噪声干扰，实现传感器优秀的低频响应。插座导电片31呈L形结构。插座导电片31的一侧与信号调理电路板2连接，插座导电片31的另一侧与插座30的插针连接，连接方式均采用焊接。
信号调理电路板2为集成式结构，三个轴向的输出共用一个地线，信号调理电路板2共用的地线与插座30的地线连接，信号调理电路板2粘接于传感器的上盖4，既简化了安装方式、又解决了电路板与外壳的绝缘问题。信号调理电路采用电压放大原理，可以在高频段对传感器的输出信号进行有效的衰减，降低传感器的频率响应误差，促使传感器的高频频率响应达20kHz，且高频段10-20kHz的灵敏度频率响应误差≤10％。
实施例：传感器由受感器结构1、信号调理电路和插座30组合结构组成。其中底座10的高度为6mm，底座10底面安装面尺寸为10×10mm。压电陶瓷11的密度为8g/cm3，压电性d33＝360pC/N，尺寸为4×4×0.8mm中间打通孔，电容和压电性均随温度升高而增大。导电片12的尺寸为4×4×0.2mm中间打/>通孔，以电阻焊的方式与电路板相连。质量块13的尺寸为4×4×2mm中间打/>通孔。采用M2的螺栓依次将质量块13、压电陶瓷11、导电片12、压电陶瓷11拧于底座10上，预紧力为3Ncm。三个方向均按上述方式装配，X、Y、Z方向互相垂直。受感器结构1的三个垂直轴向的导电片12将压电陶瓷11的信号引入信号调理电路板2，信号调理电路板2电路板尺寸为10×10×1.5mm采用胶粘的方式与传感器的上盖4连接。插座导电片31和插座30采用电阻焊的方式相连，组成插座结构3，其中的插座导电片31分别于电路板每个轴向的输出端以锡焊的方式相连。最后插座结构3、受感器结构1、上盖4和外壳采用激光焊连接。
最终产品整体重量小于6g，传感器的频率响应范围达到0.1Hz-20kHz，频率响应误差≤10％。传感器的使用温度范围宽达-70-135℃，温漂系数≤0.05％/℃。传感器结构简单、一致性好，装配方式操做性强，生产效率高，成本低。
以上仅为本发明的较佳实施例，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 (9)
1.一种宽频响应的三轴电压式压电加速度传感器，其特征在于，包括用于产生三个轴向的信号的受感器结构(1)、用于对信号进行处理的信号调理电路板(2)以及用于对信号进行输出的插座结构(3)；
所述受感器结构(1)包括底座(10)以及设置在所述底座(10)的三个轴向上的受感器单元；所述底座(10)作为三个受感器单元共同的输地端；
三个所述受感器单元分别产生轴向的信号，并将三个轴向的信号输入至所述信号调理电路板(2)，通过所述信号调理电路板(2)将信号处理后再由所述插座结构(3)将信号进行输出。
2.根据权利要求1所述的宽频响应的三轴电压式压电加速度传感器，其特征在于，所述受感器单元包括设置在所述底座(10)上的两片压电陶瓷(11)、位于两片所述压电陶瓷(11)之间的导电片(12)以及设置在外侧的压电陶瓷(11)上的质量块(13)，受感器结构(1)的三个垂直轴向的导电片(12)将压电陶瓷(11)的信号引入信号调理电路板(2)。
3.根据权利要求1所述的宽频响应的三轴电压式压电加速度传感器，其特征在于，所述插座结构(3)包括插座(30)以及插座导电片(31)，所述插座导电片(31)的一侧与信号调理电路板(2)连接，所述插座导电片(31)的另一侧与插座(30)的插针连接。
4.根据权利要求3所述的宽频响应的三轴电压式压电加速度传感器，其特征在于，所述插座导电片(31)呈L形结构。
5.根据权利要求3所述的宽频响应的三轴电压式压电加速度传感器，其特征在于，所述插座(30)为四芯结构，分别对应三个轴向的输出信号和一个接地端。
6.根据权利要求1至5任一项所述的宽频响应的三轴电压式压电加速度传感器，其特征在于，所述信号调理电路板(2)粘接于传感器的上盖(4)。
7.根据权利要求6所述的宽频响应的三轴电压式压电加速度传感器，其特征在于，所述信号调理电路板(2)为集成式结构，所述信号调理电路板(2)共用的地线与插座(30)的地线连接。
8.根据权利要求2所述的宽频响应的三轴电压式压电加速度传感器，其特征在于，所述质量块(13)、压电陶瓷(11)、导电片(12)通过螺栓依次连接在底座(10)上。
9.根据权利要求8所述的宽频响应的三轴电压式压电加速度传感器，其特征在于，所述压电陶瓷(11)材料的密度不低于8g/cm3，导电片(12)的厚度为0.2mm。
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