CN117825747A - 一种中心质量块加速度传感器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种中心质量块加速度传感器及其工作方法，属于加速度传感器技术领域，包括中心质量块加速度传感器，包括安装壳体、锁紧环、芯体、压紧帽、接嘴盖、接嘴和插针，芯体包括压电陶瓷和质量块，安装壳体的内部设置用于锁紧芯体的锁紧环，锁紧环内部依次嵌套压电陶瓷和质量块，质量块位于安装壳体的中心；所述压紧帽与安装壳体螺纹配合，用于压紧锁紧环上方，安装壳体的上方与接嘴盖连接，接嘴盖连接接嘴，接嘴内安装插针；所述压紧帽、接嘴盖和接嘴的中心均设置有通孔，质量块连接有一引线，引线通过通孔与插针连接，用于传输信号。本发明结构新颖，装配简单，极大提高了传感器的稳定性和可靠性，且进一步降低了成本。

Description

一种中心质量块加速度传感器及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种中心质量块加速度传感器及其工作方法，属于加速度传感器技术领域。

背景技术

压电式加速度传感器的工作原理主要基于压电效应。当传感器感受振动时，质量块受到惯性力作用在压电片上，且作用于压电片的力正比于加速度，通过压电效应，压电片表面产生随振动加速度变化的电压。经过放大和积分电路处理，可以测量出加速度、振动速度和位移。

加速度传感器的应用场景复杂，常见的应用场景包括手机陀螺仪、汽车防撞系统、地震预警、航空航天发动机测试等，常见的加速度传感器结构一般包括：壳盖、底座、接嘴及芯体部分，芯体部分主要有：中心柱、压电陶瓷、质量块、合金圈等结构。安装时需要先选用芯体安装治具，将陶瓷、质量块、合金圈依次放到中心柱上，再选用合适的安装治具，收缩合金圈，固定芯体，最后再将整个芯体旋到底座上。可以看出传统传感器结构较为复杂、安装繁琐，尤其是合金圈的成本，甚至可以占到整个传感器一半的成本，复杂的结构及安装过程同时也会导致传感器的稳定性和可靠性不佳，产生较多问题。

鉴于此，亟需一种结构及装配简单，性能稳定可靠的加速度传感器。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种中心质量块加速度传感器及其工作方法，结构新颖，装配简单，极大提高了传感器的稳定性和可靠性，且进一步降低了成本。

本发明采用以下技术方案：

一方面，本发明提供一种中心质量块加速度传感器，包括中心质量块加速度传感器，包括安装壳体、锁紧环、芯体、压紧帽、接嘴盖、接嘴和插针，所述芯体包括压电陶瓷和质量块，所述安装壳体的内部设置用于锁紧芯体的锁紧环，所述锁紧环内部依次嵌套压电陶瓷和质量块，质量块位于安装壳体的中心；

所述压紧帽与安装壳体螺纹配合，用于压紧锁紧环上方，所述安装壳体的上方与接嘴盖连接，接嘴盖连接接嘴，接嘴内安装插针；所述压紧帽、接嘴盖和接嘴的中心均设置有通孔，质量块连接有一引线，引线通过通孔与插针连接，用于传输信号。

优选的，所述安装壳体底部设置有安装螺纹孔，用于与转接螺栓配合，将整个传感器固定在被测物体表面。

优选的，所述安装壳体的上表面为接嘴盖安装面，接嘴盖与接嘴盖安装面固定连接；

所述安装壳体的中部为螺纹孔，优选为M12×1的内螺纹，压紧帽外环为M12×1的外螺纹，与安装壳体的内螺纹配合，使用六角扳手将压紧帽旋下后便可以将锁紧环向下压，在安装斜面的作用下锁紧环便会向内收缩，进而锁紧陶瓷和质量块。

所述安装壳体内部在螺纹孔下方为一个带角度的安装斜面，从上到下内径依次减小；所述锁紧环为一个带有开口的环状结构，开口的作用是锁紧环在向下移动时可以保证锁紧环直径可以轻松收缩，当然开口的大小需要提前设计，结合锁紧环需要下降的高度以及需要缩紧的距离，便可以给出开口大小，锁紧环内部的安装面为竖直的，外部的安装面为斜面，与安装壳体内部的安装斜面配合，安装壳体的内部斜面与锁紧环的外部斜面贴合，能够限制锁紧环的竖向位移及横向位移；

所述压电陶瓷为一个带有开口的圆环结构，开口的作用与锁紧环的开口作用相同，均是保证结构可以正常收缩，压电陶瓷的内外面均是竖直的，内表面与质量块接触，外表面与锁紧环的竖直安装面接触，锁紧环内圈与压电陶瓷的外圈配合，能够限制压电陶瓷竖直向下位移和横向位移。

优选的，所述锁紧环的内部底面设置有一朝向中心方向凸出的凸台A，竖直安装面和凸台A的上表面均与压电陶瓷接触，用于限制压电陶瓷在竖直向下和水平方向的移动。

优选的，所述质量块为一个实心圆柱结构，质量块的上部设置有一个向外凸出的凸台B，质量块的外表面和凸台B的下表面均与压电陶瓷接触，用于限制质量块竖直向下及压电陶瓷水平方向的移动。

本发明中，安装壳体的安装斜面角度可通过质量块、压电陶瓷、与锁紧环之间的公差，以及整个芯体的可下降范围确定，优选的，安装壳体的安装斜面与竖直方向的夹角为4°~7°。

优选的，所述压紧帽为一圆环结构，压紧帽的上部中心设置有内六角孔，用于旋紧压紧帽；所述压紧帽底面为一圆环，用于压在锁紧环顶面上。

优选的，所述接嘴盖中间上部设置有圆环凸起，用于安装接嘴，接嘴盖底部与接嘴盖安装面配合并焊接在一起。

本发明的接嘴可直接选择市面上常用的M5接嘴，本发明的接嘴盖与接嘴做成两部分，方便以后选用其他型号的接嘴，当需要更换接嘴时，只需要修改与接嘴配合的接嘴盖的内径尺寸即可，方便后续修改工作，降低加工成本，比接嘴盖与接嘴一体化设计的结构更为合理。

本发明重新设计了安装壳体，代替传统安装壳体与底座两个零件，传统安装壳体只能起到安装芯体的作用，更改设计后，本发明的安装壳体既是芯体的安装座，又可以锁紧芯体，同时也将芯体定位到结构中心位置，起到了安装、锁紧、定位三个功能，丰富了安装壳体的功能。

优选的，传感器的装配过程为：

依次向安装壳体中放入锁紧环、压电陶瓷和质量块；

使用内六角扭矩扳手旋入压紧帽，将锁紧环向下压入安装壳体内，锁紧环和压电陶瓷均带有开口，在压紧帽和带有角度的安装斜面作用下，锁紧环便会向内收缩，进而锁紧压电陶瓷和质量块；

将引线一端焊接到提前焊好焊点的质量块上，引线的另一端穿过接嘴盖，并将焊点与接嘴内的插针焊接，将接嘴盖焊接到安装壳体上，将装好插针的接嘴焊接到接嘴盖上。至此，整个传感器的装配完成。

本发明的传感器结构设计新颖、简单可靠，且可以快速安装，在保证了产品性能的同时降低了成本。

另一方面，本发明提供一种基于中心质量块加速度传感器的工作方法，将安装壳体底部的安装螺纹孔固定在被测物体表面，通过接嘴连接线缆，线缆与采集仪连接；

当传感器受到振动时，质量块产生一个与加速度方向相反，大小成正比的惯性力，此时，压电陶瓷受到质量块和锁紧环的剪切力，根据压电效应，压电陶瓷在剪切力作用下产生电荷信号，压电陶瓷产生的电荷量Q由采集仪采集得到；

压电陶瓷产生的电荷量Q为：Q=dAF；

式中，Q为产生的电荷量，d为压电陶瓷的压电系数，A为施加在压电陶瓷上的力的面积，F是压电陶瓷所受的剪切力，该力的大小随传感器加速度的变化而不断变化；最终的电荷信号需要通过电荷放大器进一步采集处理。

传感器的加速度a为：

；

式中，a为传感器的加速度值，S _q 为传感器的灵敏度，M为质量块的质量，d ₁₅为压电陶瓷的压电系数。

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）与传统加速度传感器中心为中心柱的芯体结构设计不同，本发明将质量块放在压电陶瓷中心，采用锁紧环锁紧压电陶瓷到质量块上，质量块悬空设计，结构新颖，且省去了中心柱、合金圈等结构，大大降低了传感器的复杂程度，减少了装配工艺。

（2）本发明将传感器的底座与壳盖合为一体，设计成安装壳体，进一步减少了装配工艺。

（3）本发明采用锁紧环代替了传统传感器的合金圈，大大降低了产品成本。零件的减少同时也降低了生产操作人员的工作量及生产人员的操作难度，大大降低了时间成本。

（4）本发明通过压紧帽螺纹压紧配合斜面装配，直接将锁紧环、压电陶瓷、质量块依次放入安装壳体即可实现锁紧，这种设计极大简化了传感器的装配过程，提高了传感器的稳定性和可靠性；并且，在锁紧环及质量块上分别设置有凸台A和凸台B，限制了压电陶瓷及质量块的竖向位移及横向位移，巧妙地解决了芯体安装的问题，免去了芯体安装治具的设计，减少了设计及制作成本，简化了安装流程。

（5）传统的中心柱设计的直径会影响传感器的谐振频率，本发明省去了中心柱，依靠锁紧环的锁紧作用，使得芯体结构与壳体连接成为了一个完整的个体，这种设计避免了中心柱的差异对传感器谐振频率的影响，并且一体式设计进一步提高了结构的谐振频率。

附图说明

图1为本发明的中心质量块加速度传感器的整体结构示意图；

图2为本发明的中心质量块加速度传感器的爆炸图；

图3为本发明中锁紧环的三维结构示意图；

图4为本发明的传感器的惯性力示意图；

图5为现有技术中某一对比例的传感器结构示意图；

图6为本发明的传感器的频响仿真结果示意图；

图7为对比例中传感器的频响仿真结构示意图；

图中，1-插针，2-接嘴，3-接嘴盖，4-压紧帽，5-锁紧环，6-压电陶瓷，7-质量块，8-安装壳体，9-安装螺纹孔，10-凸台A，11-凸台B。

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

一种中心质量块加速度传感器，如图1~图3所示，包括安装壳体8、锁紧环5、芯体、压紧帽4、接嘴盖3、接嘴2和插针1，芯体包括压电陶瓷6和质量块7，安装壳体8的内部设置用于锁紧芯体的锁紧环5，锁紧环5内部依次嵌套压电陶瓷6和质量块7，质量块7位于安装壳体的中心；

压紧帽4与安装壳体螺纹配合，用于压紧锁紧环5上方，安装壳体8的上方与接嘴盖3连接，接嘴盖3连接接嘴2，接嘴2内安装插针1；压紧帽、接嘴盖和接嘴的中心均设置有通孔，质量块7连接有一引线，引线通过通孔与插针连接，用于传输信号。

安装壳体底部设置有安装螺纹孔9，用于与转接螺栓配合，将整个传感器固定在被测物体表面。

安装壳体8的上表面为接嘴盖安装面，接嘴盖与接嘴盖安装面固定连接；

安装壳体8的中部为螺纹孔，优选为M12×1的内螺纹，压紧帽外环为M12×1的外螺纹，与安装壳体的内螺纹配合，使用六角扳手将压紧帽旋下后便可以将锁紧环向下压，在安装斜面的作用下锁紧环便会向内收缩，进而锁紧陶瓷和质量块。

安装壳体8内部在螺纹孔下方为一个带角度的安装斜面，从上到下内径依次减小；锁紧环5为一个带有开口的环状结构，开口的作用是锁紧环在向下移动时可以保证锁紧环直径可以轻松收缩，当然开口的大小需要提前设计，结合锁紧环需要下降的高度以及需要缩紧的距离，便可以给出开口大小，锁紧环5内部的安装面为竖直的，外部的安装面为斜面，与安装壳体内部的安装斜面配合，安装壳体的内部斜面与锁紧环的外部斜面贴合，能够限制锁紧环的竖向位移及横向位移；

压电陶瓷6为一个带有开口的圆环结构，开口的作用与锁紧环的开口作用相同，均是保证结构可以正常收缩，压电陶瓷6的内外面均是竖直的，内表面与质量块接触，外表面与锁紧环的竖直安装面接触，锁紧环内圈与压电陶瓷的外圈配合，能够限制压电陶瓷竖直向下位移和横向位移。

实施例2

一种中心质量块加速度传感器，如实施例1所述，所不同的是，锁紧环5的内部底面设置有一朝向中心方向凸出的凸台A 10，竖直安装面和凸台A 10的上表面均与压电陶瓷接触，用于限制压电陶瓷在竖直向下和水平方向的移动。

质量块7为一个实心圆柱结构，质量块7的上部设置有一个向外凸出的凸台B 11，质量块的外表面和凸台B 11的下表面均与压电陶瓷接触，用于限制质量块竖直向下及压电陶瓷水平方向的移动。

本实施例中，安装壳体的安装斜面角度可通过质量块、压电陶瓷、与锁紧环之间的公差，以及整个芯体的可下降范围确定，安装壳体的安装斜面与竖直方向的夹角为5.5°。

压紧帽4为一圆环结构，压紧帽4的上部中心设置有内六角孔，用于旋紧压紧帽；压紧帽底面为一圆环，用于压在锁紧环顶面上。

接嘴盖中间上部设置有圆环凸起，用于安装接嘴，接嘴盖底部与接嘴盖安装面配合并焊接在一起。

本实施例的接嘴可直接选择市面上常用的M5接嘴，本发明的接嘴盖与接嘴做成两部分，方便以后选用其他型号的接嘴，当需要更换接嘴时，只需要修改与接嘴配合的接嘴盖的内径尺寸即可，方便后续修改工作，降低加工成本，比接嘴盖与接嘴一体化设计的结构更为合理。

本实施例重新设计了安装壳体，代替传统安装壳体与底座两个零件，传统安装壳体只能起到安装芯体的作用，更改设计后，本发明的安装壳体既是芯体的安装座，又可以锁紧芯体，同时也将芯体定位到结构中心位置，起到了安装、锁紧、定位三个功能，丰富了安装壳体的功能。

实施例3

一种中心质量块加速度传感器，如实施例2所述，所不同的是，装配过程为：

依次向安装壳体8中放入锁紧环5、压电陶瓷6和质量块7；

使用内六角扭矩扳手旋入压紧帽4，将锁紧环5向下压入安装壳体8内，锁紧环和压电陶瓷均带有开口，在压紧帽和带有角度的安装斜面作用下，锁紧环5便会向内收缩，进而锁紧压电陶瓷和质量块；

将引线一端焊接到提前焊好焊点的质量块7上，引线的另一端穿过接嘴盖3，并将焊点与接嘴内的插针焊接，将接嘴盖焊接到安装壳体上，将装好插针的接嘴焊接到接嘴盖上。至此，整个传感器的装配完成。

本实施例的传感器结构设计新颖、简单可靠，且可以快速安装，在保证了产品性能的同时降低了成本。

实施例4

一种基于实施例3的中心质量块加速度传感器的工作方法，将安装壳体底部的安装螺纹孔固定在被测物体表面，通过接嘴连接线缆，线缆与采集仪连接；

如图4所示，当传感器受到振动时，质量块产生一个与加速度a方向相反，大小成正比的惯性力f，此时，压电陶瓷受到质量块和锁紧环的剪切力，根据压电效应，压电陶瓷在剪切力作用下产生电荷信号，压电陶瓷产生的电荷量Q由采集仪采集得到；

压电陶瓷产生的电荷量Q为：Q=dAF；

式中，Q为产生的电荷量，d为压电陶瓷的压电系数，A为施加在压电陶瓷上的力的面积，F是压电陶瓷所受的剪切力，该力的大小随传感器加速度的变化而不断变化；最终的电荷信号需要通过电荷放大器进一步采集处理。

传感器的加速度a为：

；

式中，a为传感器的加速度值，S _q 为传感器的灵敏度，M为质量块的质量，d ₁₅为压电陶瓷的压电系数。

对比例

一种传统的加速度传感器，结构如图5所示，包括：壳盖、底座、接嘴及芯体部分，芯体部分包括：中心柱、压电陶瓷、质量块、合金圈等结构。安装时需要先选用芯体安装治具，将陶瓷、质量块、合金圈依次放到中心柱上，再选用合适的安装治具，收缩合金圈，固定芯体，最后再将整个芯体旋到底座上。

在外壳尺寸相同的前提下，灵敏度均为50pC/g，对实施例3和对比例的传感器进行频响仿真，仿真结果分别如图6、图7所示，可以看出，实施例3的仿真结果中，其频响在62.5kHz左右，对比例的仿真结果中，频响在50.5kHz左右，显然，本发明的传感器频响优于传统传感器。

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)

1.一种中心质量块加速度传感器，其特征在于，包括安装壳体、锁紧环、芯体、压紧帽、接嘴盖、接嘴和插针，所述芯体包括压电陶瓷和质量块，所述安装壳体的内部设置用于锁紧芯体的锁紧环，所述锁紧环内部依次嵌套压电陶瓷和质量块，质量块位于安装壳体的中心；

所述压紧帽与安装壳体螺纹配合，用于压紧锁紧环上方，所述安装壳体的上方与接嘴盖连接，接嘴盖连接接嘴，接嘴内安装插针；所述压紧帽、接嘴盖和接嘴的中心均设置有通孔，质量块连接有一引线，引线通过通孔与插针连接，用于传输信号。

2.根据权利要求1所述的中心质量块加速度传感器，其特征在于，所述安装壳体底部设置有安装螺纹孔，用于与转接螺栓配合，将整个传感器固定在被测物体表面。

3.根据权利要求2所述的中心质量块加速度传感器，其特征在于，所述安装壳体的上表面为接嘴盖安装面，接嘴盖与接嘴盖安装面固定连接；

所述安装壳体的中部为螺纹孔，用于与压紧帽螺纹配合；

所述安装壳体内部在螺纹孔下方为一个带角度的安装斜面，从上到下内径依次减小；所述锁紧环为一个带有开口的环状结构，能够收缩，锁紧环内部的安装面为竖直的，外部的安装面为斜面，与安装壳体内部的安装斜面配合；

所述压电陶瓷为一个带有开口的圆环结构，能够收缩，压电陶瓷的内外面均是竖直的，内表面与质量块接触，外表面与锁紧环的竖直安装面接触。

4.根据权利要求3所述的中心质量块加速度传感器，其特征在于，所述锁紧环的内部底面设置有一朝向中心方向凸出的凸台A，竖直安装面和凸台A的上表面均与压电陶瓷接触，用于限制压电陶瓷在竖直向下和水平方向的移动。

5.根据权利要求4所述的中心质量块加速度传感器，其特征在于，所述质量块为一个实心圆柱结构，质量块的上部设置有一个向外凸出的凸台B，质量块的外表面和凸台B的下表面均与压电陶瓷接触，用于限制质量块竖直向下及压电陶瓷水平方向的移动。

6.根据权利要求5所述的中心质量块加速度传感器，其特征在于，所述安装壳体的安装斜面与竖直方向的夹角为4°~7°。

7.根据权利要求6所述的中心质量块加速度传感器，其特征在于，所述压紧帽为一圆环结构，压紧帽的上部中心设置有内六角孔，用于旋紧压紧帽；所述压紧帽底面为一圆环，用于压在锁紧环顶面上。

8.根据权利要求7所述的中心质量块加速度传感器，其特征在于，所述接嘴盖中间上部设置有圆环凸起，用于安装接嘴，接嘴盖底部与接嘴盖安装面配合并焊接在一起。

9.根据权利要求8所述的中心质量块加速度传感器，其特征在于，其装配过程为：

依次向安装壳体中放入锁紧环、压电陶瓷和质量块；

使用内六角扭矩扳手旋入压紧帽，将锁紧环向下压入安装壳体内，锁紧环和压电陶瓷均带有开口，在压紧帽和带有角度的安装斜面作用下，锁紧环向内收缩，进而锁紧压电陶瓷和质量块；

将引线一端焊接到提前焊好焊点的质量块上，引线的另一端穿过接嘴盖，并将焊点与接嘴内的插针焊接，将接嘴盖焊接到安装壳体上，将装好插针的接嘴焊接到接嘴盖上。

10.一种基于权利要求9所述的中心质量块加速度传感器的工作方法，其特征在于，将安装壳体底部的安装螺纹孔固定在被测物体表面，通过接嘴连接线缆，线缆与采集仪连接；

当传感器受到振动时，质量块产生一个与加速度方向相反，大小成正比的惯性力，此时，压电陶瓷受到质量块和锁紧环的剪切力，根据压电效应，压电陶瓷在剪切力作用下产生电荷信号，压电陶瓷产生的电荷量Q由采集仪采集得到；

传感器的加速度a为：

；

式中，a为传感器的加速度值，S _q 为传感器的灵敏度，M为质量块的质量，d ₁₅为压电陶瓷的压电系数。