CN1302267C - 用于检测力或振动的机械电传感器 - Google Patents
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Abstract
一种机械电传感器，用于检测力或振动，包括由压电支撑结构(3)支撑的内部主体(1)，其中该压电支撑结构(3)依次悬挂在外围框架(2)上，以及从支撑结构(3)的相对极化侧引出的信号线。可选地，外围框架(2)可以设置有压电区域，位于支撑结构在框架(2)上的悬挂位置。框架(2)可以进一步利用弹性材料(4)悬挂在外部框架(5)上。
Description
本发明涉及检测力或振动，传送代表所检测的力或振动状态参数的电信号。更特别地，本发明涉及一种机械电传感器，用于检测力或振动，以及传送是所检测的力或振动的函数的至少一个电信号。
力传感器、加速度传感器和振动传感器具有许多用途，并存在于许多具体装置中。通常，例如采用两个或三个独立的传感器通过使悬挂在弹簧系统上的重物相对于基准框架移动来检测三个正交方向的加速度。
本发明目的在于提供一种传感器，优于在先已知的方案，能够产生方向效应并且仅利用一个可移动物体来提供良好的有关平移和转动的测量。
因此，根据本发明，提供一种如权利要求1限定的机械电传感器。本发明的优选实施例体现在所附的从属权利要求中。
在下文中，通过示例性的实施例并参照附图进一步说明本发明，
其中：
图1示出本发明的传感器的二维实施例；
图2示出与图1相同的实施例，但悬挂在外部框架上；
图3示出本发明的传感器的另一种二维实施例；
图4示出与图3相同的实施例，但悬挂在外部框架上；
图5以局部剖切图的形式示出本发明的传感器的三维实施例，具有薄片形支撑结构；以及
图6以局部剖切图的形式示出另一种三维实施例，具有细丝形支撑结构。
图1中显示本发明的传感器的相对简单的二维实施例。内部主体1利用框架2上的支撑结构3支撑，在该例中支撑结构3是压电薄片，连接于例如薄片的各侧的未示出的信号线能够传输当相对于松弛的中心位置移动内部主体1时而引起薄片变形所产生的电信号。图中示出三个张紧在六边形开口上的薄片，但是可以使用单个薄片或者许多薄片。内部主体的选择取决于传感器的应用领域。在包括从软表面记录信号的应用中，内部主体可以由例如具有各种剪切值的塑料或硅橡胶构成。在其他应用中，例如工业，可以使用钻石材料。内部主体的材料和几何形状的结合非常重要。内部主体也可以具有开口以提供经由它的空气通道，例如在麦克风应用中。薄片还可能连接在两个相互隔离并且可能沿外周边隔离于其他框架部分的金属框架部分之间，从而可以从金属框架部分采集信号。当如图所示使用薄片时，薄片的延展方向可以是例如沿每个薄片带条的纵向方向，这相比于仅仅使用横跨开口的条带或者覆盖整个开口的完整“膜片”的单个薄片的情况，提供了采集高度综合的信号的可能性。
内部主体1的定中不是必要的，可以将内部主体布置在偏心位置。框架2的形状也不是至关紧要的，只要框架是刚性的并且适于连接压电薄片即可。
这种二维传感器明显地对于在垂直于传感器跨过的平面的方向上的力或振动影响最敏感，但是也可以(当使用具有独立信号线的多个薄片时)检测支撑平面内的力，即内部主体的侧向移动。
图2示出与图1相同的实施例，但整个传感器悬挂在外部框架5上。利用弹性件4，例如橡胶件进行悬挂，本发明的这种实施例当例如将传感器用做麦克风中的传感器元件时尤为有利。外部框架5的主要目的是噪波衰减，即振动形式的、可以使得传感器的压电元件振动的噪波的衰减。当传感器连接于外部框架5时，将具有两个振动系统，其中内部系统是传感器本身。这种设计必须给予外部系统一个相对于由内部框架/压电悬挂结构/内部主体构成的系统的谐振频率较低的谐振频率。然后可以获得框架作为低通滤波器的效果。这主要和二维方案有关。
另外，允许框架2还是内部主体1相关于外界振动非常重要。理想地，需要保持框架2相关于外界不动，而内部主体相关于框架振动。实际上，传感器框架的悬挂通常会提供外界和传感器元件之间的良好的声学耦合，并且通常这不是所希望的。一般来说，内部主体的质量会强烈地影响特性(频率响应)，但是设计和材料选择对于“被检测介质”和传感器之间的耦合也非常重要。由于耦合的振动系统，必须将特性优化为质量比、硬度等的函数。
在对于高频表现良好的麦克风的应用中，空气振动将使得悬挂膜片(见图4)振动，然后框架2将围绕内部主体1振动。在这种情况下，传感器的振动部分必须尽可能地轻。
图3示出本发明的传感器的另一种实施例，仍然是二维形式。这里示出悬挂在支撑结构3上的内部主体1，在该例中支撑结构3是多个扇形压电薄片，并且优选地每个薄片扇区的延伸方向相对于各自位置的半径按照相同的方式布置，即基本指向径向方向。在该例中薄片之间具有很小的开口，例如对于麦克风应用来说，这对于经由开口的空气通道而言较为有利。而且，信号线的连接类似于参照图1所述的方式，显然这可以通过信号线正确耦接每个对应薄片扇区而得到较高的总电压，如果需要的话。可选地，当然可以从每个对应薄片扇区采集独立的信号。
图4示出按照和图2相同的方式在外部框架5上的悬挂，但是在该例中悬挂结构是由例如橡胶制成的弹性的扇形膜片。
图5示出三维形式的实施例。内部主体1利用压电薄片式的支撑结构3夹持悬挂在球形框架2的中心，其中压电薄片以如下方式布置：内部主体1的相对移动或者转动将可以由产生在薄片中的电压检测到，并且可以被连接于薄片两侧的突出穿过框架的信号线(未示出)采集。当然，框架2不必非得是球形的，而且也不需要封闭，但是重要的是它是刚性的，以便构成内部主体的位置基准。
图6示出一种类似的设计，但是压电薄片由细丝替换，并且细丝可以是具有图5中的薄片相应功能的压电类型，或者细丝可以是拉紧的基本没有弹性，但是连接于框架的压电区域(未示出)，从而这些区域根据内部主体相对于框架2的平动或转动产生电压。
这种如图5和6所示的三维力/振动传感器基于框架和将被测量其力或可能的加速度的物体之间的刚性耦接，从而内部主体的惯性将在支撑结构3内或者在它们的连接区域产生可测量电压。因此。利用连接于合适的处理装置的信号线，这种加速度/振动传感器将可以构成例如惯性导航系统内的主要部件。
如图5和6所示的三维实施例也可以经由二维或三维的弹性材料悬挂在外部框架上。
如图5所示的薄片可以具有其他形状，例如大扇形或近似于完整圆形，并且将被跨过的平面不必如图所示那样正交。
此外，在本申请中薄片材料或者细丝材料不是仅有的可能材料，内部主体和框架之间的支撑结构可以是双压电晶片元件或类似元件。
本发明包容已经提到过的变形，即支撑结构不是压电元件而是连接于框架的压电区域的变形。
Claims (15)
1.机械电传感器，用于检测力或振动，并且传送是所检测的力或振动的函数的至少一个电信号，所述传感器包括由多个独立的压电薄片支撑的单个内部主体(1)，其中所述压电薄片依次悬挂在外围框架(2)上；以及从所述薄片的相对极化侧引出的信号线，其特征在于，所述独立的压电薄片具有扇形形状并且沿周边连接于所述框架(2)，并且所述框架(2)具有周边延伸区以沿周边固定所述薄片。
2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，每个独立薄片布置为其延伸方向相对于各自的径向方向同一，并且连接有信号线以增加来自每个独立薄片的对应输出信号。
3.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，内部主体(1)偏心布置。
4.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，框架(2)为二维，即基本位于平面内。
5.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，框架(2)为三维，并且薄片平面跨过三维空间。
6.如权利要求5所述的传感器，其特征在于，薄片平面数量为三，所述平面正交。
7.如权利要求5所述的传感器，其特征在于，每个薄片平面包括多个薄片，在内部主体(1)外其间具有间隙。
8.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，框架(2)进一步利用弹性材料(4)悬挂在外部框架(5)上。
9.如权利要求8所述的传感器，其特征在于，弹性材料是膜材料。
10.机械电传感器，用于检测力或振动，并且传送是所检测的力或振动的函数的至少一个电信号，其特征在于，所述传感器包括支撑在至少一个支撑结构(3)上的至少一个内部主体(1)，其中该支撑结构(3)依次悬挂在外围框架(2)上，外围框架(2)具有对应的压电区域，至少靠近地围绕或位于至少一个支撑结构(3)在框架(2)上的对应悬挂位置附近，以及从每个区域的相对极化侧引出的信号线。
11.如权利要求10所述的传感器，其特征在于，所述至少一个支撑结构(3)由多个拉紧的并基本上没有弹性的细丝构成，每个细丝连接于所述至少一个内部主体(1)以及框架(2)上的连接点，并且压电区域布置为以每个连接点为中心的独立区域。
12.如权利要求11所述的传感器，其特征在于，框架(2)是二维的，从而细丝如同车轮辐条一样分布在内部主体(1)和框架(2)之间，对于偏心的内部主体位置可以具有不同的细丝长度。
13.如权利要求11所述的传感器，其特征在于，框架(2)为三维的。
14.如权利要求10所述的传感器，其特征在于，框架(2)进一步利用弹性材料(4)悬挂在外部框架(5)上。
15.如权利要求14所述的传感器，其特征在于，弹性材料是橡胶。
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