CN1712912A - 压电声敏传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种压电传感器。现有往复式压缩机、泵等设备的运转判断是人为定性，不能进行定量分析和数据化管理。该传感器拾音探头(1)拾取声音信号，绝缘座(3)和绝缘座压板(7)把两侧粘结有基底电极(6)的压电元件(5)夹在中间并使压电元件(5)和基底电极(6)与拾音探头(1)绝缘，压电元件(5)通过绝缘胶(2)粘接在拾音探头的内部直接用于测量拾音探头(1)拾取声音信号转为输出电信号，电极引线(8)把压电元件(5)产生的电信号传输到导线固定板(9)上，一端连接基底电极(6)，一端固定在导线固定板(9)上；传感器输出线(4)上输出电信号。本发明输出线性好，分辨率高、响应速度快、噪声低、易小型化。
Description
技术领域
本发明涉及一种压电传感器，该传感器主要用于检测和监测设备运转部件发生故障时声音信号的变化，从而获取设备运转完好状况信息。
背景技术
工业化大生产应用着大量的机器运转设备，对机械设备的日常维护是保证设备完好状况进而提高经济效益的一个很重要的因素。目前国外进口设备和国内比较关键的设备基本上引进了先进的传感检测技术和智能监控系统，而国内工矿企业广泛应用的大型往复式压缩机、泵、减速机、车床等设备的运转状况主要靠有经验的师傅用“看、听、摸”的方法进行日常维护和故障诊断。“听”主要是借助“听棒”等辅助工具凭经验对设备的运转完好状况进行判断，判断是定性的且受人为因素影响很大，不能进行定量分析和实现对运转设备运转状况的数据化管理。
机械故障通常以机器部件的机械振动形式表达出来，趋近式电涡流传感器、速度传感器和加速度传感器等传感器通过测量机器的机械振动，将机械振动转变为电信号随后被测量整定以指示振动值，并可用于对机器的机械完好状况进行诊断。准确地对转轴、轴承、轴承箱、机壳等部件进行测量和监测可以对机器的机械状态进行描述，但是这些传感器的缺点是容易受噪声和振动源的影响、振动信息不是运动部件的信息而是测量的机壳振动的间接信息、传感器和机壳要求紧固固定且安装精度要求较高等。另外这些类型的传感器不适合做成便携式的可移动使用的传感器，对于像往复式压缩机的气阀故障、柱塞往复泵的进排液阀故障信号等引起的振动信号的测量更易受噪声信号的影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种通过拾取运转设备零部件振动发出的声音信号的变化并把声音信号转化为指示设备运转完好状况的电信号的传感器。这种传感器直接获取的是运转零部件的振动信息，利用传感器将声音振动的信号转化为电信号，借助这种电信号提供的有用信息便可以对设备的机械状况进行诊断。传感器使用时只需要将它的拾音部件和待测设备外部紧密接触就可以获取内部设备的运转信息，它可用来检测往复式压缩机的气阀和运转零部件故障、柱塞往复泵的进排液阀故障、滚动和滑动轴承故障、齿减速机齿轮啮合故障等。这种检测声音信号的传感器具有输出线性好，分辨率高、响应速度快、噪声低、器件尺寸小，易于实现测量装置小型化和实现便携式移动使用的特点。
本发明提供的压电声敏传感器，其特征在于：包括拾音探头1、绝缘座3、传感器输出线4、压电元件5、基底电极6、绝缘座压板7、电极引线8、导线固定板9，拾音探头1通过和待测设备外部接触拾取运转设备内部的声音信号，绝缘座3和绝缘座压板7把两侧粘结有基底电极6的压电元件5夹在中间并使压电元件5和基底电极6与拾音探头1绝缘，压电元件5和基底电极6用导电胶粘结，压电元件5通过绝缘胶2粘接在拾音探头的内部直接用于测量拾音探头1拾取的转动设备内部的声音信号变化并转化输出为电信号，基底电极6上焊接有电极引线8与压电元件5通过导电胶粘接，电极引线8把压电元件5产生的电信号传输到导线固定板9上，传感器输出线4的一端连在导线固定板9上把压电元件5产生的电信号输出，按用途压电声敏传感器的外形可制成圆柱体、圆锥体、立方体或圆锥体和圆柱体的组合体，可以做成移动便携式或固定安装使用的传感器。
所述拾音探头1，其拾取声音信号与转动设备接触的部位到压电元件5响应到信号声波所传输的直线距离为声匹配层的厚度，声匹配层的厚度为待测声音信号声波波长的1/4；拾音探头1的外部形状可为球面、锥面或平面结构，内部为空腔结构。
所述绝缘座3和绝缘座压板7，和绝缘座压板7过盈配合的绝缘座3带有一个夹持固定压电元件5和基底电极6的凹槽301、两个用于引出电极引线8的圆弧形槽302和303，它紧密卡在拾音探头1的空腔结构内；绝缘座压板7是一个圆柱体。
所述压电元件5为采用压电材料PVDF(聚偏二氟乙烯)制成的压电薄膜，其表面镀有金属层为压电元件5的电极；PVDF压电薄膜的厚度为90～250μm，薄膜厚度决定压电声敏传感器的中心频率和待测测信号一定情况下的传感器输出响应；两侧粘有基底电极6的压电元件5展平后粘接在拾音探头1的空腔内。
所述基底电极6是表面平整的金属片，其形状为圆环形；电极引线8焊接或粘结在其外围的一侧表面上；基底电极6和压电元件5同心粘结在一起被夹持在绝缘座3和绝缘座压板7之间的凹槽301内。
所述电极引线8用外表面带有绝缘材料的金属线制成，其一端焊接或粘接在基底电极6上，另一端固定在导线固定板9上。
所述导线固定板9用绝缘材料制成，用来固定电极引线8和传感器输出线4。
传感器输出线4为双绞屏蔽线，其一端和导线固定板9相连接，另一端引出作为传感器的输出信号线。
采用了上述结构，可以制成输出线性好、分辨率高、响应速度快、噪声低、器件尺寸小，易于实现测量装置小型化和实现便携式移动的压电声敏传感器，做成的这种传感器加上信号处理等电子部件可以方便的采集和处理信号，实现对往复式压缩机的气阀和运转零部件状态、柱塞往复泵的进排液阀状态、滚动和滑动轴承状态、减速机齿轮啮合完好状态的检测和监测。
附图说明
图1为拾音探头为球面的移动便携式压电声敏传感器剖视图；
图2为拾音探头为锥面的移动便携式压电声敏传感器剖视图；
图3为图1和图2局部剖视放大图；
图4为拾音探头为平面的固定安装式压电声敏传感器剖视图；
图5(a)为绝缘座3的主视剖面图；
图5(b)为绝缘座3的俯视图；
图5(c)为绝缘座压板7的剖视图；
图6为基底电极6和电极引线8的主视图；
图中：拾音探头1、绝缘胶2、绝缘座3、传感器输出线4、压电元件5、基底电极6、绝缘座压板7、电极引线8、导线固定板9、手持杆10、密封帽11，凹槽101，凸台102，凸肩103，螺纹孔104，凹槽301，圆弧形槽302，圆弧形槽303。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详述。
本发明提供的压电声敏传感器：见图1、图2、图3、图4、图5、图6，包括拾音探头1、绝缘胶2、绝缘座3、传感器输出线4、压电元件5、基底电极6、绝缘座压板7、电极引线8、导线固定板9、手持杆10、密封帽11等部件，拾音探头1通过和待测设备外部接触拾取运转设备内部的声音信号，绝缘座3和绝缘座压板7把两侧粘结有基底电极6的压电元件5夹在中间并使压电元件5和基底电极6与拾音探头1绝缘，压电元件5和基底电极6用导电胶粘结，压电元件5通过绝缘胶2粘接在拾音探头的内部直接用于测量拾音探头1拾取的转动设备内部的声音信号变化并转化输出为电信号，基底电极6上焊接有电极引线8与压电元件5通过导电胶粘接，电极引线8把压电元件5产生的电信号传输到导线安全固定板9上，传感器输出线4的一端连在导线固定板9上把压电元件5产生的电信号输出，按用途压电声敏传感器的外形可制成圆柱体、圆锥体、立方体或圆锥体和圆柱体的组合体，可以做成移动便携式或固定安装使用的传感器。
本发明的装配制作技术方案其步骤为：见图1、图2、图3、图4、图5、图6，第一步，首先把绝缘座3嵌入到拾音探头1的凹槽101内，调整绝缘座3的位置使圆弧形槽302的槽底面比拾音探头1的凸台102的平面略低；第二步，在凸台102的平面上均匀的涂抹上一层绝缘粘性胶2，把两侧粘有基底电极6的压电元件5平铺粘结在凸台102上并使电极引线8分别穿过圆弧形槽302和303；第三步，把绝缘座压板7卡入到绝缘座3的凹槽301内并使之紧紧地把粘结有基底电极6的压电元件5压在拾音探头1的凸台102上；第四步，把电极引线8固定在导线固定板上，然后再把导线固定板9固定在拾音探头1的凸肩103上；第五步，传感器输出线4为双绞屏蔽线，其一端和导线固定板9相连接，另一端引出作为传感器的输出信号线穿过通孔105；引出线要用防挣脱密封帽11固定，一者起到密封作用防止水分或灰尘等进入传感器内部，二者可以固定夹紧导线防止传感器输出线4从导线固定板9上脱落；第六步，移动式压电声敏传感器手持杆10通过外螺纹拧入到拾音探头1的螺纹孔104内，拧紧后用密封胶密封；固定式压电声敏传感器端盖10直接通过密封胶和拾音探头1密封固定。
所述拾音探头1，如图1、图2、图3、图4所示，其拾取声音信号与转动设备接触的部位到压电元件5响应信号声波所传输的直线距离为声匹配层的厚度，声匹配层的厚度为待测声音信号声波波长的1/4；拾音探头1的外部形状可为球面、锥面或平面结构；拾音探头1内部为一个带有凹槽101、凸台102、凸肩103和内螺纹104的空腔结构；凸台102表面粗糙度一般为Ra3.2～Ra6.3。
所述压电元件5，如图1、图2、图3、图4所示，它采用压电材料PVDF制成压电薄膜，其表面经极化镀有金属层，镀层可以为金、银、铝等材料并作为压电材料的电极；PVDF压电薄膜的厚度为90～250μm，薄膜厚度决定压电声敏传感器的中心频率和待测测信号一定情况下的传感器输出响应；两侧粘有基底电极6的压电元件5展平后粘接在拾音探头1的空腔内。
所述绝缘座3和绝缘座压板7，见图1、图2、图3、图4、图5，和绝缘座压板7过盈配合的绝缘座3带有一个夹持固定压电元件5和基底电极6的凹槽301、两个用于引出电极引线8的圆弧形槽302和303，它紧密卡在拾音探头1的空腔结构内；绝缘座压板7是一个圆柱体。
所述基底电极6，如图1、图2、图3、图4、图6所示，为表面平整其形状为圆环形的金属片；电极引线8焊接或粘结在其外围的一侧表面上；基底电极6和压电元件5同心粘结在一起被夹持在绝缘座3和绝缘压板7之间的凹槽301内。
所述电极引线8，如图1、图2、图3、图4、图6所示，用外表面带有绝缘材料的金属线制成，其一端焊接或粘接在基底电极6上，一端固定在导线固定板9上。
所述导线固定板9用绝缘材料制成，如图1、图2、图3、图4所示，其用途为固定电极引线8和传感器输出线4，它固定在拾音探头1内部的凸肩103的上。
传感器输出线4为双绞屏蔽线，其一端和导线固定板9相连接，另一端引出作为传感器的输出信号线。
采用了上述结构，可以制成输出线性好、分辨率高、响应速度快、噪声低、器件尺寸小，易于实现测量装置小型化和实现便携式移动使用的压电声敏传感器，做成的这种传感器加上信号处理等电子部件可以方便的采集信号和处理信号，实现对往复式压缩机的气阀和运转部件状态检测、柱塞往复泵的进排液阀状态检测、滚动和滑动轴承状态检测、齿轮箱齿轮啮合完好状态检测，它不仅具有使用方便而且具有成本低廉易于推广使用的特点。
采用这种压电声敏传感器在某化工企业分别对往复式压缩机的进排气阀、离心泵的轴承、隔膜柱塞泵的进排液阀、减速机等进行了现场信号的采集，实践证明这种传感器能够比较灵敏的采集到源自运转设备零部件的声音信号，具有灵敏度高、噪音小、使用方便的特点。
Claims (6)
1、压电声敏传感器，其特征在于：包括拾音探头(1)、绝缘座(3)、传感器输出线(4)、压电元件(5)、基底电极(6)、绝缘座压板(7)、电极引线(8)、导线固定板(9)，拾音探头(1)通过和待测设备外部接触拾取运转设备内部的声音信号，绝缘座(3)和绝缘座压板(7)把两侧粘结有基底电极(6)的压电元件(5)夹在中间并使压电元件(5)和基底电极(6)与拾音探头(1)绝缘，压电元件(5)和基底电极(6)用导电胶粘结，压电元件(5)通过绝缘胶(2)粘接在拾音探头的内部直接用于测量拾音探头(1)拾取的转动设备内部的声音信号变化并转化输出为电信号，基底电极(6)上固定有电极引线(8)与压电元件(5)通过导电胶粘接，电极引线(8)把压电元件(5)产生的电信号传输到导线固定板(9)上，其一端焊接或粘接在基底电极(6)上，另一端固定在导线固定板(9)上；传感器输出线(4)的一端连在导线固定板(9)上把压电元件(5)产生的电信号输出，按用途压电声敏传感器的外形可制成圆柱体、圆锥体、立方体或圆锥体和圆柱体的组合体，可以做成移动便携式或固定安装使用的传感器；
所述拾音探头(1)，其拾取声音信号与转动设备接触的部位到压电元件(5)响应到信号声波所传输的直线距离为声匹配层的厚度，声匹配层的厚度为待测声音信号声波波长的1/4；拾音探头(1)的外部形状可为球面、锥面或平面结构，内部为空腔结构；
所述绝缘座(3)和绝缘座压板(7)，和绝缘座压板(7)过盈配合的绝缘座(3)带有一个夹持固定压电元件(5)和基底电极(6)的凹槽(301)、两个用于引出电极引线(8)的圆弧形槽(302)和(303)，它紧密卡在拾音探头(1)的空腔结构内；绝缘座压板(7)是一个圆柱体。
2、根据权利要求1所述的压电声敏传感器，其特征在于，所述压电元件(5)为采用压电材料聚偏二氟乙烯PVDF制成的压电薄膜，其表面镀有金属层为压电元件(5)的电极；PVDF压电薄膜的厚度为90～250μm。
3、根据权利要求1所述的压电声敏传感器，其特征在于，所述基底电极(6)是表面平整的金属片，其形状为圆环形；基底电极(6)和压电元件(5)同心粘结在一起被夹持在绝缘座(3)和绝缘座压板(7)之间的凹槽(301)内。
4、根据权利要求1所述的压电声敏传感器，其特征在于，所述电极引线(8)用外表面带有绝缘材料的金属线制成。
5、根据权利要求1所述的压电声敏传感器，其特征在于，所述导线固定板(9)用绝缘材料制成。
6、根据权利要求1所述的压电声敏传感器，其特征在于，传感器输出线(4)为双绞屏蔽线。
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