CN202433403U - 一种物性型弯曲压电加速度传感器机架及其传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种物性型弯曲压电加速度传感器机架及其传感器，该机架包括上壳体以及与上壳体固定连接的下壳体；下壳体内对称设置有两个用于存放电加速度传感器机芯的存放腔。本实用新型提供了一种灵敏度高、线性工作频带宽、抗冲击载荷能力强、对声干扰抑制能力强、信噪比高以及对压电片进行有效保护的物性型弯曲压电加速度传感器机架及其传感器。

Description

一种物性型弯曲压电加速度传感器机架及其传感器

技术领域

本实用新型属地震勘探技术领域，涉及一种地震勘探用传感器，属于有源传感器，尤其涉及一种物性型弯曲压电加速度传感器机架及其传感器。 

背景技术

压电加速度传感器的性能差异主要取决于压电陶瓷片的灵敏度，线性工作频带信噪比和抗载荷能力，而保证压电陶瓷片上述性能的关键环节是：对压电陶瓷片的夹持方式、安装放置方式及压电对声响应的抑制方式。 

目前，压电陶瓷的受力和惯性体的夹持方式主要有挤压式、弯曲式和剪切式。 

以上三种方式主要存在的不足： 

1、挤压式：西安石油大学研制的YD2000型压电加速度传感器，其机-电转换方式是通过挤压晶片来实现的，虽然传感器的抗载荷能力强，但压电晶片的变形量很小，其灵敏度很低，信噪比低。 

2、弯曲式：中国专利ZL200820030163.4公开了一种弯曲形压电加速度传感器，但由于压电陶瓷片的夹持方式和安装方式的缘故，使得压电陶瓷片对外部的声干扰抑制较差，同时没有较好的抑制外部声干扰措施，致使传感器的信噪比很低，线性工作频带变窄。 

3、剪切式：这类传感器靠一对力偶作用于晶片上，使晶片产生较大的输出，其灵敏度比较高，但其抗冲击载荷能力很差，工业现场很少批量使用。 

以上所述的三类传感都没有解决系统对声干扰的闭环抑制，因此抑制音频干扰能力差，使得传感器信噪比降低，有效线性带宽变窄，同时对强冲击的保护措施不够也使得压电片容易损坏。 

实用新型内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本实用新型提供了一种灵敏度高、线性工作频带宽、抗冲击载荷能力强、对声干扰抑制能力强、信噪比高以 及对压电片进行有效保护的物性型弯曲压电加速度传感器机架及其传感器。 

本实用新型的技术解决方案是：本实用新型提供了一种物性型弯曲压电加速度传感器机架，其特殊之处在于：所述物性型弯曲压电加速度传感器机架包括上壳体以及与上壳体固定连接的下壳体；所述下壳体内对称设置有两个用于存放电加速度传感器机芯的存放腔。 

上述下壳体包括下壳体壳以及设置在下壳体壳内部的下壳体架；所述存放腔设置在下壳体架内部。 

上述存放腔包括设置在与电加速度传感器机芯接触面上的隔音垫。 

上述物性型弯曲压电加速度传感器机架还包括设置在上壳体和下壳体之间的密封圈。 

上述物性型弯曲压电加速度传感器机架还包括与上壳体固定连接的防水帽。 

上述上壳体和下壳体均是由隔声材料制成的。 

一种物性型弯曲压电加速度传感器，其特殊之处在于：所述物性型弯曲压电加速度传感器包括如上所述的物性型弯曲压电加速度传感器的机架以及设置在机架内部的机芯；所述机芯左右对称设置在机架的存放腔中。 

上述机芯包括机芯架以及设置在机芯架内部的弹性振动系统；所述弹性振动系统包括配重体、设置在配重体低部的惯性体以及套接在配重体上的机电转换元件。 

上述配重体包括中心轴、绝缘外套、导电片、绝缘片以及中心紧固螺母；所述绝缘外套包裹在中心轴的外表面；所述导电片套接在中心轴上并与机电转换元件紧密接触；所述中心紧固螺母通过绝缘片固定导电片和机电转换元件并与中心轴的上端部固定连接；所述机电转换元件是压电陶瓷片或压电晶体片；所述机电转换元件是压电陶瓷片时，所述机电转换元件是由两个压电陶瓷片与一个铜基片粘贴而成或由1/2个压电陶瓷片和一个铜基片粘贴而成；所述惯性体是机芯磁铁，所述机芯磁铁设置在中心轴底部；所述惯性体上镶有机芯磁铁时，所述下壳体架上设置有与机芯磁铁位置相对并与机芯磁铁的磁场相反的下壳体架磁铁。 

上述机芯还包括设置在机芯架内表面的绝缘内衬；所述机电转换元件是一片或多片；所述机电转换元件是多片时，所述物性型弯曲压电加速度传感器机芯还包括压紧螺环以及用于隔离机电转换元件铜基片的绝缘间隔垫；所述绝缘间隔垫外径附着在机芯架内壁上；所述压紧螺环直接作用于绝缘间隔垫上并与机芯架固定连接。 

本实用新型的优点： 

本实用新型提供的物性型弯曲压电加速度传感器，解决了背景技术中灵敏度低，线性工作频带窄，抗冲击载荷能力差，对声干扰抑制能力差，造成信噪比低和受强冲击载荷时压电片易损坏的技术问题，具体而言，本实用新型具有以下优点： 

1、灵敏度高：本实用新型由于采用弯曲变形方式，压电片变形量大，提高了传感器的灵敏度，同时这种结构可使压电片多片组合，又可起到提高传感器灵敏度的效果。 

2、线性工作频带宽：由于传感器中连接所用的金属材料居多，所用的非金属材料硬度高、变形量小，因此系统刚性好。谐振频率高，使得线性工作频带变宽。 

3、信噪比高：由于压电片是一个对声音很敏感的器件，而用于地震勘探方面的压电加速度传感器不需要接收任何声音，任何方向来的声音对其都是干扰信号，因而能很好的抑制声音干扰，就成为改善传感器信噪比的一个重要环节，这种传感器放入上下壳体都是选用了隔音效果很好的材料，并且使之成为一种封闭结构，对声音干扰形成了一种闭环抑制，从而达到了抑噪提高信噪比的效果。 

4、本实用新型抗冲击能力强。本实用新型所采用的机芯自成独立单元，较大的提高了传感器的动态范围和系统的稳定度，采用闭环的隔声结构，极大地抑制了压电对声干扰的响应，使得传感器的有效工作频带变宽，信号的品质得到提高。 

附图说明

图1是本实用新型所采用的机芯的结构示意图； 

图2是本实用新型所采用的机架的结构示意图； 

图3是本实用新型在机架上设置的防水帽的结构示意图； 

其中： 

1-压紧螺环；2-间隔垫；3-绝缘内衬；4-机芯架；5-压电陶瓷片；6-机芯磁铁；7-中心轴；8-导电片；9-导电片；10-绝缘片；11-中心紧固螺母；12-绝缘外套；13-上壳体；14-密封圈；15-镶嵌螺母；16-下壳体壳；17-下壳体架；18-隔音垫；19-下壳体架磁铁；20-镶嵌螺母；21-存放腔；22-压紧螺板；23-防水帽。 

具体实施方式

参见图2，本实用新型首先提供了一种物性型弯曲压电加速度传感器机架，该机架包括用于存放两只一致性很好的独立机芯的存放腔21，这两个存放腔21对称设置在机架内部。这两只一致性很好的独立机芯采用螺纹连接的方式与下壳体架17固为一体，为防止螺纹松动，又在机芯的上部加一防松动压紧螺板22，从而保证了夹持方式上的可靠性，由于两只一致性很好的独立机芯对称放于下壳体架17的左右室，机芯一致性很好和对称放置，使得机电转换品质得到了大大提高，从而使得传感器的信噪比得到较大提高，传感器的上壳体13和下壳体采用了隔声材料，这种封闭的隔声方式，极大的抑制了压电对声干扰的响应，也使得传感器的信噪比得以提高，信噪比的提高又使得机芯的灵敏度提高，线性工作频带变宽，机芯下部的机芯磁铁6与下壳体架17上的下壳体架磁铁19构成一对反磁场，起到了对机芯限位作用，从而防止机芯过冲时压电片被损坏。 

本实用新型还提供了一种物性型弯曲压电加速度传感器，包括图2所示的机架以及图1所示设置在机架内部的机芯。包括两只一致性很好的独立机芯，机芯主要包括压紧螺环1、间隔垫2、绝缘内衬3、机芯架4、压电陶瓷片5、机芯磁铁6、中心轴7、导电片8、导电片9、绝缘片10、中心紧固螺母11、绝缘外套12，相互间位置关系如图1所示：中心轴7、导电片8、9、中心紧固螺母11都成为配重体，压电陶瓷片5可以是一片或多片组合，同时，机芯架4镶有绝缘内衬3，中心轴7与绝缘外套12固为一体，一个左右对称性很好的下壳体架17，在机芯的下端与下壳体架17上装有一对反极性磁铁（机芯磁铁6以及下壳体架磁铁19）。机电转换元件主要指压电陶瓷片5，也可以是压电晶体片。下壳体架17为金属材料， 外表面包有隔声工程材料的下壳体16，并在下壳体底部镶有金属螺母20，下壳体架17上的螺纹底孔粘贴隔声材料18，机芯通过螺纹与下壳体架17连接成为一体，并在机芯的顶部加有防松动压紧螺板22。 

上壳体13是工程塑料制成，其上有一定数量的连接孔，还有一个可放置O型密封圈14的槽。间隔垫2为绝缘材料，导电片8、9为铜材。机芯架4为铝材，并在其内孔中镶有绝缘内衬3，中心轴7为铜材，并在其外径包有高硬度的绝缘外套12，中心紧固螺母11为铜材。 

压电传感器的机电转换器件是压电陶瓷制成的，通过压电片的微小变形完成了信号采集，而这种微小形变恰恰是物性型传感器的一大优势，这种物性型弯曲压电传感器具有线性工作频带宽，灵敏度高，动态范围大的特点，这些特点都是获取大信息量的必要条件，而评价任何一种传感器品质的一个重要参数就是信噪比，一种具有信高信噪比的传感器，一定是一种优质的传感器，而用于工业化地震勘探的传感器，同时对传感器抗冲击能力也有较高要求。 

本实用新型的传感器机电转换过程由压电片完成，压电片可由两个压电陶瓷片与一个铜基片粘贴而成，也可以由1/2个压电陶瓷片和一个铜基片粘贴而成，机芯架4、绝缘内衬为3一体，压电片的基片上下之间有绝缘间隔垫2，压紧螺环1，通过压紧螺环1与机芯架4螺纹连接，实现对铜基片的夹持作用。 

压电中心孔穿入中心轴7，压电片之间有导电片8，9，其中导电片9、中心紧固螺母11之间是绝缘垫10，通过中心紧固螺母11与中心轴7螺纹连接实现对压电片中心夹持作用。 

惯性体由中心轴7、磁铁6、导电片8，9、绝缘垫片10，中心紧固螺母11连接而成，本实用新型是组成这种压电传感器的基本机芯单元，当需要不同的灵敏度时，可通过增加或减少压电片的数量实现，机芯完成后，可装入下壳体架16内，压紧螺板22实现机芯和下壳体架17的锁紧作用，起到了增强抗冲击的能力，下壳体架17外表面注有隔音效果较好的型料下壳体壳16，上壳体13由隔音效果较好的塑料制成，上壳体、下壳体壳16之间通过多个螺丝连接，并在两者的结合面上安装密封圈14，这样使得传感器机芯处于一种全封闭隔音状态，达到抑制声音效果，提高信噪比作用，下壳体架内装有磁铁19，可与机芯下部磁 铁6构成一对反磁场结构，当机芯的惯性体上磁铁6发生位移时，磁铁19将会限制磁铁6的位移度，从而起到了保护压电片由于变形过大损坏的效果。 

参见图3，本实用新型在上壳体上还设置有防水帽23，该防水帽23与上壳体13通过螺纹连接，并装有密封圈，实现了传感器封闭防水作用。 

本实用新型涉及一种物性型弯曲压电加速度传感器，其系统主要包括两只一致性很好的机芯，一套上下壳体，上壳体为隔声效果较好的绝缘材料制成，下壳体由下壳体壳和下壳体架构成，且下壳体架上有两个左右对称性很好的螺纹连接孔，用于与两个机芯固定连接，上面所述的机芯具有独立完成机电装换的性能，且非常紧凑合理，下壳体的壳为隔声效果较好的绝缘材料制成，下壳体架由刚性很好的金属材料制作，两者通过注塑牢牢成为一体，上下壳体通过镶嵌螺母牢牢压紧密封圈，起到防水和固连作用，上壳体的防水帽为引出线防水起到作用，同时下壳体架上镶有一块与机芯上相反磁极的磁块，起到防止机芯过冲时损坏压电陶瓷片的效果，整个壳体构成一个隔声的闭环结构。解决了背景技术低，系统组合后夹持受力不均，机芯位置引起的对称性不好，系统抑噪差的技术问题。 

Claims (10)

1.一种物性型弯曲压电加速度传感器机架，其特征在于：所述物性型弯曲压电加速度传感器机架包括上壳体以及与上壳体固定连接的下壳体；所述下壳体内对称设置有两个用于存放电加速度传感器机芯的存放腔。

2.根据权利要求1所述的物性型弯曲压电加速度传感器机架，其特征在于：所述下壳体包括下壳体壳以及设置在下壳体壳内部的下壳体架；所述存放腔设置在下壳体架内部。

3.根据权利要求2所述的物性型弯曲压电加速度传感器机架，其特征在于：所述存放腔包括设置在与电加速度传感器机芯接触面上的隔音垫。

4.根据权利要求1或2或3所述的物性型弯曲压电加速度传感器机架，其特征在于：所述物性型弯曲压电加速度传感器机架还包括设置在上壳体和下壳体之间的密封圈。

5.根据权利要求4所述的物性型弯曲压电加速度传感器机架，其特征在于：所述物性型弯曲压电加速度传感器机架还包括与上壳体固定连接的防水帽。

6.根据权利要求5所述的物性型弯曲压电加速度传感器机架，其特征在于：所述上壳体和下壳体均是由隔声材料制成的。

7.一种物性型弯曲压电加速度传感器，其特征在于：所述物性型弯曲压电加速度传感器包括权利要求1-6任一权利要求所述的物性型弯曲压电加速度传感器的机架以及设置在机架内部的机芯；所述机芯左右对称设置在机架的存放腔中。

8.根据权利要求7所述的物性型弯曲压电加速度传感器，其特征在于：所述机芯包括机芯架以及设置在机芯架内部的弹性振动系统；所述弹性振动系统包括配重体、设置在配重体低部的惯性体以及套接在配重体上的机电转换元件。

9.根据权利要求8所述的物性型弯曲压电加速度传感器，其特征在于：所述配重体包括中心轴、绝缘外套、导电片、绝缘片以及中心紧固螺母；所述绝缘外套包裹在中心轴的外表面；所述导电片套接在中心轴上并与机电转换元件紧密接触；所述中心紧固螺母通过绝缘片固定导电片和机电转换元件并与中心轴的上端部固定连接；所述机电转换元件是压电陶瓷片或压电晶体片；所述机电转换元件是压电陶瓷片时，所述机电转换元件是由两个压电陶瓷片与一个铜基片粘贴而成或由1/2个压电陶瓷片和一个铜基片粘贴而成；所述惯性体是机芯磁铁，所述机芯磁铁设置在中心轴底部；所述惯性体上镶有机芯磁铁时，所述下壳体架上设置有与机芯磁铁位置相对并与机芯磁铁的磁场相反的下壳体架磁铁。

10.根据权利要求9所述的物性型弯曲压电加速度传感器，其特征在于：所述机芯还包括设置在机芯架内表面的绝缘内衬；所述机电转换元件是一片或多片；所述机电转换元件是多片时，所述物性型弯曲压电加速度传感器机芯还包括压紧螺环以及用于隔离机电转换元件铜基片的绝缘间隔垫；所述绝缘间隔垫外径附着在机芯架内壁上；所述压紧螺环直接作用于绝缘间隔垫上并与机芯架固定连接。

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