CN205193018U - 压电振动传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种压电振动传感器，包括传感器壳体、激振动力源、激振器腔体、激振钢锤、振动传感腔体、PVDF压电传感器薄膜和控制电路，所述激振器腔体和振动传感腔体均设置在传感器壳体内，所述激振动力源和激振钢锤设置在激振器腔体内，所述激振钢锤与激振动力源连接，所述控制电路设置在振动传感腔体的顶部，所述PVDF压电传感器薄膜设置在振动传感腔体的底部，所述激振动力源与控制电路电连接，所述PVDF压电传感器薄膜与控制电路电连接。实现准确、实时获取被检测部件的磨损、断裂等结构失效信息的优点。<b />

Description

压电振动传感器

技术领域

本实用新型涉及传感技术领域，具体地，涉及一种压电振动传感器。

背景技术

大多数振动传感器都是被动式接受外界振动信号，对于桥梁、铁路、铁塔、支架等长期服役的固定设施，需要自我反馈的系统来自检缺陷，因此振动传感器需要包含振动源（激振器）、振动传感探头和控制电路系统三个部分。

激振器是一个产生振动的信号源，主要有以下几种。

（1）惯性式激振器：利用偏心质量块回转产生所需的激励力。激振器与被激物体刚性连接，激振器回转振动带动被激件振动。

（2）电动式激振器：电动式激振器分动线圈和定线圈，将交变电流通入动线圈，使线圈在通恒流的定线圈产生的磁场中受电磁激励力的作用而产生振动。通过改变动线圈中的交变电流频率参数可以获得不同特征的振动源。

（3）电磁式激振器：电磁式激振器由带有线圈的电磁铁铁芯和衔铁组成，将周期变化的电流输入电磁铁线圈，在被激件与电磁铁之间便产生周期变化的激励力。振动机械中应用的电磁式激振器通常由带有线圈的电磁铁铁芯和衔铁组成，在铁芯与衔铁之间装有弹簧。当向线圈输入交流电，或交流电加直流电，或半波整流后的脉动电流时，便可产生周期变化的激励力，这种激振器通常是将衔铁直接固定于需要振动的工作部件上。

物体的机械振动信号的拾取通常以机械能－电能的转化来实现便捷测量，这一类能量转换器称为振动传感器。常见的振动传感器的形式有以下几种。

（1）电涡流式，采用涡流效应为工作原理的振动式传感器，它属于非接触式传感器。

（2）电感式，依据电磁感应原理设计的一种振动传感器。电感式振动传感器设置有磁铁和导磁体将机械振动参数转化为电参量信号，可应用于振动速度、加速度等参数的测量。

（3）电容式，通过间隙或公共面积的改变来获得可变电容，再对电容量进行测定而后得到机械振动参数的。

（4）压电式，利用晶体的压电效应来完成振动测量的，当被测物体的振动对压电式振动传感器形成压力后，晶体元件就会产生相应的电荷，电荷数即可换算为振动参数。

（5）电阻应变式振动，以电阻变化量来表达被测物体机械振动量的一种振动传感器。

现有技术中激振器和振动传感器均为分开的，在桥梁、铁路、铁塔、支架等长期服役的固定设施中不能准确，及时的获取被检测部件的结构失效信息。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，针对上述问题，提出一种压电振动传感器，以实现准确、实时获取被检测部件的磨损、断裂等结构失效信息的优点。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种压电振动传感器，包括传感器壳体、激振动力源、激振器腔体、激振钢锤、振动传感腔体、PVDF压电传感器薄膜和控制电路，所述激振器腔体和振动传感腔体均设置在传感器壳体内，所述激振动力源和激振钢锤设置在激振器腔体内，所述激振钢锤与激振动力源连接，所述控制电路设置在振动传感腔体的顶部，所述PVDF压电传感器薄膜设置在振动传感腔体的底部，所述激振动力源与控制电路电连接，所述PVDF压电传感器薄膜与控制电路电连接。

优化的，所述激振动力源为微型激振马达或电磁铁。

优化的，所述PVDF压电传感器薄膜，采用聚偏氟乙烯PVDF高分子压电薄膜材料制作，PVDF压电传感器薄膜上下表面采用导体材料做电极。

优化的，所述导体材料为银、铜或金。

优化的，所述传感器壳体采用钢质、铝合金材质或塑胶材质制成。

优化的，所述塑胶材质包括，ABS、PP、PC或PE。

优化的，所述PVDF压电传感器薄膜通过UV胶固定在传感腔体的底部矩形框上。

优化的，微型激振马达采用防松脱紧固螺栓固定在激振器腔体中。

本实用新型的技术方案具有以下有益效果：

本实用新型的技术方案，将激振器和振动传感器设计为一体结构，通过振动传感器内部激振器使被检测部件产生振动，振动传感探头拾取被检测部件的振动信号，通过对拾取信号的分析获取被检测部件的磨损、断裂等结构失效信息。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本实用新型实施例所述的压电振动传感器的结构示意图。

结合附图，本实用新型实施例中附图标记如下：

100-传感器壳体；101-激振器腔体；102-微型激振马达；103-激振钢锤；201-振动传感腔体；202- PVDF压电传感器薄膜；203-控制电路；204-输出接口。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示，一种压电振动传感器，包括传感器壳体100、激振动力源、激振器腔体101、激振钢锤103、振动传感腔体201、PVDF压电传感器薄膜202和控制电路203，激振器腔体101和振动传感腔体201均设置在传感器壳体100内，激振动力源和激振钢锤103设置在激振器腔体101内，激振钢锤103与激振动力源连接，控制电路203设置在振动传感腔体201的顶部， PVDF压电传感器薄膜202设置在振动传感腔体201的底部，激振动力源与控制电路203电连接， PVDF压电传感器薄膜202与控制电路203电连接。在图1中激振动力源为微型激振马达102。激振动力源也可以采用电磁铁替换微型激振马达。

本技术方案中的压电振动传感器，采用激振器、振动传感探头和控制系统构成的闭环系统检测结构件由于磨损、断裂等导致的失效。激振器对被检测结构件激励产生机械振动，振动传感探头拾取结构件的振动反馈信号，经过控制系统数据处理传输至上位机分析获得被检测结构件失效状态结果。

激振动力源、激振器腔体和激振钢锤组成激振器，振动传感腔体和PVDF压电传感器薄膜组成振动传感探头，控制系统包括控制电路和输出接口。

振动传感器的小型化需要设计微型激振器，激振器的振动信号传递给被激励物体（监测部件），有振动传感探头的振动信号拾取部分监测。因此，本实用新型采用单点敲击式激振器，瞬间敲击被检测结构件获得激发振动，敲击的能量依据结构件的质量确定：

P焦耳（j）＝å×W千克（kg），式中 å为质量系数，本技术方案为1/50；P为激励的能量，单位为焦耳（j）；W为结构件质量，单位为千克（kg）。

单点敲击式激振器采用微型激振马达（或电磁铁）驱动敲击激振钢锤，钢锤着力点直接作用于结构件表面，作用时间小于0.1S。

激振器采用长效电池供电或者适配器有源供电。

被检测结构件的反馈振动信号采用PVDF压电传感器薄膜制成的平面振动探头拾取，振动探头贴合在被检测结构件表面，获得结构件的振动信号，通过信号的动态频域分析、时域分析检测结构件的失效情况。

本技术方案的激振器可以根据被检测结构件的尺寸和质量选择不同功率的马达（电磁铁）。激振钢锤可选用高强度钢或高强塑料等材料。通过马达或电磁铁驱动激振钢锤激励被检测结构件。敲击作用时间由控制电路控制，并依据不同的检测类型的物体调整敲击作用时间。激振器的马达和激振钢锤放置在激振器腔体内，并使激振钢锤动作过程中保证与传感器壳体没有相互干涉。

本技术方案的PVDF压电传感器薄膜采用聚偏氟乙烯PVDF高分子压电薄膜材料制作，PVDF薄膜上下表面采用银、铜或金等导体材料做电极。

本技术方案的控制电路包含激振器的马达（电磁铁）的控制电路，可对马达（电磁铁）的动作速率、作用时间和敲击次数进行控制；并控制PVDF压电传感器薄膜的振动信号测量。

输出接口设计在焊盘上，通过外部信号导线实现振动信号的输出。

传感器壳体采用钢质、铝合金材质或ABS、PP、PC、PE等塑胶材质制成，PVDF压电传感器薄膜通过UV胶固定在传感腔体的底部矩形框上。微型激振马达采用防松脱紧固螺栓固定在激振器腔体中。

压电振动传感器的装配流程为：

加工传感器壳体、激振钢锤、PVDF压电传感器薄膜、控制电路的PCB、信号接口；

将激振钢锤固定在马达（电磁铁）的活动端（旋转轴或动头），并将马达用紧固件固定在传感器激振器腔体中；

控制电路PCB加工完毕固定在传感器的传感器腔体中，完成控制电路与激振器的引线和控制电路与、PVDF压电传感器薄膜的引线；

将、PVDF压电传感器薄膜用UV粘结剂固化在传感器腔体上；

规整传感线圈的抽头引线，并将引线锡焊至输出接口的焊盘上；

检测信号输出。

桥梁、铁塔、设备支架依照其设计都有本征振动规律，一旦结构发生破坏性损伤必然导致本征振动的变化，比如共振频率偏移或振幅极速衰减等。分析其频谱可以快速判断结构件等状态是否正常。以40米高的钢架通讯铁塔为例，每个安装脚座由于安装的角铁钢梁排布和紧固件螺栓的松紧程度的差异，在脚座位置激发的振动会有各自的特征信号，因此在安装初始阶段，每个脚座安装相应的压电振动传感器可获得每个脚座的初始信息。定期触发测量，动态获取铁塔的振动特征信号，评价铁塔的螺栓松脱、应力松弛、地基损伤等灾害性故障。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种压电振动传感器，其特征在于，包括传感器壳体、激振动力源、激振器腔体、激振钢锤、振动传感腔体、PVDF压电传感器薄膜和控制电路，所述激振器腔体和振动传感腔体均设置在传感器壳体内，所述激振动力源和激振钢锤设置在激振器腔体内，所述激振钢锤与激振动力源连接，所述控制电路设置在振动传感腔体的顶部，所述PVDF压电传感器薄膜设置在振动传感腔体的底部，所述激振动力源与控制电路电连接，所述PVDF压电传感器薄膜与控制电路电连接。

2.根据权利要求1所述的压电振动传感器，其特征在于，所述激振动力源为微型激振马达或电磁铁。

3.根据权利要求2所述的压电振动传感器，其特征在于，所述PVDF压电传感器薄膜，采用聚偏氟乙烯PVDF高分子压电薄膜材料制作，PVDF压电传感器薄膜上下表面采用导体材料做电极。

4.根据权利要求3所述的压电振动传感器，其特征在于，所述导体材料为银、铜或金。

5.根据权利要求2所述的压电振动传感器，其特征在于，所述传感器壳体采用钢质、铝合金材质或塑胶材质制成。

6.根据权利要求5所述的压电振动传感器，其特征在于，所述塑胶材质包括，ABS、PP、PC或PE。

7.根据权利要求2所述的压电振动传感器，其特征在于，所述PVDF压电传感器薄膜通过UV胶固定在传感腔体的底部矩形框上。

8.根据权利要求2所述的压电振动传感器，其特征在于，微型激振马达采用防松脱紧固螺栓固定在激振器腔体中。