CN206906417U - 三轴压电式传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种三轴压电式传感器，其特征在于，包括：外壳、设置于外壳内的三个电荷输出元件以及与三个电荷输出元件电气连接的连接器；三个电荷输出元件分别用于检测X轴、Y轴以及Z轴方向上的振动，X轴、Y轴以及Z轴两两相互垂直；其中，电荷输出元件，包括：支架，包括连接部件；压电元件，为环形结构体，压电元件套接设置在连接部件上，压电元件上设置有第一形变槽，第一形变槽贯通压电元件的侧壁，以使压电元件在环向上断开；质量块，为环形结构体，质量块套接设置在压电元件上；其中，压电元件与连接部件及压电元件与质量块过盈配合。本实用新型的三轴压电式传感器具备良好的频响特性。
Description
技术领域
本实用新型涉及传感器技术领域，特别是涉及一种三轴压电式传感器。
背景技术
压电加速度传感器又称压电加速度计，也属于惯性式传感器。压电加速度传感器的原理是利用压电元件的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。
压电加速度传感器内设置有电荷输出元件，现有技术中，电荷输出元件的各部件间采用连接层连接，通过连接层连接的方式虽然能够使得电荷输出元件的各部件装配结合，但是采用连接层连接对于连接层的品质及装配操作要求极高，若连接层内含有杂质或者装配时操作操作不当，则会导致电荷输出元件各部件间连接强度不足，使得电荷输出元件的刚性不足，进而使得压电加速度传感器的频响特性及谐振过低。
实用新型内容
本实用新型实施例提供一种三轴压电式传感器，具有良好的频响特性及谐振性能，也大大减小了在高温环境下使用时应力波动的问题，高温特性好，能够保证检测结果的准确性。
一方面，根据本实用新型实施例提出了一种三轴压电式传感器，其包括：外壳、设置于外壳内的三个电荷输出元件以及与三个电荷输出元件电气连接的连接器；三个电荷输出元件分别用于检测X轴、Y轴以及Z轴方向上的振动，X轴、Y轴以及Z轴两两相互垂直；其中，电荷输出元件，包括：支架，包括连接部件；压电元件，为环形结构体，压电元件套接设 置在连接部件上，压电元件上设置有第一形变槽，第一形变槽贯通压电元件的侧壁，以使压电元件在环向上断开；质量块，为环形结构体，质量块套接设置在压电元件上；其中，压电元件与连接部件及压电元件与质量块过盈配合。
根据本实用新型实施例的一个方面，质量块上设置有贯通质量块的侧壁的第二形变槽，以使质量块在环向上断开，电荷输出元件还包括套接设置在质量块上的预紧环，预紧环与质量块过盈配合。
根据本实用新型实施例的一个方面，第一形变槽为条形槽且沿着压电元件的轴线方向延伸，第二形变槽为条形槽且沿着质量块的轴线方向延伸，且第一形变槽与第二形变槽的宽度均不大于0.2mm，宽度为第一形变槽或第二形变槽处、切割形成的两个相对的切面之间的距离。
根据本实用新型实施例的一个方面，预紧环、质量块、压电元件及连接部件的线膨胀系数依次减小。
根据本实用新型实施例的一个方面，压电元件由压电陶瓷或石英晶体构成，压电元件包括相对的内环面及外环面，内环面及外环面上设置有导电层，压电元件的内环面套接在连接部件上，质量块套接在压电元件的外环面上。
根据本实用新型实施例的一个方面，支架还包括支撑部件，连接部件具有柱状结构，支撑部件为围绕连接部件设置的盘类结构且位于连接部件的一端。
根据本实用新型实施例的一个方面，三轴压电式传感器还包括电路板和屏蔽罩，电路板固定在质量块上，压电元件及连接器均与电路板电气连接，屏蔽罩扣接在支架上，压电元件、质量块及电路板均位于屏蔽罩内。
根据本实用新型实施例的一个方面，外壳设置有容纳部，三轴压电式传感器还包括设置于容纳部内的支承座，支承座包括与外壳相连接的底盘以及与底盘相连接的凸柱，三个电荷输出元件中的一个电荷输出元件设置于底盘，另两个电荷输出元件设置于凸柱。
根据本实用新型实施例的一个方面，三轴压电式传感器还包括用于闭合或打开容纳部的开口的盖体，盖体上设置有安装孔，凸柱的顶部插入安 装孔且与安装孔的孔壁相连接。
根据本实用新型实施例的一个方面，凸柱设置有与安装孔同轴设置的第一通孔，外壳上设置有与第一通孔对准设置的第二通孔。
根据本实用新型实施例提供的三轴压电式传感器，其包括的电荷输出元件包括支架、压电元件以及质量块。由于压电元件与支架的连接部件及压电元件与质量块之间直接接触且过盈配合，不需要设置中间连接层，因此提高了电荷输出元件的整体刚度，改善了电荷输出元件的频响特性，也大大减小了在高温环境下使用时应力波动的问题，高温特性好。这样，具有该电荷输出元件的三轴压电式传感器的具有良好的频响特性及谐振性能，能够保证检测结果的准确性。
附图说明
下面将参考附图来描述本实用新型示例性实施例的特征、优点和技术效果。
图1是本实用新型一实施例的三轴压电式传感器的分解结构示意图。
图2是本实用新型另一实施例的三轴压电式传感器的分解结构示意图。
图3是本实用新型一实施例的电荷输出元件的结构示意图。
图4是本实用新型一实施例的电荷输出元件的分解结构示意图。
图5是本实用新型另一实施例的电荷输出元件的分解结构示意图。
图6是本实用新型一实施例的电荷输出元件、电路板以及屏蔽罩的连接剖视结构示意图。
在附图中，附图并未按照实际的比例绘制。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本实用新型的原理，但不能用来限制本实用新型的范围，即本实用新型不限于所描述的实施例。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的 含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
为了更好地理解本实用新型，下面结合图1至图6根据本实用新型实施例的三轴压电式传感器进行详细描述。
本实用新型实施例的三轴压电式传感器用于检测待测结构件的振动情况，且能够采集待测机构件在空间三维坐标系下的振动情况。三轴压电式传感器能够采集待测结构件的振动数据，并进一步地将振动数据转换成电信号，然后将该电信号发送到其它设备进行后续分析处理。
如图1、图2所示，本实用新型实施例的三轴压电式传感器，包括外壳1、设置于外壳1内的三个电荷输出元件2以及与三个电荷输出元件2电气连接的连接器3。外壳1用于为电荷输出元件2和连接器3提供安装基础。外壳1能够将电荷输出元件2封装在其内部，从而对电荷输出元件2形成保护。三个电荷输出元件2分别用于检测X轴、Y轴以及Z轴方向上的振动。X轴、Y轴以及Z轴两两相互垂直。如图3所示，本实施例的电荷输出元件2包括支架21、压电元件22以及质量块23。本实施例的支架21包括连接部件21a。压电元件22为环形结构体。压电元件22套接设置在连接部件21a上。压电元件22上设置有第一形变槽22a。第一形变槽22a贯通压电元件22的侧壁，以使压电元件22在环向上断开。质量块23为环形结构体。质量块23套接设置在压电元件22上。压电元件22与连接部件21a及压电元件22与质量块23之间过盈配合，提高了电荷输出元件2的整体刚度，改善了电荷输出元件2的频响特性。电荷输出元件2通过 连接器3与外部设备电气连接，从而能够将自身的输出信号发送到外部设备。
本实用新型实施例提供的三轴压电式传感器，其包括的电荷输出元件2包括支架21、压电元件22以及质量块23。由于压电元件22与连接部件21a及压电元件22与质量块23之间直接接触且过盈配合，不需要设置中间连接层，因此提高了电荷输出元件2的整体刚度，改善了电荷输出元件2的频响特性，也大大减小了在高温环境下使用时应力波动的问题，高温特性好。这样，具有该电荷输出元件2的三轴压电式传感器的具有良好的频响特性及谐振性能，能够保证检测结果的准确性。
如图2所示，本实用新型实施例的外壳1设置有容纳部11。容纳部11具有开口。三轴压电式传感器还包括设置于容纳部11内的支承座4。支承座4包括底盘41以及与底盘41相连接的凸柱42。底盘41与外壳1上用于形成容纳部11的底部的部分相连接。凸柱42朝向开口延伸。三个电荷输出元件2中的一个电荷输出元件2设置于底盘41上，另两个电荷输出元件2设置于凸柱42上。电荷输出元件2通过支架21安装固定在凸柱42上。
在一个实施例中，三个电荷输出元件2中的一个电荷输出元件2设置于底盘41设置有凸柱42的表面上。凸柱42包括与底盘41相连接的正四棱柱段和与正四棱柱段相连接的圆柱段。三个电荷输出元件2中的另两个电荷输出元件2分别设置于正四棱柱的相邻的两个相互垂直的侧壁上，从而保证这两个电荷输出元件2的检测方向彼此垂直。本实施例中，支承座4的底盘41与外壳1形成容纳部11的底部的表面之间通过焊接的方式相连接。本实施例的外壳1采用钛合金材料加工制造。
本实用新型实施例的三轴压电式传感器还包括用于闭合或打开容纳部11的开口的盖体5。盖体5的中心区域设置有安装孔51。当盖体5盖合到开口上时，支承座4的凸柱42的顶部插入安装孔51且与安装孔51的孔壁相连接。本实施例中，在将支承座4以及电荷输出元件2安装固定到外壳1内之后，再将盖体5盖合到开口上，同时，凸柱42的圆柱段对准盖体5上的安装孔51并插入安装孔51内。然后，向容纳部11中充填保护气体， 例如氮气。完成充填工作后，将盖体5的外周表面与外壳1之间以及凸柱42的圆柱段与安装孔51的孔壁之间采用焊接的方式连接固定，从而保证容纳部11处于密封状态，避免氮气逃逸。本实施例的盖体5为板状结构。
本实用新型实施例的凸柱42上设置有与安装孔51同轴设置的第一通孔42a，外壳1上设置有与第一通孔42a对准设置的第二通孔12。当需要将三轴压电式传感器固定到待测结构件的表面上时，使用螺栓穿过第一通孔42a和第二通孔12并连接到待测结构件上，从而螺栓能够将三轴压电式传感器固定在待测结构件上，并保证外壳1的表面与待测结构件的表面之间直接刚性接触。本实施例设置有第一通孔42a和第二通孔12的三轴压电式传感器结构紧凑，安装固定连接方便。
本实用新型实施例的支架21包括连接部件21a及支撑部件21b。连接部件21a为圆柱状结构。支撑部件21b为围绕连接部件21a设置的盘类结构且位于连接部件21a的一端。电荷输出元件2通过支架21的支撑部件21b安装固定在支承座4的凸柱42上。在连接部件21a的外壁面上沿着其周向设置有定位凸起，定位凸起所在高度高于支撑部件21b所在高度，支撑部件21b和定位凸起彼此形成台阶结构。压电元件22为圆环形结构体。压电元件22包括相对的内环面及外环面，且内环面及外环面上设置有导电层，有助于压电元件22电信号的传输。压电元件22的内环面套接在连接部件21a上且压电元件22的下端端面抵靠在定位凸起上，通过定位凸起便于对压电元件22的定位支撑。压电元件22的内环面的直径小于连接部件21a的直径。本实施例中，支架21为铬材质。压电元件22由压电陶瓷构成。导电层可以为镀金层。
如图4所示，压电元件22上设置的第一形变槽22a为条形槽且沿着压电元件22的轴线方向延伸，压电元件22上在第一形变槽22a处形成两个相对的第一槽切面，两个相对的第一槽切面之间的距离L为0.2mm，在保证压电元件22具有更大形变量的基础上，便于加工及装配。质量块23包括相对的内环面及外环面。质量块23的内环面套接在压电元件22的外环面上，且位于支撑部件21b的上方并悬空设置，质量块23的内环面的直 径小于压电元件22的外环面的直径，以使压电元件22与质量块23以及压电元件22与连接部件21a均过盈配合。本实施例中，质量块23为钨合金材质，且为圆环形结构体 。
本实用新型实施例提供的电荷输出元件2，其包括的压电元件22与质量块23及压电元件22与支架21的连接部件21a之间过盈配合，无需连接层连接，即压电元件22、质量块23及支架21之间为刚性接触，连接强度高，能够提升电荷输出元件2的整体刚度，继而提升三轴压电式传感器的频响特性及谐振。同时，在压电元件22上设置有使压电元件22在环向上断开的第一形变槽22a，使得压电元件22具有更大的形变量，便于压电元件22的装配。第一形变槽22a为条形槽且沿着压电元件22的轴线方向延伸，便于加工且能够使得压电元件22产生形变时减小对电荷输出元件2整体性能的影响。
可以理解的是，第一形变槽22a并不限于条形槽，在一些可选的实施例中，第一形变槽22a可以为齿形槽或者不规则形槽。第一形变槽22a并不限于沿着压电元件22的轴线方向延伸，也可以与压电元件22的轴线相交，只要保证第一形变槽22a贯通压电元件22的侧壁，以使压电元件22在环向上断开，使压电元件22具有更大的形变量即可。两个相对的第一槽切面之间的距离并不限于0.2mm，在一些可选的实施例中，还可以小于0.2mm，优选为0.1mm，能够更好的保证电荷输出元件2的性能，同时保证压电元件22的形变量要求。压电元件22并不限于采用压电陶瓷，有一些实施例中，还可以采用压电单晶体，如石英晶体。同时，压电元件22、质量块23并不仅限为圆环形结构体，在一些可选的实施例中，还可以采用多边形环结构体，相应的，连接部件21a可以为多边形柱状结构，只要能够满足电荷输出元件2的使用要求均可。
作为一种可选的实施方式，如图5所示，电荷输出元件2还进一步包括预紧环24。预紧环24采用钛合金材质且为圆环形结构体。预紧环24包括相对的内环面及外环面。本实施例中，在质量块23上进一步设置有第二形变槽23a。第二形变槽23a贯通质量块23的侧壁，以使质量块23在环向上断开。第二形变槽23a为条形槽且沿着质量块23的轴线方向延伸， 质量块23上在第二形变槽23a处形成两个相对的第二槽切面，两个相对的第二槽切面之间的距离H为0.2mm，在保证质量块23具有更大形变量的基础上，便于加工及装配。预紧环24套接在质量块23上，预紧环24的内环面的直径小于质量块23的外环面的直径，以使预紧环24与质量块23过盈配合。
本实施例中，通过设置预紧环24，并在质量块23上相应设置第二形变槽23a，能够给质量块23施加一定的预紧力，便于支架21、压电元件22及质量块23的装配结合，并能够提高支架21、压电元件22及质量块23之间的连接强度，提升电荷输出元件2的整体刚度，继而保证三轴压电式传感器的频响特性。第二形变槽23a为条形槽且沿着质量块23的轴线方向延伸，便于加工且能够使得质量块23产生形变时减小对电荷输出元件2整体性能的影响。
可以理解的是，第二形变槽23a并不限于条形槽，在一些可选的实施例中，第二形变槽23a可以为齿形槽或者不规则形槽。同时第二形变槽23a并不限于沿着质量块23的轴线方向延伸，也可以与质量块23的轴线相交，只要保证第二形变槽23a贯通质量块23的侧壁，以使质量块23在环形上断开，使质量块23具有更大的形变量即可。两个相对的第二槽切面之间的距离并不限于0.2mm，在一些可选的实施例中，还可以小于0.2mm，优选为0.1mm，能够更好的保证电荷输出元件2的性能，同时能够保证质量块23的形变量要求。预紧环24的结构并不仅限为圆环形结构体，相应于质量块23的结构，也可以对应采用多边形环结构体。
由于本实施例的电荷输出元件2的预紧环24、质量块23、压电元件22及支架21的连接部件21a均采用不同的材质，因此具有不同的线膨胀系数，且预紧环24、质量块23、压电元件22及支架21相互之间采用过盈配合，使得相互之间为刚性接触，因此，当电荷输出元件2应用在高温环境时能够减少电荷输出元件2应力的波动，使得电荷输出元件2高温特性好。优选地，预紧环24、质量块23、压电元件22及连接部件21a的线膨胀系数依次减小，从而在保证电荷输出元件2具有更好的高温特性的基础上，能够进一步提高电荷输出元件2的装配效率。
作为一种可选的实施方式，如图6所示，三轴压电式传感器还包括电路板6，电路板6固定在质量块23上，此时，压电元件22及连接器3均与电路板6电气连接，通过设置电路板6，能够将压电元件22受力后产生的微弱的电信号进行处理，使得三轴压电式传感器构成电压输出型三轴压电式传感器，以满足使用要求。同时，在支架21上扣接有屏蔽罩7，屏蔽罩7为一端开口的筒状结构，屏蔽罩7的开口端扣接在支架21上，具体与支架21的支撑部件21b卡接配合。屏蔽罩7能够罩住压电元件22、质量块23及电路板6，以避免外界对电荷输出元件2及电路板6产生信号干扰，保证三轴压电式传感器的检测结果的准确性。
本实施例中，压电元件22的外环面通过质量块23与电路板6的一个接线端子电气连接。压电元件22的内环面通过支架21以及屏蔽罩7与电路板6的另一个接线端子电气连接。上述两个接线端子的极性相反。屏蔽罩7上与开口相对应的顶部上设置有中心孔71，从电路板6的接线端子上引出的导线的一端由该中心孔71穿出并与屏蔽罩7的外表面电气连接。
本实用新型实施例提供的三轴压电式传感器，由于采用了整体刚度较高的电荷输出元件2，能够有效的提升三轴压电式传感器的频响特性及谐振，且高温特性好，能够保证检测结果的准确性。
虽然已经参考优选实施例对本实用新型进行了描述，但在不脱离本实用新型的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本实用新型并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
Claims (10)
1.一种三轴压电式传感器，其特征在于，包括：
外壳、设置于所述外壳内的三个电荷输出元件以及与三个所述电荷输出元件电气连接的连接器；
三个所述电荷输出元件分别用于检测X轴、Y轴以及Z轴方向上的振动，所述X轴、Y轴以及Z轴两两相互垂直；
其中，所述电荷输出元件，包括：
支架，包括连接部件；
压电元件，为环形结构体，所述压电元件套接设置在所述连接部件上，所述压电元件上设置有第一形变槽，所述第一形变槽贯通所述压电元件的侧壁，以使所述压电元件在环向上断开；
质量块，为环形结构体，所述质量块套接设置在所述压电元件上；
其中，所述压电元件与所述连接部件及所述压电元件与所述质量块过盈配合。
2.根据权利要求1所述的三轴压电式传感器，其特征在于，所述质量块上设置有贯通所述质量块的侧壁的第二形变槽，以使所述质量块在环向上断开，所述电荷输出元件还包括套接设置在所述质量块上的预紧环，所述预紧环与所述质量块过盈配合。
3.根据权利要求2所述的三轴压电式传感器，其特征在于，所述第一形变槽为条形槽且沿着所述压电元件的轴线方向延伸，所述第二形变槽为条形槽且沿着所述质量块的轴线方向延伸，且所述第一形变槽与所述第二形变槽的宽度均不大于0.2mm，所述宽度为所述第一形变槽或所述第二形变槽处、切割形成的两个相对的切面之间的距离。
4.根据权利要求2所述的三轴压电式传感器，其特征在于，所述预紧环、质量块、压电元件及连接部件的线膨胀系数依次减小。
5.根据权利要求2至4任意一项所述的三轴压电式传感器，其特征在于，所述压电元件由压电陶瓷或石英晶体构成，所述压电元件包括相对的内环面及外环面，所述内环面及所述外环面上设置有导电层，所述压电元件的内环面套接在所述连接部件上，所述质量块套接在所述压电元件的外环面上。
6.根据权利要求2至4任意一项所述的三轴压电式传感器，其特征在于，所述支架还包括支撑部件，所述连接部件具有柱状结构，所述支撑部件为围绕所述连接部件设置的盘类结构且位于所述连接部件的一端。
7.根据权利要求1所述的三轴压电式传感器，其特征在于，还包括电路板和屏蔽罩，所述电路板固定在所述质量块上，所述压电元件及所述连接器均与所述电路板电气连接，所述屏蔽罩扣接在所述支架上，所述压电元件、质量块及电路板均位于所述屏蔽罩内。
8.根据权利要求1所述的三轴压电式传感器，其特征在于，所述外壳设置有容纳部，所述三轴压电式传感器还包括设置于所述容纳部内的支承座，所述支承座包括与所述外壳相连接的底盘以及与所述底盘相连接的凸柱，三个所述电荷输出元件中的一个所述电荷输出元件设置于所述底盘，另两个所述电荷输出元件设置于所述凸柱。
9.根据权利要求8所述的三轴压电式传感器，其特征在于，还包括用于闭合或打开所述容纳部的开口的盖体，所述盖体上设置有安装孔，所述凸柱的顶部插入所述安装孔且与所述安装孔的孔壁相连接。
10.根据权利要求9所述的三轴压电式传感器，其特征在于，所述凸柱设置有与所述安装孔同轴设置的第一通孔，所述外壳上设置有与所述第一通孔对准设置的第二通孔。
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