CN207585759U - 压电加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型的压电加速度传感器，包括外壳、底座、压电陶瓷元件、紧固件和质量块，压电陶瓷元件具有环状且中心对称的压电陶瓷层和环状且中心对称的内电极层；压电陶瓷层的外周侧上隔着间隔且中心对称地设有作为外电极的导电层，内电极层的外周侧上隔着间隔且中心对称地形成有电极缺口，导电层与电极缺口相对应；压电陶瓷元件由两层以上的压电陶瓷层和内电极层相互堆叠共烧而成，且形成为如下结构：压电陶瓷层相邻两侧的内电极层相互呈规定角度，内电极层的电极缺口与压电陶瓷层的导电层连接形成并联电路。根据本实用新型的多层压电陶瓷元件的压电系数高，而且体积小，可减小对配重质量的要求，从而具有灵敏度高、频率响应范围宽、重量轻等优点。

Description

压电加速度传感器

技术领域

本实用新型涉及传感器和换能器技术领域，尤其涉及一种主要用于振动检测和监测的压电加速度传感器。

背景技术

压电加速度传感器是一种能够测量加速度的传感器。通常由质量块、压电元件和电路等部分组成。加速度传感器在加速过程中，通过对质量块所受惯性力的测量，利用牛顿第二定律获得加速度值。根据加速度传感器中敏感元件的不同，按其原理可以分为多种常见类型，如压电式、压阻式、电容式、谐振式、电感式、应变式等。

其中，压电式加速度传感器是一种用于测量设备或物体等振动的机电传感器，以其灵敏度高、使用频率范围宽、稳定性好等众多优点，成为最为普遍使用的加速度传感器，目前广泛应用于航空航天、核能电力、船舶交通、生物医学等各个行业领域。

具体地，压电式加速度传感器基于压电材料的压电效应而工作，其性能指标众多，最重要的是灵敏度和频率响应范围，而二者却是相互制约的。压电式加速度传感器的灵敏度主要由并联压电片数、压电应变系数和配重质量决定，即。根据该公式可知，在压电材料的压电应变系数一定的情况下，为了提高加速度传感器的灵敏度，通常会采用增加配重质量或增加并联压电片数的方法。然而，这会使整个加速度传感器的重量增加且体积增大，从而导致加速度传感器的频率响应范围下降。

因此，为了克服上述问题，提高加速度传感器的频率响应范围，只能采取减少配重质量或减少并联压电片数的方法。然而，这同时又这会导致加速度传感器的灵敏度下降。可在实际应用中，为满足航空、航天等众多行业对于高精度测振的要求，通常需要加速度传感器同时具有高灵敏度、宽频率响应范围、体积小、重量轻等优点。

特别是耐高温的压电式加速度传感器，其压电材料的压电系数通常都较低，为使加速度传感器具有一定的灵敏度来保证输出信号的信噪比，而通常选择牺牲加速度传感器频率响应范围来保证灵敏度。因此，此类耐高温的加速度传感器相对于常温的加速度传感器，往往具有体积较大、重量较重、频率响应范围较窄等特点，但显然无法同时满足高精度测振的要求。

基于此，近些年出现了一种形成为多层膜结构的压电陶瓷元件，其采用陶瓷粉体流延成型工艺和内电极共烧技术制成，结构如图6所示，内电极12为叉指型电极，压电陶瓷层11通过内电极12和外电极13形成电学上的并联。相较于传统的单片压电陶瓷元件，该多层压电陶瓷元件能极大地增加并联的片数，在相同压电陶瓷厚度的情况下，可使压电系数为单片压电陶瓷元件的数倍乃至数十倍。

因此，理论上，采用此种多层压电陶瓷元件装配加速度传感器，在其它元件相同的情况下，灵敏度可以达到单片压电陶瓷加速度传感器的几倍，可有效提高加速度传感器灵敏度，保证加速度传感器的频率响应范围，具有极大的优点。然而，实际上，经试验发现，采用该种多层压电陶瓷元件制成的加速度传感器其横向灵敏度比较大，远超5%的规定，也无法满足高精度测振的要求，故而多层压电陶瓷元件无法在加速度传感器上得到实际使用。

实用新型内容

实用新型要解决的问题：

鉴于以上存在的问题，发明人锐意进取努力研究发现，由于现有的多层压电陶瓷采用叉指型电极，正负电极错开相对，导致压电陶瓷元件的极化方向P与加速度传感器的主轴方向Z不重合，从而如图7所示，在与Z轴垂直的XY平面内产生分量，即、产生了横向灵敏度。

综上，本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种灵敏度高、频率响应范围宽、重量轻的压电加速度传感器。

解决问题的手段：

为了解决上述技术问题，本实用新型的压电加速度传感器，包括外壳、底座、设于所述外壳内的压电陶瓷元件、紧固件和质量块，通过所述紧固件依次将所述质量块和压电陶瓷元件固定于所述底座上，所述压电陶瓷元件具有环状且中心对称的压电陶瓷层和环状且中心对称的内电极层；所述压电陶瓷层的外周侧上隔着间隔且中心对称地设有作为外电极的导电层，所述内电极层的外周侧上隔着间隔且中心对称地形成有电极缺口，所述导电层与所述电极缺口相对应；所述压电陶瓷元件由两层以上的压电陶瓷层和内电极层相互堆叠共烧而成，且形成为如下结构：所述压电陶瓷层相邻两侧的所述内电极层相互呈规定角度，所述内电极层的所述电极缺口与所述压电陶瓷层的所述导电层连接形成并联电路。

根据本实用新型，通过堆叠如上所述特定形状的压电陶瓷层和内电极层，压电陶瓷层相邻两侧的内电极层相互呈规定角度，从而电极缺口与导电层彼此连接所形成的外电极并不是错开相对的结构，而是在堆叠方向上交错排列的结构，因此可使平面内的极化电场分量互相抵消，从而使整个压电陶瓷元件的极化电场方向与加速度传感器主轴方向重合，由此能够消除横向灵敏分量。换言之，根据本实用新型的多层压电陶瓷元件的压电系数高，而且体积小，可减小对配重质量的要求，从而具备该压电陶瓷元件的加速度传感器具有灵敏度高、频率响应范围宽、重量轻等优点。

又，在本实用新型中，也可以是，所述压电陶瓷层的径向尺寸与所述内电极层的径向尺寸相同。由此，压电陶瓷层的面积大于内电极层的面积，从而保证正负电极间不会短路。

又，在本实用新型中，也可以是，所述电极缺口形成为从所述内电极层外周侧向内凹入的结构。

又，在本实用新型中，也可以是，所述导电层的周向尺寸范围小于圆周长的1/2。

又，在本实用新型中，也可以是，所述电极缺口的周向尺寸范围是小于圆周长的1/2。

又，在本实用新型中，也可以是，所述电极缺口的周向尺寸大于所述导电层的周向尺寸。由此，能可靠地确保堆叠方向上交错排列的正负外电极间不会短路。

又，在本实用新型中，也可以是，所述导电层采用贵金属材料。

又，在本实用新型中，也可以是，所述紧固件由螺杆与螺帽构成。

又，在本实用新型中，也可以是，还具备设于所述底座与所述压电陶瓷元件之间的绝缘陶瓷元件。

以下，根据下述具体实施方式并参考附图，将更好地理解本实用新型的上述内容及其它目的、特征和优点。

附图说明

图1是示出根据本实用新型一实施形态的压电加速度传感器的结构示意图；

图2中的（a）-（c）图是分别示出不同实施形态的压电陶瓷层的结构示意图；

图3中的（a）-（c）图是分别示出了形成有不同尺寸、数量的电极缺口的不同实施形态的内电极层的结构示意图；

图4中的（a）-（c）图是示出了分别与图3中各形态的内电极层相对应的多层压电陶瓷元件的结构示意图；

图5是示出根据本实用新型另一实施形态的压电加速度传感器的结构示意图；

图6是现有技术中多层压电陶瓷元件的结构示意图；

图7是现有技术中多层压电陶瓷元件的极化方向的示意图；

符号说明：

1 外壳；

2 底座；

3 压电陶瓷元件；

4 紧固件；

5 质量块；

6 集成电路；

7 压电陶瓷层；

71 导电层（外电极）；

8 内电极层；

81 电极缺口；

9 绝缘陶瓷元件；

S1、S2 压电加速度传感器。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本实用新型，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本实用新型，而非限制本实用新型。在各图中相同或相应的附图标记表示同一部件，并省略重复说明。

图1是示出根据本实用新型一实施形态的压电加速度传感器S1的结构示意图。如图1所示，本实用新型的压电加速度传感器S1为中心压缩式的压电式加速度传感器，包括：外壳1、底座2、压电陶瓷元件3、紧固件4和质量块5。具体地，本实用新型中，压电陶瓷元件3为筒状的对称结构，被紧固件4插通后固定在底座2上，并与集成电路6电气连接。质量块5与压电陶瓷元件3相邻设置，同时也通过紧固件4固定。外壳1安装于底座2上，并容纳前述各器件，从而起到保护和屏蔽干扰的作用。本实施形态中，紧固件4可为螺栓与螺帽的结构，通过对压电陶瓷元件3施加预紧力的形式将其固定在底座2上，但不限于此，只要能将其固定于底座2上即可。

受振时，质量块5施加在压电陶瓷元件3上的力也随之变化，从而压电陶瓷元件3产生电荷信号，并经由电极传递给集成电路6，从而将其转换成电压信号输出。另，本实用新型中，还具备集成电路6，但不限于此，压电加速度传感器亦可形成为不具备集成电路的结构。

以下将结合附图详细说明本实用新型的压电加速度传感器S1所具备的压电陶瓷元件3的各实施形态。

压电陶瓷元件3具有图2所示的环状且中心对称的压电陶瓷层7和图3所示的环状且中心对称的内电极层8。图2中的（a）-（c）分别示出了不同实施形态的压电陶瓷层的结构示意图。如图2所示，压电陶瓷层7的外周侧上隔着间隔且中心对称地设有作为外电极的导电层71（以下也称外电极71）。导电层71可选用导电性好的贵金属材料，例如金/钯、银/钯合金等材质，通过本领域公知技术涂敷或烧结于压电陶瓷层7，周向尺寸应小于后述的电极缺口81的周向尺寸。

本实用新型中，压电陶瓷层7的径向尺寸与内电极层8的径向尺寸相同。内电极层8的外周侧上隔着间隔且中心对称地形成有电极缺口81，电极缺口81形成为从内电极层8外周侧向内凹入的结构，因此，压电陶瓷层7的面积大于内电极层8的面积。图3中的（a）（b）（c）是分别示出了形成有不同形态、尺寸、数量的电极缺口81的内电极层8的结构示意图，例如图3的（a）和（b）均形成有两个呈中心对称状的电极缺口81，而图3的（c）形成有四个呈中心对称状的电极缺口81。但本实用新型的内电极层8的电极缺口的形态、尺寸和数量并不限于此，可根据实际需求而改变，只要能满足呈中心对称状即可，例如为6个或8个等。电极缺口81的周向尺寸范围不应超过圆周长的1/2。

压电陶瓷元件3由两层以上的压电陶瓷层7和内电极层8相互堆叠共烧而成，且形成为如下结构：压电陶瓷层7相邻两侧的内电极层8相互呈规定角度，内电极层8的电极缺口81与压电陶瓷层7的导电层连接形成并联电路。

具体地，如图4（a）-（c）的各实施形态所示，压电陶瓷层7和内电极层8相互堆叠共烧形成第一层，再以如上方式形成第二层，以此类推，直至形成足够数量所需的层数。首先，使各层电极缺口81的对齐，然后，以使第二层相对第一层旋转1/2电极缺口夹角的形式堆叠第二层，如法炮制，每一层均与上一层相比旋转1/2电极缺口夹角的角度。其中，所谓电极缺口夹角是指，电极缺口81中点彼此之间所成的圆周角度，例如图3的（a）和（b）的内电极层8上形成有两个电极缺口81，因此电极缺口夹角为180°，而1/2电极缺口夹角则为90°，由此以使每一层均与上一层相比旋转90°的形式叠合。再例如，图3的（c）的内电极层8上形成有四个电极缺口81，因此电极缺口夹角为90°，而1/2电极缺口夹角则为45°，由此以使每一层均与上一层相比旋转90°的形式叠合。以此类推，不再赘述。

由此，压电陶瓷元件3形成为筒状多层结构，且中心对称。压电陶瓷层7与内电级层8交错堆叠，而且，压电陶瓷层7上下相邻两侧的内电极层8的电极缺口81间相互呈规定角度，从而使每层压电陶瓷层7外周侧上外电极71（即、导电层71）连接，进而使多层压电陶瓷层7形成并联。但应注意，压电陶瓷层7上的导电层71应与内电极层8上的电极缺口81的数量相对应，如图2、3、4所示，电极缺口81及缺口以外的区域均对应地设有导电层71，即导电层71的数量为电极缺口81的两倍，如此才能形成通路。此外，电极缺口81的周向尺寸大于外电极71的周向尺寸，由此堆叠方向上交错排列的正负外电极71间不会短路。

综上所述，本实用新型通过堆叠如上特定形状的压电陶瓷层7和内电极层8，使压电陶瓷层7相邻两侧的内电极层8相互呈规定角度，从而电极缺口81与导电层彼此连接所形成的外电极并不是错开相对的结构，而是在堆叠方向上交错排列的结构，因此可使平面内的极化电场分量互相抵消，从而使整个压电陶瓷元件3的极化电场方向与加速度传感器主轴方向重合，由此能够消除横向灵敏分量。换言之，根据本实用新型的多层压电陶瓷元件3的压电系数高，而且体积小，可减小对配重质量的要求，从而具备该压电陶瓷元件3的压电加速度传感器S1具有灵敏度高、频率响应范围宽、体积小重量轻等优点。

（变形例）

图5是示出根据本实用新型另一实施形态的压电加速度传感器S2的结构示意图。以下，结合附图详细说明，并省略与压电加速度传感器S1相同结构的说明。

如图5所示，压电加速度传感器S2为中心压缩式的压电式加速度传感器，采用差分式输出方式，包括：外壳1、底座2、压电陶瓷元件3、紧固件4、质量块5、集成电路6和绝缘陶瓷元件9。具体地，压电陶瓷元件3为筒状的对称结构，与质量块5相邻设置，共同被紧固件4插通后固定在底座2上。本实施形态中，紧固件4为螺栓与螺帽的结构，并将螺帽内置于质量块5内，从而使得压电陶瓷元件3与质量块5的接触面受力更加均匀，性能更加稳定。此外，压电陶瓷元件3与底座2之间还设有绝缘陶瓷元件9，其用于使输出信号与外壳绝缘。

根据本实用新型的加速度传感器不限于上述两种形态，只要其内部的压电陶瓷元件3为筒状中心对称结构，即可消除横向灵敏分量，满足灵敏度高、频率响应范围宽等要求。换言之，安装有如上述形成的压电陶瓷元件3的加速度传感器能克服现有单片压电陶瓷元件和多层压电陶瓷元件的缺点，在工业应用上前景广阔。

以上的具体实施方式对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应当理解的是，以上仅为本实用新型的一种具体实施方式而已，并不限于本实用新型的保护范围，在不脱离本实用新型的基本特征的宗旨下，本实用新型可体现为多种形式，因此本实用新型中的实施形态是用于说明而非限制，由于本实用新型的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。凡在本实用新型的精神和原则之内的，所做出的任何修改、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 (9)

1.一种压电加速度传感器，其特征在于，包括：外壳、底座、设于所述外壳内的压电陶瓷元件、紧固件和质量块，通过所述紧固件依次将所述质量块和压电陶瓷元件固定于所述底座上；

所述压电陶瓷元件具有环状且中心对称的压电陶瓷层和环状且中心对称的内电极层；

所述压电陶瓷层的外周侧上隔着间隔且中心对称地设有作为外电极的导电层，所述内电极层的外周侧上隔着间隔且中心对称地形成有电极缺口，所述导电层与所述电极缺口相对应；

所述压电陶瓷元件由两层以上的压电陶瓷层和内电极层相互交错堆叠共烧而成，且形成为如下结构：所述压电陶瓷层相邻两侧的所述内电极层相互呈规定角度，所述内电极层的所述电极缺口与所述压电陶瓷层的所述导电层连接形成并联电路。

2.根据权利要求1所述的压电加速度传感器，其特征在于，所述压电陶瓷层的径向尺寸与所述内电极层的径向尺寸相同。

3.根据权利要求2所述的压电加速度传感器，其特征在于，所述电极缺口形成为从所述内电极层外周侧向内凹入的结构。

4.根据权利要求1所述的压电加速度传感器，其特征在于，所述导电层的周向尺寸范围小于圆周长的1/2。

5.根据权利要求1所述的压电加速度传感器，其特征在于，所述电极缺口的周向尺寸范围是小于圆周长的1/2。

6.根据权利要求1所述的压电加速度传感器，其特征在于，所述电极缺口的周向尺寸大于所述导电层的周向尺寸。

7.根据权利要求1至6中任意一项所述的压电加速度传感器，其特征在于，所述导电层采用贵金属材料。

8.根据权利要求1至6中任意一项所述的压电加速度传感器，其特征在于，所述紧固件由螺杆与螺帽构成。

9.根据权利要求1至6中任意一项所述的压电加速度传感器，其特征在于，还具备设于所述底座与所述压电陶瓷元件之间的绝缘陶瓷元件。