CN208833799U - 一种高温型振动加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种高温型振动加速度传感器，由通过高温线缆连接的加速度计和变换器组成，其中，加速度计具有一个由底座和外壳构成的腔壳，在腔壳底座面上直立焊接有一个T型支柱，在T型支柱套装有一个质量块和一个压电晶片，在质量块与T型支柱的顶面板之间压装有弹簧，压电晶片的输出端与高温线缆连接；变换器具有一个带电连接器的中空壳体，在壳体内装有一块可将电荷信号转换为标准电压信号并通过电连接器输出的电路板；高温线缆的一端连接至加速度计内压电晶片的上下表面，另一端连接至变换器的电路板。实际工作中，发动机的振动加速度的改变引起质量块对压电晶片施加的力变化并产生电荷信号，继而再由变换器转换为标准电压信号输出。

Description

一种高温型振动加速度传感器

技术领域

本实用新型属于电子感测衡器技术领域，涉及一种高温型振动加速度传感器，产品主要用于高温环境下飞行器发动机振动加速度的测量，其最高工作温度可达800℃。

背景技术

飞行器发动机工作在高温高压环境下，外部最高温度可达800℃。飞行器发动机50％的故障来源于振动，振动会造成发动机熄火，甚至造成发动机结构破坏，导致飞行任务失败。要检测发动机的健康状况，必须实时监测发动机的振动加速度情况。但目前本领域公知的传统的振动加速度传感器由于受到原理、材料等方面的限制，存在着量程小、精度低、频率响应范围窄、无法在800℃的高温环境下使用的缺陷。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有振动加速度传感器存在的缺陷，提供一种测量量程大、精度高、频响范围宽、可在高温800℃长时间可靠工作的高温型振动加速度传感器。

为实现上述发明目的而采用的技术解决方案如下所述：

一种高温型振动加速度传感器，包括通过高温线缆连接的加速度计和变换器两部分，所述的加速度计具有一个由底座和外壳构成的腔壳，在腔壳底座面的中心向上直立焊接有一个带顶面板的T型支柱，在T型支柱的柱体上按上下位依次套装有一个质量块和一个压电晶片，质量块和压电晶片之间通过绝缘体隔开，在质量块与T型支柱的顶面板之间压装有弹簧，压电晶片的输出端与高温线缆连接；所述的变换器具有一个外端带有电连接器的中空壳体，在壳体内装有一块可将电荷信号转换为标准电压信号并通过电连接器输出的电路板；高温线缆的一端连接至加速度计内压电晶片的上下表面，另一端连接至变换器的电路板。

本实用新型进一步的技术解决方案还包括：在加速度计外壳侧壁和变换器壳体侧壁上分别设有第一线卡和第二线卡，压电晶片受力后产生的电荷信号依次经第一线卡、高温线缆和第二线卡进入变换器。

上述高温型振动加速度传感器中，高温线缆由最高可承受1000℃的镍丝制成。

上述高温型振动加速度传感器中，加速度计中的底座、T型支柱和外壳均由铬镍铁基合金制成，该材料在1000℃下具有良好的机械特性和化学稳定性，并且可以使用激光进行焊接。

上述高温型振动加速度传感器中，加速度计中的压电晶体采用居里温度为1200℃、自发极化强度为50×10C/cm的铌酸锂压电材料制成。

上述高温型振动加速度传感器中，加速度计中的绝缘体采用高硅氧材料制成，该材料在1000℃能长久保持良好的强度和弹性，且具有良好的耐磨和绝缘性能。

上述高温型振动加速度传感器中，变换器电路板电路由电源滤波电路、电荷放大电路、运算放大电路、调零电路、稳压电路和输出滤波电路组成。电源电路一方面可对外部电源进行滤波处理以降低纹波，另一方面可对外部电源进行稳压处理为后续电路供电；电荷放大电路将压电晶体输出的电荷量信号进行电荷放大并转换为电压信号；运算放大电路对电压信号进行放大处理，调零电路对放大后电压信号进行调零处理；滤波电路对最终的输出信号进行滤波处理以满足幅频要求。

本实用新型所述的高温型振动加速度传感器采用压电式测量原理，敏感元件(压电晶片)采用耐高温铌酸锂压电材料制成，最高工作温度可达1200℃。实际工作中，发动机的振动加速度(外界加速度)的改变引起质量块对压电晶片施加的力发生变化，压电晶片受力后发生变形并产生电荷信号，电荷信号通过线缆进入变换器，进而实现对电荷信号的放大、运算、滤波处理，最终将电荷信号转换为标准电压信号，并通过电连接器输出。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型所述高温型振动加速度传感器的加速度计采用压电式测量原理，无需外部供电，受温度影响小，适合用于高温环境；

2、本实用新型所述高温型振动加速度传感器的加速度计采用耐高温材料制成，最高可承受1200℃的高温，可长时间在800℃环境下正常工作；

3、本实用新型所述高温型振动加速度传感器采用分体式结构，加速度计和变换器之间通过高温线缆连接，高温线缆最高可承受1000℃的高温，线缆长度可有效避免变化器电路受到高温损坏，并且便于传感器的安装使用；

4、本实用新型所述高温型振动加速度传感器的变化器选用宽温器件设计，可在-45℃～+125℃范围内正常工作；

5、本实用新型所述高温型振动加速度传感器的加速度计可通过支座底部的安装孔固定安装，减小了加速度计的尺寸，并可避免共振现象产生而影响测量；

6、本实用新型所述高温型振动加速度传感器传感器的工作电压为±15V，工作电流小于7mA，最大量程为±500g，过载能力可达±1000g，固有频率大于14kHz，非线性度小于2％；

7、本实用新型所述高温型振动加速度传感器通过变换器电路对加速度计输出的电荷信号进行放大、运算、调零和滤波处理，最终可输出0.2～4.8V的电压信号；

8、本实用新型所述高温型振动加速度传感器使用AD8606搭建的八阶巴特沃兹低通滤波器对输出信号进行滤波处理，可在10～4000Hz范围内保证±1dB的不平度，带外衰减大于-45dB。

附图说明

图1是本实用新型一个具体实例的结构示意图。

图2是本实用新型中变换器电路板的电路原理图。

图1中各数字标记分别是：Ⅰ－加速度计，Ⅱ－变换器；1－底座，2－绝缘体，3－T型支柱，4－外壳，5－弹簧，6－质量块，7－压电晶片，8－第一线卡，9－高温线缆，10－第二线卡，11－壳体，12－电路板，13－电连接器。

具体实施方式

参见附图1，本实用新型所述的高温型振动加速度传感器由加速度计Ⅰ和变换器Ⅱ组成，两者之间通过高温线缆9相连。加速度计Ⅰ具有一个由铬镍铁基合金制底座1和铬镍铁基合金制外壳4构成的腔壳，在底座面的中心向上直立焊接有一个带顶面板的铬镍铁基合金制T型支柱3，在T型支柱3的柱体上按上下位依次套装有一个质量块6和一个铌酸锂压电材料制压电晶片7，质量块6和压电晶片7之间通过高硅氧制绝缘体2隔开，在质量块6与T型支柱3的顶面板之间压装有弹簧5。变换器Ⅱ具有一个外端带有电连接器13的中空壳体11，在壳体11内装有一块可将电荷信号转换为标准电压信号并通过电连接器13输出的电路板12；高温线缆9的导线由最高可承受1000℃的镍丝制成，线长为3米，其一端连接至加速度计Ⅰ内压电晶片7的上下表面，另一端连接至变换器Ⅱ的电路板12。

本实用新型中的加速度计Ⅰ基于压电式测量原理而设置，根据F＝ma，质量块6施加到压电晶片7上的力与外界加速度成正比，压电晶片7的形变量与质量块6施加到压电晶体7上的力成正比，压电晶片7输出的电荷量与其形变量成正比，可用电荷量的变化表示外界加速度的变化，实现对加速度的测量。当外界振动加速度发生变化时，通过与弹簧5固定的质量块6施加到压电晶片7上的作用力会发生变化，进而引起压电晶片7产生形变，压电晶片7产生形变后输出电荷信号，电荷信号与外界加速度成正比；产生的电荷信号经过高温线缆9进入变换器Ⅱ，实现对电荷信号的放大、运算、调零和滤波处理，最终将电荷信号转换为0.2～4.8V的标准电压信号，并通过电连接13输出。

本实用新型中变换器电路板的电路设计参见附图2，它由电源滤波电路、电荷放大电路(OPA128)、运算放大电路(OP27)、调零电路(AD584)、稳压电路(LT1461)和输出滤波电路(AD8606)组成。使用OPA128构成电荷放大电路对输入的电荷信号进行放大，并将放大后电荷信号转换为-5V～+5V电压信号；电压信号经AD584调零电路调整到0V～+10V，然后由运算放大器OP27调整到0.2V～4.8V输出；最后使用AD8606搭建的八阶低通滤波器对输出信号进行滤波处理，以达到10～4000Hz带内不平度不大于±1dB，带外衰减大于-45dB的幅频特性要求。

本实用新型所述高温振动加速度传感器的加速度计Ⅰ可通过支座底部的安装孔安装固定，操作方便；振动加速度传感器的电气接口为变换器的电连接器，该电连接器属于标准接口，型号为Y8C-4ZJB，可实现传感器的供电和信号输出功能。

采用本实用新型所述高温振动加速度传感器测量飞行器发动机振动加速度的方法按以下步骤实现：

第一步，使用螺钉将加速度计固定在飞行器发动机振动测试点上，将变换器器放置在合适位置；

第二步，使用对应电连接器(型号为Y8C-4TK)将传感器连接至测试系统采集装置，打开供电系统；

第三步，在静态(振动加速度为零)时对传感器的输出进行采集，采集到的数据即为传感器的零点(对应电压为2.5V)；

第四步，飞行器发动机开始工作，出现振动后加速度引起压电晶体产生压电效应并输出电荷信号，电荷信号经过转换器电路处理后输出对应电压信号，电压信号经电连接器传送至测试系统采集装置，由于传感器输出的电压值与振动加速度值有对应关系(V＝ka，V为传感器的输出电压值，a为发动机的振动加速度值，k为比例系数)，则后续信号处理系统就可以在采集到传感器输出电压后根据这个对应关系换算出发动机的振动加速度。

Claims (6)

1.一种高温型振动加速度传感器，其特征在于：包括通过高温线缆(9)连接的加速度计(Ⅰ)和变换器(Ⅱ)，所述的加速度计(Ⅰ)具有一个由底座(1)和外壳(4)构成的腔壳，在底座(1)面的中心向上直立焊接有一个带顶面板的T型支柱(3)，在T型支柱(3)的柱体上按上下位依次套装有一个质量块(6)和一个压电晶片(7)，质量块(6)和压电晶片(7)之间通过绝缘体(2)隔开，在质量块(6)与T型支柱(3)的顶面板之间压装有弹簧(5)；所述的变换器(Ⅱ)具有一个外端带有电连接器(13)的中空壳体(11)，在壳体(11)内装有一块可将电荷信号转换为标准电压信号并通过电连接器(13)输出的电路板(12)；高温线缆(9)的一端连接至加速度计(Ⅰ)内压电晶片(7)的上下表面，另一端连接至变换器(Ⅱ)的电路板(12)。

2.根据权利要求1所述的高温型振动加速度传感器，其特征在于：在加速度计外壳(4)侧壁和变换器壳体(11)侧壁上分别设有第一线卡(8)和第二线卡(10)，压电晶片(7)受力后产生的电荷信号依次经第一线卡(8)、高温线缆(9)和第二线卡(10)进入变换器(Ⅱ)。

3.根据权利要求1或2所述的高温型振动加速度传感器，其特征在于：所述的高温线缆(9)由最高可承受1000℃的镍丝制成。

4.根据权利要求1所述的高温型振动加速度传感器，其特征在于：所述加速度计(Ⅰ)中的底座(1)、T型支柱(3)和外壳(4)均由铬镍铁基合金制成。

5.根据权利要求1所述的高温型振动加速度传感器，其特征在于：所述加速度计(Ⅰ)中的压电晶片(7)采用居里温度为1200℃、自发极化强度为50×10C/cm的铌酸锂压电材料制成。

6.根据权利要求1所述的高温型振动加速度传感器，其特征在于：所述加速度计(Ⅰ)中的绝缘体(2)采用高硅氧材料制成。