CN209727986U - 一种杠杆式双向声表面波加速度传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种杠杆式双向声表面波加速度传感器，包括金属外壳、活动轴承、刚性杠杆、惯性质量块、两根压力传递杆和两个声表面波传感器件；活动轴承固定在金属外壳的顶面中心；刚性杠杆的一端与活动轴承固定连接，另一端连接有惯性质量块；声表面波传感器件分别与金属外壳连接且关于刚性杠杆对称；压力传递杆的一端与刚性杠杆垂直固定连接，另一端与声表面波传感器件接触。本实用新型的传感器，避免了悬臂梁结构稳定性差、使用寿命短及轴向存在形变等缺陷；根据杠杆原理增大所要测试的力，结构灵敏度高，检测阈值低；能够检测加速度方向，安装方便，检测精度高，应用前景好。
Description
技术领域
本实用新型属于传感器技术领域，涉及声学技术中的一种声表面波传感器，特别涉及一种具有杠杆式结构的无线无源双向声表面波加速度传感器。
背景技术
加速度传感器主要应用于测试物体加速度。通常加速度传感器主要有压阻式、电容式以及压电式结构。
压阻式加速度传感器是通过测量压敏元件(压敏金属、陶瓷、硅晶体等)受惯性力作用发生的形变，进而表征加速度。当压阻元件受到惯性力的作用时，压阻元件电阻率发生变化，根据压阻元件阻值的变化即可来确定感应加速度的大小，但由于器件本身内部构造的原因，其在运行过程中功耗大，压阻元件的阻值将发生漂移，从而降低器件的测量精度。
电容式加速度传感器分为极距变化型、面积变化型及极板间介电常数变化型，当被测参数的变化通过以上情况引起电容器电容值变化时，通过测量电容变化量即可获取惯性力的大小，但由于其需要多对电容极板，器件尺寸较大，而且容易受到衬底、自身偏置电压等电磁场干扰。
压电式加速度传感器是基于压电材料的压电效应实现测力功能的器件。压电材料在惯性力作用下，压电体两个端面出现正负极化电荷，通过测量两端面的电压差即可确定加速度的大小。目前传统的压电式加速度传感器仍存在稳定性欠佳且体积较大等缺陷。为克服传统压电式加速度传感器的缺陷，人们基于声表面波理论以及晶体材料的压电性能开发了声表面波传感器，其不仅具有无源、无线传输功能，而且其稳定性高、功耗小、可微型化及可集成化等特点。
目前声表面波加速度传感器采用悬臂梁式结构，如专利CN 201711018583公开了一种谐振单相单向换能器型声表面波加速度传感器，其包括分别设于悬臂梁上表面中部及末端的两组对加速度信号敏感的振荡器，位于末端的振荡器作为参考，两组振荡器包括一个声表面波延迟线和一个反馈放大器，形成差动结构，有利于减小温度和横向加速度的影响；两组振荡器的结构参数完全相同，输出端相连并经过混频器混频，将外部加速度的变化转化为频率的变化输出；声表面波延迟线采用具有高斯函数频响的谐振单相单向换能器，其包括输入换能器和输出换能器。专利CN 201510125662公开了一种高灵敏度的声表面波加速度传感器，其包括量振子和基座，基座和质量振子上均设有凹槽，压电基片的固定端粘于基座上的凹槽内，压电基片的自由端粘于质量振子的凹槽内；压电基片固定端的上表面从左至右依次置有第一双端谐振器和第二双端谐振器，第一双端谐振器完全置于由基座支撑的压电基片上，第二双端谐振器的1/2区域置于由基座支撑的压电基片上，第二双端谐振器另外的1/2区域置于悬空的压电基片上，以使第二双端谐振器中心区域置于压电基片受应力最大的位置，提高加速度传感器的灵敏度。虽然目前的声表面波加速度传感器相比于压阻式以及电容式加速度传感器在一定程度上提高了测试精度，但其仍存在以下缺陷：(1)悬臂梁结构稳定性差，其依赖弹性形变，存在弹性材料疲劳状态，使用寿命较短；(2)在检测过程中悬臂梁在轴向上会有一定不均匀形变，导致检测误差较大；(3)在检测过程中，如惯性力超过量程，极易损坏器件；(4)精度极易受到温度等环境因素的影响，在恶劣环境下检测精度较差；(5)无法判断加速度方向。
因此，开发一种检测精度高、稳定性好且使用寿命长的声表面波加速度传感器极具现实意义。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术稳定性差、使用寿命短、检测精度差且无法判断方向的缺陷，提供一种检测精度高、稳定性好且使用寿命长的杠杆式双向声表面波加速度传感器。
为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
一种杠杆式双向声表面波加速度传感器，包括金属外壳、活动轴承、刚性杠杆、惯性质量块、两根压力传递杆和两个声表面波传感器件；所述活动轴承、刚性杠杆、压力传递杆、惯性质量块和声表面波传感器件均位于金属外壳内；
所述活动轴承固定在金属外壳的顶面中心；
所述刚性杠杆的一端与活动轴承固定连接，另一端连接有惯性质量块；
所述声表面波传感器件分别与金属外壳连接且关于刚性杠杆对称；
所述压力传递杆的一端与刚性杠杆垂直固定连接，另一端与声表面波传感器件接触。
本实用新型利用杠杆式结构代替了传统的悬臂梁结构，不仅避免了悬臂梁结构稳定性差、使用寿命短及轴向存在形变等缺陷，而且根据杠杆原理(F1*L1＝F2*L2)能够增大所要测试的力，结构灵敏度高。本实用新型杠杆和压力传递杆的设计，受力集中，受力点固定，检测精度高。此外，本实用新型设有的两个声表面波传感器件，不仅能够实现对加速度方向的检测，还能够实现对环境引起的误差的补偿。本实用新型并未设置多个(三个以上)声表面波传感器件以实现对多个加速度方向的检测，这主要是因为活动轴承的旋转形式所限，此外，多方向存在加速度，刚性杠杆会带动压力传递杆发生横移，一定程度上会影响声表面波传感器件的测量。本实用新型的声表面波加速度传感器结构灵敏度高，通过改变刚性杠杆长度或改变压力传递杆和刚性杠杆的固定位置即可对结构灵敏度及量程进行调整，其适应性较高，应用前景好。
作为优选的技术方案：
如上所述的一种杠杆式双向声表面波加速度传感器，所述压力传递杆与活动轴承的间距小于压力传递杆与惯性质量块的间距。本实用新型的压力传递杆的具体位置并不仅限于此，本实用新型仅以此为例，压力传递杆的具体位置，本领域技术人员可根据实际情况进行调整。
如上所述的一种杠杆式双向声表面波加速度传感器，所述压力传递杆与声表面波传感器件受应力最大的位置接触，不固定且不产生挤压。本实用新型的保护范围并不仅限于此，本实用新型仅以此为例。
如上所述的一种杠杆式双向声表面波加速度传感器，所述活动轴承旁设有用以限定刚性杠杆运动极限位置的限位块，或者所述金属外壳外壳内设有用以限定刚性杠杆运动极限位置的限位装置，通过对刚性杠杆运动极限位置进行限定，能够避免压电基底形变过度造成设备损毁。
如上所述的一种杠杆式双向声表面波加速度传感器，所述声表面波传感器件外包裹有用于限定刚性杠杆运动极限位置且保护声表面波传感器件的封装保护壳，所述封装保护壳上开有供压力传递杆传入的开口。
如上所述的一种杠杆式双向声表面波加速度传感器，所述声表面波传感器件采用延迟线型结构，包括压电基底、输入叉指换能器、输出叉指换能器、输入天线和输出天线；所述输入叉指换能器与输入天线连接，所述输出叉指换能器与输出天线连接，所述输入叉指换能器和输出叉指换能器分别固定在压电基底的两端，输入天线和输出天线分别位于压电基底的对应侧。本实用新型的声表面波传感器件并不仅限于此，本实用新型仅以此为例，本领域技术人员可根据实际需求选择合适的声表面波传感器件。
如上所述的一种杠杆式双向声表面波加速度传感器，所述输入叉指换能器和输出叉指换能器通过半导体工艺沉淀于压电基底上。
如上所述的一种杠杆式双向声表面波加速度传感器，所述压电基底为回字形结构，易于形变。压电基底的具体结构也并不仅限于此，其他合适的压电基底也可适用于本实用新型。
如上所述的一种杠杆式双向声表面波加速度传感器，所述压电基底的材料为石英、铌酸锂、钽酸锂或四硼酸锂。
如上所述的一种杠杆式双向声表面波加速度传感器，所述输入叉指换能器和输出叉指换能器的叉指材料相同，为铝、铂或铜。
本实用新型的一种杠杆式双向声表面波加速度传感器中信号的传递过程如下：
输入天线接收正弦激励信号，正弦信号在压电基片激励出声表面波，声表面波在压电基底上传播经换能器通过过一段时间延迟到达输出叉指换能器，输出叉指换能器将接受到的声表面波转换为正弦激励信号，由输出天线传输到信号处理模块。
本实用新型的一种杠杆式双向声表面波加速度传感器在进行测试时的状态如下：
当存在加速度时，惯性质量块会产生惯性力，刚性杠杆可以将质量块的惯性力放大并通过压力传递杆传递至相应方向的压电基底，相应方向的压电基片发生形变，以致声表面波的传播速度和波长发生改变，信号处理模块通过传播频率的变化测得惯性力值，从而得到加速度值。而相对方向的声表面波器件不受力，压电基底未产生形变，可以获得加速度的方向。因为两个声表面波器件所处环境条件(温度、湿度及磁场等)相同，两路数据通过信号处理模块的对比混频，可以对由环境条件变化引起的误差进行补偿。
实用新型机理：
本实用新型利用杠杆式结构代替了传统的悬臂梁结构，一方面避免了悬臂梁结构稳定性差、使用寿命短及轴向存在形变等缺陷，显著提高了结构稳定性、使用寿命及检测精度，另一方面，根据杠杆原理(F1*L1＝F2*L2)能够增大所要测试的力，显著增大了结构灵敏度，降低了检测阈值，通过改变刚性杠杆长度或改变压力传递杆和刚性杠杆的固定位置即可对结构灵敏度及量程进行调整，其适应性好。设有的两个声表面波传感器件，不仅能够实现对加速度方向的检测，还能够实现对环境引起的误差的补偿。限位块的设计能够避免因惯性力过大超出量程致使压电基底形变过度而损坏。
本实用新型的杠杆式双向声表面波加速度传感器，无需供电，采用无线传输方式，尺寸小，结构简单，安装方便，检测精度高，应用前景好。
有益效果：
(1)本实用新型的杠杆式双向声表面波加速度传感器，避免了悬臂梁结构稳定性差、使用寿命短及轴向存在形变等缺陷，显著提高了结构稳定性、使用寿命及检测精度；
(2)本实用新型的杠杆式双向声表面波加速度传感器，根据杠杆原理能够增大所要测试的力，显著增大了结构灵敏度，降低了检测阈值；
(3)本实用新型的杠杆式双向声表面波加速度传感器，双声表面波传感器件的设计，不仅能够实现对加速度方向的检测，还能够实现对环境引起的误差的补偿；
(4)本实用新型的杠杆式双向声表面波加速度传感器，无需供电，采用无线传输方式，尺寸小，结构简单，安装方便，检测精度高，应用前景好。
附图说明
图1为本实用新型的一种杠杆式双向声表面波加速度传感器的结构示意图；
图2为声表面波传感器件的示意图；
其中，1-金属外壳，2-活动轴承，3-刚性杠杆，4-压力传递杆，5-声表面波传感器件，6-封装保护壳，7-惯性质量块，8-输入叉指换能器，9-输出叉指换能器，10-输入天线，11-输出天线，12-压电基底。
具体实施方式
下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式做进一步阐述。
一种杠杆式双向声表面波加速度传感器，如图1所示，包括金属外壳1、活动轴承2、刚性杠杆3、两根压力传递杆4、惯性质量块7和两个声表面波传感器件5；活动轴承2、刚性杠杆3、压力传递杆4、惯性质量块7和声表面波传感器件5均位于金属外壳1内；
活动轴承2固定在金属外壳1的顶面中心；
刚性杠杆3的一端与活动轴承2固定连接，另一端连接有惯性质量块7；
声表面波传感器件5分别与金属外壳1连接且关于刚性杠杆3对称；
压力传递杆4的一端与刚性杠杆3垂直固定连接，另一端与声表面波传感器件5接触，压力传递杆4与活动轴承2的间距小于压力传递杆4与惯性质量块7的间距，压力传递杆4与声表面波传感器件5受应力最大的位置接触，不固定且不产生挤压，压力传递杆4上设置有用以限定刚性杠杆3运动极限位置的限位块，声表面波传感器件5外包裹有用于限定刚性杠杆运动极限位置且保护声表面波传感器件的封装保护壳6，封装保护壳6上开有供压力传递杆4传入的开口；
声表面波传感器件如图2所示，采用延迟线型结构，包括回字形结构的压电基底12、输入叉指换能器8、输出叉指换能器9、输入天线10和输出天线11，输入叉指换能器8和输出叉指换能器9通过半导体工艺沉淀于压电基底12上，输入叉指换能器8与输入天线10连接，输出叉指换能器9与输出天线11连接，输入叉指换能器8和输出叉指换能器9分别固定在压电基底的两端，输入天线10和输出天线11分别位于压电基底的对应侧，压电基底12的材料为石英、铌酸锂、钽酸锂或四硼酸锂，输入叉指换能器8和输出叉指换能器9的叉指材料相同，为铝、铂或铜。
当存在加速度时，惯性质量块会产生惯性力，刚性杠杆可以将质量块的惯性力放大并通过压力传递杆传递至相应方向的压电基底，相应方向的压电基片发生形变，以致声表面波的传播速度和波长发生改变，信号处理模块通过传播频率的变化测得惯性力值，从而得到加速度值。而相对方向的声表面波器件不受力，压电基底未产生形变，可以获得加速度的方向。因为两个声表面波器件所处环境条件(温度、湿度及磁场等)相同，两路数据通过信号处理模块的对比混频，可以对由环境条件变化引起的误差进行补偿。
经验证，本实用新型的杠杆式双向声表面波加速度传感器，检测精度高，结构稳定性好，使用寿命长，能够对加速度方向进行检测，还可对由环境条件变化引起的误差进行补偿，应用前景好。
虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域的技术人员应该理解，这些仅是举例说明，在不违背本实用新型的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改。
Claims (10)
1.一种杠杆式双向声表面波加速度传感器，其特征在于，包括金属外壳、活动轴承、刚性杠杆、惯性质量块、两根压力传递杆和两个声表面波传感器件；所述活动轴承、刚性杠杆、压力传递杆、惯性质量块和声表面波传感器件均位于金属外壳内；
所述活动轴承固定在金属外壳的顶面中心；
所述刚性杠杆的一端与活动轴承固定连接，另一端连接有惯性质量块；
所述声表面波传感器件分别与金属外壳连接且关于刚性杠杆对称；
所述压力传递杆的一端与刚性杠杆垂直固定连接，另一端与声表面波传感器件接触。
2.根据权利要求1所述的一种杠杆式双向声表面波加速度传感器，其特征在于，所述压力传递杆与活动轴承的间距小于压力传递杆与惯性质量块的间距。
3.根据权利要求2所述的一种杠杆式双向声表面波加速度传感器，其特征在于，所述压力传递杆与声表面波传感器件受应力最大的位置接触，不固定且不产生挤压。
4.根据权利要求3所述的一种杠杆式双向声表面波加速度传感器，其特征在于，所述活动轴承旁设有用以限定刚性杠杆运动极限位置的限位块，或者所述金属外壳外壳内设有用以限定刚性杠杆运动极限位置的限位装置。
5.根据权利要求4所述的一种杠杆式双向声表面波加速度传感器，其特征在于，所述声表面波传感器件外包裹有用于限定刚性杠杆运动极限位置且保护声表面波传感器件的封装保护壳，所述封装保护壳上开有供压力传递杆传入的开口。
6.根据权利要求1所述的一种杠杆式双向声表面波加速度传感器，其特征在于，所述声表面波传感器件采用延迟线型结构，包括压电基底、输入叉指换能器、输出叉指换能器、输入天线和输出天线；所述输入叉指换能器与输入天线连接，所述输出叉指换能器与输出天线连接，所述输入叉指换能器和输出叉指换能器分别固定在压电基底的两端，输入天线和输出天线分别位于压电基底的对应侧。
7.根据权利要求6所述的一种杠杆式双向声表面波加速度传感器，其特征在于，所述输入叉指换能器和输出叉指换能器通过半导体工艺沉淀于压电基底上。
8.根据权利要求7所述的一种杠杆式双向声表面波加速度传感器，其特征在于，所述压电基底为回字形结构。
9.根据权利要求8所述的一种杠杆式双向声表面波加速度传感器，其特征在于，所述压电基底的材料为石英、铌酸锂、钽酸锂或四硼酸锂。
10.根据权利要求9所述的一种杠杆式双向声表面波加速度传感器，其特征在于，所述输入叉指换能器和输出叉指换能器的叉指材料相同，为铝、铂或铜。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| AV01 | Patent right actively abandoned | ||
| AV01 | Patent right actively abandoned | ||
| AV01 | Patent right actively abandoned |
Granted publication date: 20191203 Effective date of abandoning: 20240329 |
|
| AV01 | Patent right actively abandoned |
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