CN211576349U - 压电振动传感器及拾音器 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例是关于一种压电振动传感器，该压电振动传感器包括：两端开口的金属管；压电元件，中心开有第一通孔，所述压电元件的周边搭接于所述金属管的其中一端口上；质量块，中心开有第二通孔；连接杆，依次穿过所述第二通孔和所述第一通孔，并通过一紧固件将所述质量块固定悬挂于所述压电元件上。本实用新型实施例可以提高信号响应速度及信号灵敏度，且不会出现信号饱和现象，可应用于地势起伏较大的复杂环境中。

Description

压电振动传感器及拾音器

技术领域

本发明实施例涉及埋地燃气PE管道位置探测技术领域，尤其涉及一种压电振动传感器及拾音器。

背景技术

在埋地燃气PE管道位置的探测技术中，拾音器用来捕获地下管道辐射到地面上的声波信号，并会将声波信号转换为电能信号，进而来确定PE管道的具体坐标位置，而振动传感器作为拾音器的重要组成部件，用以检测声波信号。

相关技术中，拾音器中选用的振动传感器通常为磁电式振动传感器，关于上述技术方案，发明人发现至少存在如下一些技术问题：例如磁电式振动传感器响应慢、灵敏度低、容易出现信号饱和的现象，无法探测到地面传输的微弱信号，且能探测到的距离较短、深度较浅，不能满足多种复杂环境下PE管道位置探测的需求。因此，有必要改善上述相关技术方案中存在的一个或者多个问题。

需要注意的是，本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明的实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种压电振动传感器及拾音器，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种压电振动传感器，包括：

两端开口的金属管；

压电元件，中心开有第一通孔，所述压电元件的周边搭接于所述金属管的其中一端口上；

质量块，中心开有第二通孔；

连接杆，依次穿过所述第二通孔和所述第一通孔，并通过一紧固件将所述质量块固定悬挂于所述压电元件上。

本发明的一实施例中，所述压电元件包括弹簧片以及两个压电陶瓷片，其中，两个所述压电陶瓷片分别贴附于所述弹簧片的上下表面。

本发明的一实施例中，两个所述压电陶瓷片串联或并联贴附于所述弹簧片上。

本发明的一实施例中，还包括一压环，所述压环套设于所述压电元件外边沿上。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种压电振动传感器，包括：

两端开口的金属管；

压电元件，包括第一压电元件和第二压电元件，所述第一压电元件和第二压电元件的周边分别搭接于所述金属管相对的两个端口上，且各所述压电元件的中心均开有第一通孔；

质量块，夹持于所述第一压电元件和所述第二压电元件之间，且所述质量块的中心开有第二通孔；

连接杆，穿过所述第一通孔和所述第二通孔，并通过一紧固件将所述质量块与所述第一压电元件、所述第二压电元件固定。

本发明的一实施例中，各所述压电元件包括弹簧片以及两个压电陶瓷片，其中，两个所述压电陶瓷片分别贴附于所述弹簧片的上下表面。

本发明的一实施例中，各所述压电元件中的两个压电陶瓷片串联贴附于所述弹簧片上。

本发明的一实施例中，各所述压电元件中的两个压电陶瓷片并联贴附于所述弹簧片上。

本发明的一实施例中，还包括两个压环，各所述压环分别套设于所述第一压电元件和所述第二压电元件的外边沿上。

本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本发明的实施例中，当地面传来振动声波时，振动波可通过金属管传递至压电元件上，使得悬挂于压电元件上的质量块上下运动，引起压电元件形变，进而产生相应的电信号。一方面，与磁电式振动传感器相比，即使地面传来的振动声波非常微弱，也可以通过金属管传递至压电元件上，而引起质量块的运动，质量块的运动又进一步增大了压电元件的形变量，根据实验测试，该压电振动传感器的信号响应速度提高了10倍，信号灵敏度提高了50倍，且不会出现信号饱和现象。另一方面，由于质量块悬挂于压电元件上，不仅可以在垂直方向上运动，还可以在水平方向上做微弱的摆动，由此，该压电振动传感器除了能检测到垂直方向的振动声波外，还能兼顾小范围的横向振动声波，可应用于地势起伏较大的复杂环境中。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出本发明示例性实施例中压电振动传感器的结构示意图；

图2示出本发明示例性实施例中压电元件的结构示意图；

图3示出本发明示例性实施例中压电陶瓷片串联接法示意图；

图4示出本发明示例性实施例中压电陶瓷片并联接法示意图；

图5示出本发明示例性实施例中振动传感器对比实验现场示意图；

图6示出本发明示例性实施例中另一种压电振动传感器的结构示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。

此外，附图仅为本发明实施例的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。

磁电式振动传感器的基本原理是根据导体作切割磁力线的运动，而产生一个与它运动振动成正比的电动势。磁电式振动传感器由上下弹簧片、磁靴、永磁体、感应线圈等部件组成，测量对象振动时，传感器的线圈会产生磁力线，磁路由于磁阻变化，在感应线圈内产生电动势。

在埋地燃气PE管道位置探测时，磁电式振动传感器很容易出现信号饱和的现象，且响应慢、灵敏度低，无法探测到地面传输的微弱声波，导致埋地燃气PE管道定位探测设备探测距离较短、探测深度较浅，不能满足多种复杂环境下的管道探测需求。

基于此，本示例实施方式中首先提供了一种压电振动传感器。参考图1中所示，该压电振动传感器可以包括金属管100、压电元件200、质量块300以及连接杆400。其中，压电元件200中心开有第一通孔210，且压电元件的周边搭接于金属管100的其中一端口上，质量块300中心开有第二通孔(图未示)，连接杆400依次穿过第二通孔和第一通孔210，并通过一紧固件500将质量块300固定悬挂于压电元件200上。

本发明的实施例中，当地面传来振动声波时，振动波可通过金属管100传递至压电元件200上，使得悬挂于压电元件200上的质量块300上下运动，引起压电元件200形变，进而产生相应的电信号。一方面，与磁电式振动传感器相比，即使地面传来的振动声波非常微弱，也可以通过金属管传递至压电元件200上，而引起质量块300的运动，质量块300的运动又进一步增大了压电元件的形变量，根据实验测试，该压电振动传感器的信号响应速度提高了10倍，信号灵敏度提高了50倍，且不会出现信号饱和现象。另一方面，由于质量块300悬挂于压电元件200上，不仅可以在垂直方向上运动，还可以在水平方向上做微弱的摆动，由此，该压电振动传感器除了能检测到垂直方向的振动声波外，还能兼顾小范围的横向振动声波，可应用于地势起伏较大的复杂环境中。

下面，将参考图1至图5对本示例实施方式中的上述压电振动传感器的各个部分进行更详细的说明。

金属管100主要起到两个作用，第一用于承载压电元件和质量块，第二用于传递振动声波，例如，在一个实施例中，该金属管为铜管。

在一个实施例中，连接杆400可以是螺栓、也可以是螺钉，紧固件500可以是与螺栓或螺钉相匹配的螺帽。连接杆400穿过位于质量块300中心、压电元件200中心的第二通孔310和第一通孔210后被紧固件500固定，可保证质量块300在运动时压电元件200的各区域产生均匀形变，使得最终信号的测量更加准确稳定。

在一个实施例中，压电元件200包括弹簧片220以及两个压电陶瓷片230，其中，两个压电陶瓷片230分别贴附于弹簧片220的上下表面。质量块300运动时，引起弹簧片220的纵向舒张和收缩，这扩大了贴附于弹簧片220上下表面的压电陶瓷片所产生的形变，进一步提高了感测灵敏度。

具体的，本发明对弹簧片220的形状及材质不做限制，只要在质量块300运动时可引起纵向舒张、收缩，最终可扩大压电陶瓷片所产生的形变即可，例如，弹簧片220可以为圆形的黄铜片。

在一个具体的实施例中，两个压电陶瓷片230可分别粘贴于弹簧片220的上下表面，当然，两个压电陶瓷片230的贴附方式并不限于此。

在一个实施例中，参考图3和图4，两个压电陶瓷片230串联或并联贴附于弹簧片220上。图3中为串联接法，串联接法可以得到更高的信号幅值，适合信号较弱的环境使用。图4中为并联接法，并联接法可以提高信号的信噪比。以上两种接法均能满足该压电振动传感器对振动信号的检测，可根据实际被测对象灵活选择。

在一个实施例中，该压电振动传感器还包括一压环600，压环600套设于压电元件200的外边沿上，压环600可提高该压电振动传感器的装配性。具体的，装配时，通过对压环施加均匀压力可将该压电振动传感器固定在安装位置。

在一个具体的实施例中，采用直径25mm，中心开孔3.2mm厚度为0.5mm的黄铜片，正反两面贴附0.2mm的P-51压电陶瓷片，贴附方式为串联方式，上下压电陶瓷片镀银电极层，且分别引出信号的正负极。中间悬垂51g直径为20mm的紫铜材质的质量块，通过螺栓和防松螺母紧固构成的组合件，放置到一个直径25mm，壁厚1.5mm，高30mm的紫铜管上，上部盖压直径30mm的铝合金金属压环，构成压电振动传感器。

参照图5，实验采用一个470Hz，20W声波信号源，将信号源注入到一个埋深2米的天然气管道之中，信号沿管道在地下向地面传输。根据地面接收的信号幅度，来判断传感器对信号检测的灵敏度。

下表为该压电振动传感器和传统磁电式振动传感器在相同条件下的信号幅值实测数据：

由上表即可看出，本实施例提供的该压电振动传感器结构简单，性能大幅超越传统的磁电式振动传感器，且可适用于地势起伏较大的场合。

本示例实施方式中还提供了另一种压电振动传感器。参考图6所示，该压电振动传感器可以包括金属管100、压电元件200、质量块300以及连接杆400。其中压电元件200包括第一压电元件2001和第二压电元件2002，第一压电元件2001和第二压电元件2002的周边分别搭接于金属管100相对的两个端口上，且各压电元件200的中心均开有第一通孔210。质量块300夹持于第一压电元件2001和第二压电元件2002之间，且质量块300的中心开有第二通孔(图未示)。连接杆400穿过第一通孔210和第二通孔，并通过一紧固件500将质量块300与第一压电元件2001、第二压电元件2002固定。

本发明的实施例中，由于质量块300固定夹持于第一压电元件2001和第二压电元件2002之间，当地面传来振动声波时，质量块300仅在振动波的影响下可以上下运动，不能在水平方向上摆动。一方面，可防止该压电振动传感器在操作中跌落时因为质量块300左右摆动而使压电元件破碎。另一方面，压电元件数量的增加，增加了该压电振动传感器的整体性能，根据实验测试，相较于磁电式振动传感器，该压电振动传感器的信号响应速度可提高15倍，信号灵敏度可提高80倍，且不会出现信号饱和现象。该压电振动传感器可以对垂直方向的振动信号进行探测，几乎不受水平振动信号的影响，适用于较大深度的振动信号检测，大幅提升了埋地燃气PE管道位置探测设备的探测深度和探测距离。

在本示例中，金属管100主要起到两个作用，第一用于承载压电元件和质量块，第二用于传递振动声波，例如，具体的，该金属管为铜管。

在一个实施例中，连接杆400可以是螺栓、也可以是螺钉，紧固件500可以是与螺栓或螺钉相匹配的螺帽。连接杆400穿过分别位于质量块300中心、两个压电元件200中心的第二通孔和第一通孔210后被紧固件500固定，可保证质量块300在运动时压电元件200的各区域产生均匀形变，使得最终信号的测量更加准确稳定。

在一个实施例中，如图2所示，各压电元件200均包括弹簧片220以及两个压电陶瓷片230，其中，两个压电陶瓷片230分别贴附于弹簧片220的上下表面。质量块300运动时，引起弹簧片220的纵向舒张和收缩，这扩大了贴附于弹簧片220上下表面的压电陶瓷片所产生的形变，进一步提高了感测灵敏度。

具体的，本发明对弹簧片220的形状及材质不做限制，只要在质量块300运动时可引起纵向舒张、收缩，最终可扩大压电陶瓷片所产生的形变即可，例如，弹簧片220可以为圆形的黄铜片。

在一个具体的实施例中，两个压电陶瓷片230可分别粘贴于弹簧片220的上下表面，当然，两个压电陶瓷片230的贴附方式并不限于此。

在一个实施例中，如图3所示，各压电元件200中的两个压电陶瓷片230串联贴附于弹簧片220上。串联接法可以得到更高的信号幅值，适合信号较弱的环境使用。

在另一个实施例中，如图4所示，各压电元件200中的两个压电陶瓷片并联贴附于弹簧片220上。并联接法可以提高信号的信噪比。

以上两种接法均能满足该压电振动传感器对振动信号的检测，可根据实际被测对象灵活选择。

在一个实施例中，该压电振动传感器还包括两个压环600，两个压环600分别套设于第一压电元件2001和第二压电元件2002的外边沿上。压环600可提高该压电振动传感器的装配性。具体的，装配时，通过对压环施加均匀压力可将该压电振动传感器固定在安装位置。

在一个具体的实施例中，采用直径25mm，中心开孔3.2mm厚度为0.5mm的黄铜片，正反两面贴附0.2mm的P-51压电陶瓷片，贴附方式为串联方式，上下压电陶瓷片镀银电极层，且分别引出信号的正负极。用两片以上结构的压电元件，中间夹持43g直径为20mm的紫铜材质的质量块，外套一个直径25mm、壁厚1.5mm、高15mm的紫铜管后，通过螺栓和防松螺母紧固构成组合件，上下各扣压一个直径30mm的铝合金金属环上，构成压电振动传感器。

参照图5，实验采用一个470Hz，20W声波信号源，将信号源注入到一个埋深2米的天然气管道之中，信号沿管道在地下向地面传输。根据地面接收的信号幅度，来判断传感器对信号检测的灵敏度。

下表为该压电振动传感器和传统磁电式振动传感器在相同条件下的信号幅值实测数据：

由上表即可看出，本实施例提供的该压电振动传感器的性能大幅超越传统的磁电式振动传感器，且适用于较大深度的振动信号检测。

本示例实施方式还提供了一种拾音器，包括上述任一项实施例中的压电振动传感器。拾音器可捕获地下PE管道辐射到地面的声波信号并将其转换为电能信号，而本示例中提供的拾音器具有更高的灵敏度，有利于微弱信号的检测。

需要理解的是，上述描述中的术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，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发明实施例的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (10)

1.一种压电振动传感器，其特征在于，包括：

两端开口的金属管；

压电元件，中心开有第一通孔，所述压电元件的周边搭接于所述金属管的其中一端口上；

质量块，中心开有第二通孔；

连接杆，依次穿过所述第二通孔和所述第一通孔，并通过一紧固件将所述质量块固定悬挂于所述压电元件上。

2.根据权利要求1所述压电振动传感器，其特征在于，所述压电元件包括弹簧片以及两个压电陶瓷片，其中，两个所述压电陶瓷片分别贴附于所述弹簧片的上下表面。

3.根据权利要求2所述压电振动传感器，其特征在于，两个所述压电陶瓷片串联或并联贴附于所述弹簧片上。

4.根据权利要求1-3任一项所述压电振动传感器，其特征在于，还包括一压环，所述压环套设于所述压电元件的外边沿上。

5.一种压电振动传感器，其特征在于，包括：

两端开口的金属管；

压电元件，包括第一压电元件和第二压电元件，所述第一压电元件和第二压电元件的周边分别搭接于所述金属管相对的两个端口上，且各所述压电元件的中心均开有第一通孔；

质量块，夹持于所述第一压电元件和所述第二压电元件之间，且所述质量块的中心开有第二通孔；

连接杆，穿过所述第一通孔和所述第二通孔，并通过一紧固件将所述质量块与所述第一压电元件、所述第二压电元件固定。

6.根据权利要求5所述压电振动传感器，其特征在于，各所述压电元件包括弹簧片以及两个压电陶瓷片，其中，两个所述压电陶瓷片分别贴附于所述弹簧片的上下表面。

7.根据权利要求6所述压电振动传感器，其特征在于，各所述压电元件中的两个压电陶瓷片串联贴附于所述弹簧片上。

8.根据权利要求6所述压电振动传感器，其特征在于，各所述压电元件中的两个压电陶瓷片并联贴附于所述弹簧片上。

9.根据权利要求5-8任一项所述压电振动传感器，其特征在于，还包括两个压环，各所述压环分别套设于所述第一压电元件和所述第二压电元件的外边沿上。

10.一种拾音器，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的压电振动传感器。

Images