CN212780878U - 可实时检测工作状态的压电式加速度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可实时检测工作状态的压电式加速度传感器。包括基座，基座上固定外壳，外壳里面固定有传感器芯体，外壳上设置有线缆接头，线缆接头连接信号输出线缆；传感器芯体包括芯体底座，芯体底座中间具有方形底座立柱，方形底座立柱的两侧分别设置有一个平面剪切型的信号采集压电陶瓷，每个信号采集压电陶瓷外套装质量块，质量块外通过一个预紧环固定，方形底座立柱上面打孔并用导电胶固定环形剪切型的激励压电陶瓷，所述芯体底座上套装有芯体外壳，所述芯体外壳内设置有台阶安装线路板，所述芯体外壳上部设置有盖板，所述盖板上设置有转接板。本发明可以实时、方便、快速检查传感器是否处于正确安装状态、工作是否正常。
Description
技术领域：
本发明涉及一种可实时检测工作状态的压电式加速度传感器，属于传感器测量技术领域。
背景技术：
近年来，随着工业物联网、工业4.0、新基建等产业的快速发展，对于传感器的需求也日益增多。压电式加速度传感器是以压电材料为转换元件，输出与加速度成正比的电信号。具有结构简单、刚度大、动态范围宽、频响宽、工作可靠等一系列优点，目前已成为振动冲击测量中使用最广泛的一种传感器。
加速度传感器的高频特性取决于传感器的安装谐振频率。安装谐振频率直接影响传感器的测量频率上限，测量频率上限通常是安装谐振频率的1/5～1/3。
为使加速度传感器获得精确而有效的数据，必须采用适当的方法将其安装到被测的结构物上，不能因为安装带来任何失真。安装方法有很多种，如螺钉安装、磁力座安装、粘接安装、顶杆安装等等，它们适合于不同的应用场合。但是传感器安装之后，随着被测物不停振动，可能会出现安装松动的现象，改变传感器的安装谐振频率，进而改变传感器的高频特性，使得输出信号出现较大偏差，测试数据不可信，在某些工业控制场合，甚至会误报警带来很大损失。因此，如果可以实时检测传感器的工作状态，在发现传感器有松动的苗头时及时进行预紧，则可避免因传感器松动造成测试数据失真或误报警。
发明内容：
本发明的目的是针对上述存在的问题提供一种可实时检测工作状态的压电式加速度传感器，可以实时、方便、快速检查传感器是否处于正确安装状态、工作是否正常，取代了耗时很长的目视检查和手动检查，避免因传感器松动造成测试数据不准确或者误报警。
上述的目的通过以下的技术方案实现：
一种可实时检测工作状态的压电式加速度传感器，包括基座，所述基座上固定外壳，所述外壳里面固定有传感器芯体，所述外壳上设置有线缆接头，所述线缆接头连接信号输出线缆；所述传感器芯体包括芯体底座，所述芯体底座中间具有方形底座立柱，所述方形底座立柱的两侧分别设置有一个平面剪切型的信号采集压电陶瓷，每个所述信号采集压电陶瓷外套装质量块，所述质量块外通过一个预紧环固定，所述方形底座立柱上面打孔并用导电胶固定环形剪切型的激励压电陶瓷，所述芯体底座上套装有芯体外壳，所述芯体外壳内设置有台阶安装线路板，所述芯体外壳上部设置有盖板，所述盖板上设置有转接板。
所述的可实时检测工作状态的压电式加速度传感器，所述外壳和芯体外壳通过激光焊接连接在一起，所述外壳和线缆接头通过激光焊接连接在一起，所述传感器芯体通过胶固定在外壳内。
所述的可实时检测工作状态的压电式加速度传感器，所述传感器芯体输出4芯线，两芯作为信号激励用，分别连接激励压电陶瓷的正负极；另外两芯作为信号采集用，分别连接信号采集压电陶瓷的正负极。
有益效果：
本发明在压电式加速度传感器内部，设置两组压电元件，其中一组激励压电陶瓷利用压电逆效应进行振动激励，另一组信号采集压电陶瓷利用压电效应采集振动信号。数据采集系统内置信号源输出周期性电荷信号控制激励压电元件，另一通道采集传感器输出，通过分析传感器输出信号与激励电荷信号之间的关系可以得到压电式加速度传感器的安装谐振频率。传感器初次安装时，进行上述操作，得到传感器初始安装谐振频率并保存数据。在监测的过程中，随时可以进行上述操作得到传感器当前安装谐振频率，如果偏离初始安装谐振频率超过设定的阈值范围，则判断传感器的安装状态发生改变，工作不正常，需要检查传感器的安装状态。利用这种检测系统和方法，可以实时、方便、快速检查传感器是否处于正确安装状态、工作是否正常，取代了耗时很长的目视检查和手动检查，避免因传感器松动造成测试数据不准确或者误报警。
附图说明：
图1是本发明的压电式加速度传感器的整体结构示意图。
图2是本发明的压电式加速度传感器的传感器芯体的立体结构示意图。
图3是本发明压电式加速度传感器的传感器芯体的剖面图。
图1-图3中，1、基座；2、外壳；3、线缆接头；4、线缆护套；5、信号输出线缆；6、传感器芯体；61、转接板；62、线路板；63、信号采集压电陶瓷；64、芯体外壳；65、芯体底座；66、盖板；67、激励压电陶瓷；68、预紧环；69、质量块。
图4是简化后的惯性力学模型。
图5本发明的实施例中测得的传感器频响曲线。
具体实施方式：
如图1-2所示，本发明的可实时检测工作状态的压电式加速度传感器，包括基座1，所述基座上固定外壳2，所述外壳里面固定有传感器芯体6，所述外壳上设置有线缆接头3，所述线缆接头连接信号输出线缆5，所述线缆接头处设置有线缆护套4；所述传感器芯体包括芯体底座65，所述芯体底座中间具有方形底座立柱，所述方形底座立柱的两侧分别设置有一个平面剪切型的信号采集压电陶瓷63，每个所述信号采集压电陶瓷外套装质量块69，所述质量块外通过一个预紧环68固定，所述方形底座立柱上面打孔并用导电胶固定环形剪切型的激励压电陶瓷67，所述芯体底座上套装有芯体外壳64，所述芯体外壳内设置有台阶安装线路板62，所述芯体外壳上部设置有盖板66，所述盖板上设置转接板61。
所述的可实时检测工作状态的压电式加速度传感器，所述外壳和芯体外壳通过激光焊接连接在一起，所述外壳和线缆接头通过激光焊接连接在一起，所述传感器芯体通过胶固定在外壳内。
所述的可实时检测工作状态的压电式加速度传感器，所述传感器芯体输出4芯线，两芯作为信号激励用，分别连接激励压电陶瓷的正负极；另外两芯作为信号采集用，分别连接信号采集压电陶瓷的正负极。
上述可实时检测工作状态的压电式加速度传感器的工作状态检测方法，该方法为：在所述压电式加速度传感器安装后，通过数据采集仪器内置信号源，对所述压电式加速度传感器内部的激励压电陶瓷施加周期性电荷信号，使其发生变形，在所述压电式加速度传感器的基座上施加作用力，该作用力传递到所述压电式加速度传感器的质量块上，使得信号采集压电陶瓷有相应输出，通过分析对比响应信号和施加的电荷信号之间的频响函数，获得传感器安装谐振频率，判断传感器安装谐振频率是否发生偏移，进而判断传感器的工作状态是否正常。
将刚性安装在被测物上的加速度传感器简化为一个质量块-弹簧系统。其中ma、mb和mc分别是被测物质量、加速度传感器的基座质量和内部质量块质量。传感器与被测体之间由刚度为k1的弹簧连接，传感器的基座及质量块由刚度为k2的弹簧连接。xa是被测体的位移，xb是传感器基座的位移和xc是传感器质量块的位移。传感器输出4芯线，两芯作为信号激励用，分别连接激励压电陶瓷的正负极；另外两芯作为信号采集用，分别连接信号采集压电陶瓷的正负极。如图3所示。
列矩阵方程如下：
对激励压电陶瓷施加周期性电荷，使其拉伸和收缩；这样就会在传感器基座上施加作用力。同时，数采系统测量加速度传感器的信号采集压电陶瓷的输出响应。根据响应和所施加电荷之间的频率响应函数，可以通过分析获得传感器的安装谐振频率。
图5比较了传感器刚性安装到大质量的被测物上时、小质量的被测物以及自由悬挂三种状态下的频响曲线。当压电式加速度传感器刚性地安装到在大质量的被测物上时的频响曲线如图5的虚线曲线所示；当压电式加速度传感器刚性地安装到在小质量的被测物上(如薄片、木材等)时的频响曲线如图5的实线曲线所示；当压电式加速度传感器自由悬挂时的频响曲线如图5的点划线曲线所示。
如果在测试过程中，如果传感器发生松动，则传感器与被测体之间连接弹簧的刚度k1发生变化，其安装谐振频率发生偏移。如果传感器从被测体上松动脱落，其频响曲线更像与自由悬挂的加速度传感器对应的点划线曲线。
上述实施仅仅是为清楚地说明本发明所做描述，而并非对实施方式的限定，对于所属领域的技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或者变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，而由此引申出的显而易见的变化或者变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (3)
1.一种可实时检测工作状态的压电式加速度传感器，包括基座，所述基座上固定外壳，所述外壳里面固定有传感器芯体，所述外壳上设置有线缆接头，所述线缆接头连接信号输出线缆；其特征在于，所述传感器芯体包括芯体底座，所述芯体底座中间具有方形底座立柱，所述方形底座立柱的两侧分别设置有一个平面剪切型的信号采集压电陶瓷，每个所述信号采集压电陶瓷外套装质量块，所述质量块外通过一个预紧环固定，所述方形底座立柱上面打孔并用导电胶固定环形剪切型的激励压电陶瓷，所述芯体底座上套装有芯体外壳，所述芯体外壳内设置有台阶安装线路板，所述芯体外壳上部设置有盖板，所述盖板上设置有转接板。
2.根据权利要求1所述的可实时检测工作状态的压电式加速度传感器，其特征在于，所述外壳和芯体外壳通过激光焊接连接在一起，所述外壳和线缆接头通过激光焊接连接在一起，所述传感器芯体通过胶固定在外壳内。
3.根据权利要求1所述的可实时检测工作状态的压电式加速度传感器，其特征在于，所述传感器芯体输出4芯线，两芯作为信号激励用，分别连接激励压电陶瓷的正负极；另外两芯作为信号采集用，分别连接信号采集压电陶瓷的正负极。
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| CN202022055500.9U Active CN212780878U (zh) | 2020-09-18 | 2020-09-18 | 可实时检测工作状态的压电式加速度传感器 |
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