CN86209155U - 聚偏氟乙烯压电薄膜加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种新型加速度传感器。由一个质量块和至少一片张紧的聚偏氟乙烯压电薄膜构成该传感器的核心部分。质量块感受被测物体的加速度使聚偏氟乙烯压电薄膜产生机械变形，从而在薄膜的内、外表面上产生正负相反的异性电荷，并通过薄膜表面上的导电层电极将反映被测物体加速度变化的电信号引出来。这种加速度传感器与压电晶体加速度传感器相比，具有耐冲击、结构简单、易于加工、装配和成本低廉的优点。

Description

本发明涉及一种新型的加速度传感器。

现有的压电式加速度传感器，一般都是用压电石英或压电陶瓷等无机压电材料作为转换元件的。无机压电材料是脆性材料，加工难度大、要求高、装配也较为复杂，因而，成本也较高。而且加工、装配和使用过程中容易破碎损坏。

本发明的目的是针对现有压电式加速度传感器的缺点进行改进，为用户提供结构简单、便于加工、耐冲击，不易损坏、价格低廉的加速度传感器。

本发明的技术方案是，在包括基座、壳体、电缆插座、惯性质量块和敏感元件的加速度传感器中，由至少一片张紧的聚偏氟乙烯压电薄膜作为敏感元件，在基座与壳体之间有一个压电薄膜张紧装置，被张紧的压电薄膜与惯性质量块直接接触。基座上装有电缆插座，可以引出与加速度成比例的电信号。在工作状态下，基座被固定在被测物体上。该传感器中张紧装置上的压电薄膜与质量块构成一个单自由度的“质量－弹簧”系统，即压电薄膜起了弹簧的作用。传感器中的质量块能感受被测物体的加速度，由于质量块本身的惯性而使张紧的压电薄膜在被测物体加速度作用下产生微小的机械变形，聚偏氟乙烯压电薄膜的微小机械变形导致压电薄膜的内、外表面产生正负相反的异性电荷，由于在聚偏氟乙烯压电薄膜的表面上有一层导电物质，这些电荷将通过压电薄膜表面上的导电层电极给出反应被测物体加速度变化的电信号，经电缆插座引出。在被测物体的振动频率远小于“质量块－压电薄膜”系统的自身共振频率时，并且在薄膜机械变形量不大时，压电薄膜输出的电信号与被测物体的加速度成正比。

本发明的新型加速度传感器，所采用的聚偏氟乙烯压电材料的压电常数相当于石英的数十倍，材料柔性和韧性好，加工容易、成本低。在使用中这种传感器具有耐冲击和不易损坏的优点。试验结果表明，这种传感器的性能与压电晶体加速度传感器基本一致。在很多场合可用本发明传感器替代压电晶体加速度传感器。

根据本发明的技术方案和不同应用场合的具体要求，本发明的加速度传感器可以具有多种具体结构，下面结合附图详细地说明两种不同结构的实施例。

图1是有一片压电薄膜的传感器结构的示意图。

图2是有两片压电薄膜的传感器结构的示意图。

参见图1：〔1〕是惯性质量块；〔2〕是聚偏氟乙烯压电薄膜；〔3〕是预紧弹性元件；〔4〕是预紧螺钉；〔5〕是壳体；〔6〕是输出信号线；〔7〕是基座；〔8〕是电缆插座。

由基座〔7〕、惯性质量块〔1〕、压电薄膜〔2〕、预紧弹性元件〔3〕和预紧螺钉〔4〕组成压电薄膜〔2〕的张紧装置。惯性质量块〔1〕与张紧的压电薄膜〔2〕的导电层紧密接触。张紧螺钉〔4〕旋进基座中心的螺纹孔中，预紧弹性元件〔3〕置于张紧螺钉〔4〕和惯性质量块〔1〕之间。用张紧螺钉〔4〕可以调节压电薄膜〔2〕的张紧程度。压电薄膜〔2〕的内表面导电层为一个电极与基座〔7〕和电缆插座〔8〕的外壳相连接。压电薄膜的外表面为另一个导电层电极，经输出信号线〔6〕与电缆插座〔8〕的芯线连接。基座〔7〕和壳体〔5〕为金属件，构成一个封闭的金属外壳，兼有屏蔽电磁干扰的作用。基座〔7〕由一个中心带有螺纹通孔的圆柱体和一个底部与圆柱体相连的、包围圆柱体的圆环构成，圆柱体顶部有一个与圆柱体同心的凹下的圆台。惯性质量块〔1〕由外径不同的小轴和大轴构成阶梯轴，小轴插在基座圆柱体顶部的凹台内，大轴的外径与基座圆柱体外径相同。压电薄膜〔2〕紧套在惯性质量块和基座〔7〕的圆柱体外面，在薄膜和惯性块的小轴之间形成一个环状空腔。

图1所示结构的聚偏氟乙烯压电薄膜加速度传感器是这样工作的：传感器固定在被测量的物体上。当被测物体有加速度变化时，惯性质量块〔1〕受到惯性力作用而相对机座〔7〕出现微小的相对位移。与惯性质量块接触的压电薄膜〔2〕和惯性质量块〔1〕一起运动导致压电薄膜〔2〕产生微小的机械变形，这样就使压电薄膜〔2〕的内部张力发生变化，在压电薄膜〔2〕中产生横向压电效应。压电薄膜〔2〕的内、外表面呈现正负相反的异性电荷，并通过压电薄膜〔2〕表面导电层电极与输出信号线〔6〕和电缆插座〔8〕芯线引出此电信号。

被测物体在一定频率范围内，传感器输出的电信号与传感器所受的加速度成正比。

图2是本发明的聚偏氟乙烯压电薄膜加速度传感器的另一种实施例。

参见图2：〔2〕是聚偏氟乙烯压电薄膜；〔5〕壳体；〔6〕输出信号线；〔7〕基座；〔8〕电缆插座；〔9〕球形质量块；〔10a〕与〔10b〕是张紧框架；〔11a〕与〔11b〕是张紧压环；〔12〕是小钢球；〔13〕是环形导电片，〔14〕是内圆环凸台；〔15〕是外圆环凸台。

张紧装置由含内圆锥面的张紧框架〔10a〕与〔10b〕、含外圆锥面（其外圆锥度与张紧框架内圆锥度相同）的张紧压环〔11a〕与〔11b〕、环形导电片〔13〕、球形质量块〔9〕、聚偏氟乙烯压电薄膜〔2〕、小钢球〔12〕和壳体〔5〕组成。张紧装置位于基座〔7〕上。聚偏氟乙烯压电薄膜共2片，呈园形，分别装于张紧框架与张紧压环之间。球形质量块〔9〕位于两片压电薄膜之间并自动保持在压电薄膜的园心上。基座〔7〕是一个圆柱形体，基座底部有一个带螺纹的孔，基座上部有内外园环凸台。张紧装置位于基座〔7〕的内园环凸台〔14〕上，该内圆环凸台〔14〕中心有凹下部位可增大惯性质量球的运动腔，外园凸台〔15〕低于内园凸台〔14〕，外园凸台〔15〕带有外螺纹，与壳体〔5〕的内螺纹啮合。基座〔7〕与壳体〔5〕构成一个封闭的传感器外壳，能屏蔽电磁干扰。压电薄膜〔2〕与球形质量块〔9〕相接触的那个表面的导电层电极经过张紧框架〔10a〕与〔10b〕、环形导电片〔13〕、输出导线〔6〕接到电缆插座〔8〕芯线，构成输出电信号的一条通路，压电薄膜另一个表面的导电层电极经过张紧压环〔11a〕与〔11b〕、小钢球〔12〕、壳体〔5〕、基座〔7〕构成另一条通路。

图2结构的加速度传感器工作原理与图1结构的加速度传感器基本相同。

以上所述的两个传感器的典型实施例子的共同优点是坚固而又抗冲击，在意外引起的冲击（如落地）中不易损坏。结构简单，对零件加工和装配的精度要求不高。另外由于所用敏感元件材料是聚偏氟乙烯压电薄膜，与常规的无机压电晶体材料相比价廉，且加工容易，可使制造成本下降。图1所示传感器还具有工作频率范围宽的突出优点，谐振频率可高达10KH₂，能在高频振动测量中使用。图2所示传感器对横向灵敏度具有自然补偿作用，可以把横向灵敏度控制在很小而不需要提高零件的加工和装配精度。这对于加速度传感器来说是一个难得的优点。在实际振动测量中，发明人用上述加速度传感器与传统压电晶体加速度传感器作了对照试验。实验结果是一致的。说明本发明所述加速度传感器的测试结果是一致的。说明本发明加速度传感器的测试结果是可信的。

上述传感器实例中各零件，除压电薄膜外，大都用金属材料制造。但也可以用非金属材料，例如塑料、有机玻璃等制造，仍然能实现本发明的构思。在不违背本发明基本构思的前提下，可以对结构进行某些非实质性的微小改动。

Claims (5)

1、一种新型加速度传感器，包括基座、壳体、电缆插座、惯性质量块和敏感元件，其特征在于，

(1)至少有一片张紧的聚偏氟乙烯压电薄膜作为敏感元件，

(2)在基座与壳体之间有一个压电薄膜张紧装置，

(3)被张紧的压电薄膜与惯性质量块直接接触。

2、根据权利要求1的传感器，其特征在于，在聚偏氟乙烯压电薄膜的表面上有导电层。

3、根据权利要求2的传感器，其特征在于，

（1）基座由一个中心带有螺纹通孔的圆柱体和一个底部与圆柱体相连的、包围圆柱体的圆环构成，圆柱体顶部有一个与圆柱体同心的凹下的圆台，

（2）惯性质量块由外径不同的小轴和大轴构成阶梯轴，小轴插在基座圆柱体顶部的凹台内，大轴的外径与基座圆柱体外径相同，

（3）压电薄膜紧套在惯性质量块和基座圆柱体外面，在压电薄膜和惯性质量块的小轴之间形成一个环状空腔，

（4）张紧装置由基座、惯性质量块、压电薄膜、预紧弹性元件和预紧螺钉组成，张紧螺钉旋进基座中心的螺纹孔中，预紧弹性元件置于张紧螺钉和惯性质量块之间。

4、根据权利要求2的传感器，其特征在于，

（1）基座是一个圆柱形体，其底部中心有一个带螺纹的孔，基座上部有内、外圆环凸台，张紧装置位于基座的内圆环凸台上，内圆环凸台中心有凹下部位可增大惯性质量球的运动腔，外圆环凸台低于内圆环凸台，外圆环凸台带有外螺纹，与壳体的内螺纹啮合。

（2）张紧装置由张紧框架、张紧压环、环形导电片、球形质量块、聚偏氟乙烯压电薄膜、小钢球和壳体组成，张紧装置位于基座上。

（3）、聚偏氟乙烯压电薄膜共2片、呈圆形，分别装于张紧框架和张紧压环之间。

（4）惯性质量块是球体，位于两片压电薄膜之间。

5、根据权利要求5的传感器，其特征在于，压电薄膜与球体质量块相接触的那个表面的导电层经张紧框架、环形导电片、输出导线接到电缆插座芯线构成输出电信号的一条通路，压电薄膜另一个表面的导电层经过张紧压环、小钢球、壳体和基座构成另一条通路。

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