壓電式加速度傳感器的製造方法
2023-07-26 01:35:56
壓電式加速度傳感器的製造方法
【專利摘要】本發明涉及一種壓電式加速度傳感器，包括：殼體；與所述殼體相連的基座，所述基座包括從該基座延伸至所述殼體內的中心柱；容納於所述殼體內且從所述中心柱徑向向外依次設置的壓電元件組和質量塊；以及容納於所述殼體內且將所述壓電元件組和所述質量塊固定在所述中心柱上的預載筒。本發明的壓電式加速度傳感器能夠在任何溫度下均可採用剪切型結構。
【專利說明】壓電式加速度傳感器
【技術領域】
[0001]本發明屬於傳感器和換能器【技術領域】，具體地，涉及一種主要應用於機械設備的振動測試和監測的壓電式加速度傳感器。
【背景技術】
[0002]加速度傳感器是一種用於測量設備、物體等振動的機電傳感器，廣泛應用於航空航天、核能電力、船舶交通、生物醫學等各個行業領域。加速度傳感器按其原理可以分為壓電式、壓阻式、電容式、諧振式等多種類型，這其中壓電式加速度傳感器以其靈敏度高、使用溫度範圍寬、穩定性好等眾多優點，成為使用最為廣泛的加速度傳感器。特別是對於航空發動機、核電機組等環境溫度非常高的應用場合(通常高於400°C)，壓電式加速度傳感器是不可替代的選擇。
[0003]壓電式加速度傳感器是基於壓電材料的壓電效應而工作的。其原理是利用諸如壓電陶瓷或石英晶體等壓電材料的壓電效應，在加速度傳感器受振時，質量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。當被測振動頻率遠低於加速度傳感器的固有頻率時，則力的變化與被測加速度成正比。
[0004]目前使用較多的壓電式加速度傳感器的結構主要為壓縮型和剪切型。相對於壓縮型結構，剪切型結構通常具有更高的輸出、更小的尺寸、更大的帶寬和更低的橫向輸出等，因此成為了壓電式加速度傳感器設計時優先選用的結構。尤其值得一提的是，剪切型結構的壓電式加速度傳感器中，不直接與壓電元件接觸，因此具有更低的瞬變溫度靈敏度和更好的溫度性能。常溫的壓電式加速度傳感器現已普遍採用剪切型結構。但對於可在350°C以上高溫工作的商業壓電式加速度傳感器，卻大多採用壓縮型結構。
[0005]壓電式加速度傳感器的核心敏感元件為壓電元件，壓電元件主要分為壓電晶體和壓電陶瓷兩大類，由於壓電晶體材料價格昂貴、不易加工且壓電係數低，因此絕大多數壓電式加速度傳感器都採用壓電陶瓷材料作為壓電元件。而對於採用高溫壓電陶瓷材料作為敏感元件材料的壓電式加速度傳感器，剪切型結構難以實現對壓電元件等零件的固定。
[0006]這是由於，現有的剪切型結構的壓電式加速度傳感器中，對於壓電元件等零件一般有兩種固定方式，第一種固定方式是採用彈性材料加工成預緊筒，緊固在壓電元件和質量塊側邊，利用其彈性收縮將壓電元件固定在基座的中心柱上。例如，如圖1 (a)所示，在殼體18內，採用由彈性材料加工而成的預緊筒14，利用該預緊筒14的彈性收縮將壓電元件11和質量塊12固定在基座17的中心柱13上。
[0007]另一種固定方式是採用螺紋固定，S卩，將螺栓依次通過壓電元件、質量塊等，且在螺栓的梢端處用螺母擰緊，從而將各元件固定在中心柱上。例如，如圖1 (b)所示，在殼體18內，將螺栓15從質量塊12的徑向外側依次通過質量塊12、壓電元件11，並在穿過基座17的中心柱13後再依次通過壓電元件11、質量塊12，且在螺栓15的梢端處用螺母16擰緊，從而將各元件固定在中心柱13上。
[0008]如採用現有方法製作高溫剪切型壓電式加速度傳感器，上述第一種固定方式需要可在高溫下使用的彈性材料，而目前尚無此種材料，且此方法預緊力較小，導致壓電式加速度傳感器結構不夠牢固，不能承受較大的振動和衝擊。而上述第二種固定方式需要在壓電元件中心處開孔，以通過固定螺栓，但高溫壓電陶瓷材料由於極化難度大，一般僅能做到兩三毫米的高度，因此沒有足夠的高度來開孔以通過螺栓，而壓電晶體材料由於加工難度大，也不易在中心開孔。
[0009]另外，高溫壓電材料壓電係數低，尤其是高溫壓電晶體材料，壓電係數僅幾pC/g，而剪切型結構的質量塊重量不易做大，這樣會致使壓電式加速度傳感器的輸出靈敏度極低，無法滿足實際測試要求。綜上所述，現有的高溫壓電式加速度傳感器難以採用剪切型結構。
【發明內容】
[0010]鑑於以上所述，本發明所要解決的技術問題在於提供一種壓電式加速度傳感器，能夠在任何溫度下均可採用剪切型結構。
[0011]為了解決上述技術問題，本發明的壓電式加速度傳感器包括:殼體；與所述殼體相連的基座，所述基座包括從該基座延伸至所述殼體內的中心柱；容納於所述殼體內且從所述中心柱徑向向外依次設置的壓電元件組和質量塊；以及容納於所述殼體內且將所述壓電元件組和所述質量塊固定在所述中心柱上的預載筒。
[0012]根據本發明，通過預載筒直接對壓電元件組和質量塊施加預緊力來將壓電元件組和質量塊固定在基座的中心柱上，即通過預載筒在壓電元件組及質量塊零件平面上施加垂直於該平面的預緊力來固定這些零件，因而無需對壓電元件組等開固定孔即可進行預緊固定，且克服了現有在350°C以上高溫工作的壓電式加速度傳感器難以採用剪切型結構的問題。
[0013]本發明的壓電式加速度傳感器可適用於各種溫度的場合，並能應用於具有各種高度的壓電元件組，且預緊力可調，可對零件施加和壓縮型結構一樣較大的預緊力，從而該壓電式加速度傳感器結構穩定，能承受較大的振動和衝擊。從而，本發明的壓電式加速度傳感器可兼具壓縮型結構穩定可靠和剪切型結構橫向靈敏度低、溫度性能好的優點，且製作工藝簡單，因而可以廣泛應用於工業生產、科學研究和國防領域的高溫振動測量。另外，亦可應用於常溫和低溫領域。
[0014]在本發明中，也可以是，所述預載筒緊固於所述中心柱。
[0015]根據本發明，通過將預載筒緊固於所述中心柱，以此可有效地將壓電元件組和質量塊固定在中心柱上。優選地，該預載筒可通過焊接或螺紋連接等形式緊固於中心柱。
[0016]在本發明中，也可以是，包括圍繞所述中心柱均勻分布的多組所述壓電元件組和所述質量塊。
[0017]根據本發明，設有多組圍繞中心柱均勻分布的壓電元件組和質量塊，可以實現多組並聯，以增大傳感器輸出。
[0018]在本發明中，也可以是，所述壓電元件組由多個壓電元件並聯或並聯後再串聯而構成。
[0019]根據本發明，壓電元件組由多個壓電元件並聯或並聯後再串聯而構成，由此可使得壓電式加速度傳感器具有較高的靈敏度。[0020]在本發明中，也可以是，還包括:與所述壓電元件組相連的導電片；設於所述壓電元件組與所述質量塊之間以及所述壓電元件組與所述中心柱之間的絕緣片；設置於所述殼體上的接插件；以及連接於所述導電片與所述接插件之間的導線。
[0021]根據本發明，可通過絕緣片使壓電元件組與質量塊、中心柱形成絕緣，以對各部件進行絕緣保護；且可通過導線連接導電片與接插件，以將壓電元件組產生的電信號經導電片和導線通過接插件輸出到外部電纜。
[0022]在本發明中，也可以是，所述壓電元件為剪切型壓電元件。
[0023]根據本發明，更有利於降低壓電式加速度傳感器的橫向靈敏度、並提高該壓電式加速度傳感器的溫度性能。
[0024]在本發明中，也可以是，所述剪切型壓電元件包括高溫壓電元件。
[0025]根據本發明，更有利於在高溫下實現壓電式加速度傳感器的剪切型結構。
[0026]在本發明中，也可以是，所述高溫壓電元件包括高溫壓電陶瓷材料或高溫壓電晶體材料。
[0027]根據本發明，該高溫壓電元件可以是諸如CaBi4Nb4015、Bi3TiNbO9等的高溫壓電陶瓷材料或諸如LGS、LGT等的高溫壓電晶體材料，以進一步有利於在高溫下實現壓電式加速度傳感器的剪切型結構。
[0028]在本發明中，也可以是，所述殼體、基座、預載筒由耐高溫合金鋼材構成，且所述質量塊由高比重合金材料構成。
[0029]根據本發明，殼體、基座、預載筒均可採用諸如Inconel 600、Inconel 718等的耐高溫合金鋼材。且質量塊可採用高比重合金材料，該高比重合金可指一類以鎢為基體的合金，其密度高達16.5-19.0g/cm3，例如可以是97WNiWu。從而更有利於在高溫下實現壓電式加速度傳感器的剪切型結構，且可使得該壓電式加速度傳感器的結構更穩定可靠。
[0030]在本發明中，也可以是，所述導電片由耐高溫導電金屬材料構成，且所述絕緣片由耐高溫絕緣材料構成。
[0031]根據本發明，導電片可採用諸如高溫鋼、鉬金等的耐高溫導電金屬材料，有利於在高溫下傳輸電信號；且絕緣片可採用諸如氧化鋁的耐高溫絕緣材料，有利於在高溫下對壓電元件組、質量塊、中心柱等進行絕緣保護。
[0032]本發明可包含權利要求書和/或說明書和/或附圖中公開的至少兩個結構的任意組合。尤其是，本發明包含權利要求書的各項權利要求的兩個以上的任意組合。
[0033]根據下述【具體實施方式】並參考附圖，將更好地理解本發明的上述及其他目的、特徵和優點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0034]圖1是現有技術中的剪切型壓電式加速度傳感器的結構示意圖；
圖2是本發明的壓電式加速度傳感器的一實施形態的剖視圖；
圖3是本發明的壓電式加速度傳感器的一優先實施例的局部分解立體示意圖；
圖4是本發明的壓電式加速度傳感器的另一優選實施例的局部分解立體示意圖；
圖5是本發明的壓電式加速度傳感器中的壓電元件並聯的結構示意圖。【具體實施方式】
[0035]下面結合附圖，通過實施例進一步詳細說明本發明，但不以任何方式限制本發明的範圍。在所有附圖中相同或相應的部件標以相同或相似的附圖標記。
[0036]圖2是本發明的壓電式加速度傳感器的一實施形態的剖視圖。如圖2所示，本發明的壓電式加速度傳感器包括殼體28和與該殼體28相連的基座27。該基座27包括從其延伸至殼體28內的中心柱26。該壓電式加速度傳感器包括容納於殼體28內且從中心柱26徑向向外依次設置的壓電元件組21和質量塊24，以及容納於殼體28內且將壓電元件組21和質量塊24固定在中心柱26上的預載筒25。
[0037]本發明通過預載筒25直接對壓電元件組21和質量塊24施加預緊力來將壓電元件組21和質量塊24固定在基座27的中心柱26上，即通過預載筒25在壓電元件組21及質量塊24等零件平面上施加垂直於該平面的預緊力來固定這些零件，因而無需對壓電元件組21等開固定孔即可進行預緊固定，且克服了現有在350°C以上高溫工作的壓電式加速度傳感器無法採用剪切型結構的問題。
[0038]在本發明中，上述殼體28、基座27、預載筒25均可採用諸如Inconel 600、Inconel718等的耐高溫合金鋼材，且質量塊24可採用以鎢為基體的合金，其密度高達16.5-19.0g/cm3的高比重合金材料,例如97WNiWu,從而更有利於在高溫下實現壓電式加速度傳感器的剪切型結構，且可使得該壓電式加速度傳感器的結構更穩定可靠。
[0039]此外，預載筒25可緊固於中心柱26。例如，預載筒25可通過焊接或螺紋連接等形式緊固於中心柱26。以此可有效地將壓電元件組21和質量塊24固定在中心柱26上。且在該壓電式加速度傳感器使用時，上述基座27可以以三孔螺釘安裝方式、或中心M5螺紋安裝方式安裝在被測設備上。
[0040]在圖2所示的實施形態中，該壓電式加速度傳感器還包括與壓電元件組21相連的導電片22。此外，還包括設於壓電元件組21與質量塊24之間以及壓電元件組21與中心柱26之間的絕緣片23，可通過絕緣片23使壓電元件組21與質量塊24、中心柱26形成絕緣，以對各部件進行絕緣保護。還如圖2所示，該壓電式加速度傳感器還包括設置於殼體28上的接插件29，該接插件29例如可以是密封接插件。在導電片22與接插件29之間連接有導線22a。例如，如圖所示，該導線22a的一端連接至導電片22，另一端穿過預載筒25後連接至接插件29的插針30。由此，可將壓電元件組21產生的電信號經導電片22和導線22a通過接插件29輸出到外部電纜(圖示省略)。該導線22a可採用一定保護措施(如氧化鋁套管、絕緣鍍層等)以確保與外部絕緣。
[0041]另外，上述導電片22可採用諸如高溫鋼、鉬金等的耐高溫導電金屬材料，有利於在高溫下傳輸電信號。絕緣片23可採用諸如氧化鋁的耐高溫絕緣材料，有利於在高溫下對壓電元件組21、質量塊24、中心柱26等進行絕緣保護。
[0042]在本發明中，優選地，壓電元件組21和質量塊24可以設置成圍繞中心柱26均勻分布有多組，從而實現多組並聯，以增大傳感器輸出。
[0043]此外，上述壓電元件組21優選地可以由多個壓電元件並聯或並聯後再串聯而構成，由此可使得本發明的壓電式加速度傳感器具有較高的靈敏度。圖5是本發明的壓電式加速度傳感器中的壓電元件並聯的結構示意圖，包括壓電元件51和導電片52，其中箭頭所示的方向表示壓電元件極化方向。圖5 (a)示出了多個壓電元件51並聯構成壓電元件組，而圖5 (b)示出了多個壓電元件51並聯後再串聯而構成壓電元件組。
[0044]並且，上述壓電元件可以為剪切型壓電元件，優選地為高溫壓電元件。所謂高溫壓電元件通常指超出常溫範圍的壓電元件，例如為兩百多度等。在本發明中，該高溫壓電元件可以是諸如CaBi4Nb4015、Bi3TiNb09等的高溫壓電陶瓷材料或諸如LGS、LGT等的高溫壓電晶體材料，以進一步有利於在高溫下實現壓電式加速度傳感器的剪切型結構。
[0045]以下結合圖3和圖4的不同實施例進一步說明本發明的壓電式加速度傳感器的裝配過程。圖3是本發明的壓電式加速度傳感器的一優先實施例的局部分解立體示意圖；圖4是本發明的壓電式加速度傳感器的另一優選實施例的局部分解立體示意圖。圖3和圖4均只示出了圍繞中心柱26均勻分布的多組壓電元件組和質量塊中的一組。
[0046]如圖3所示，該壓電式加速度傳感器的敏感單元(即壓電元件組)由多片剪切型壓電片(即壓電元件)31、導電片32共同組成，多片壓電片31間為並聯結構形式，或多片並聯後再串聯；敏感單元通過絕緣片33與質量塊34、中心柱36形成絕緣，並通過導線與接插件的插針連接(圖示省略)。裝配時，首先用裝配夾具將絕緣片33、壓電片31、導電片32、質量塊34按順序依次疊放構成所需連接結構形式，並整齊固定在中心柱36上；接著將導線的一頭焊在導電片32上，另一頭通過預載筒35穿出；用壓力裝置將預載筒35壓緊在壓電元件組及質量塊等上，達到合適預壓力，再將預載筒35與中心柱36焊接固定；把裝配好的基座37裝入殼體後，將導線的另一頭與插針焊在一起，再將基座與殼體焊好。至此，該壓電式加速度傳感器裝配完畢。
[0047]圖4所示的實施例與圖3大致相同，其區別點在於預載筒和質量塊的結構以及預載筒的安裝方式。圖3所示的預載筒35為長方體形狀，且質量塊34也相應地為長方體形狀。而圖4所示的預載筒45為大致圓柱形狀，該預載筒45的軸向與多片壓電片41的排列方向大致平行。且質量塊44具備與該圓柱狀預載筒45的軸向端面相配合的端面。在圖4所示的實施例中，用力矩扳手將預載筒45與中心柱46通過螺紋連接擰緊，達到合適預壓力，再將預載筒45與中心柱46焊接固定。圖4中與圖3相同的結構不再贅述。
[0048]此外，本發明的剪切型高溫壓電式加速度傳感器在組裝前可對其相關零件進行超聲波清洗並進行表面處理和熱處理以達到產品更好的穩定性。
[0049]本發明的壓電式加速度傳感器可適用於各種溫度的場合，並能應用於具有各種高度的壓電元件組，且預緊力可調，可對零件施加和壓縮型結構一樣較大的預緊力，從而該壓電式加速度傳感器結構穩定，能承受較大的振動和衝擊。從而，本發明的壓電式加速度傳感器可兼具壓縮型結構穩定可靠和剪切型結構橫向靈敏度低、溫度性能好的優點，且製作工藝簡單，因而可以廣泛應用於工業生產、科學研究和國防領域的高溫振動測量。另外，亦可應用於常溫和低溫領域。
[0050]在不脫離本發明的基本特徵的宗旨下，本發明可體現為多種形式，因此本發明中的實施形態是用於說明而非限制，由於本發明的範圍由權利要求限定而非由說明書限定，而且落在權利要求界定的範圍、或其界定的範圍的等價範圍內的所有變化都應理解為包括在權利要求書中。
【權利要求】
1.一種壓電式加速度傳感器，其特徵在於，包括: 殼體； 與所述殼體相連的基座，所述基座包括從該基座延伸至所述殼體內的中心柱； 容納於所述殼體內且從所述中心柱徑向向外依次設置的壓電元件組和質量塊；以及 容納於所述殼體內且將所述壓電元件組和所述質量塊固定在所述中心柱上的預載筒。
2.根據權利要求1所述的壓電式加速度傳感器，其特徵在於，所述預載筒緊固於所述中心柱。
3.根據權利要求1所述的壓電式加速度傳感器，其特徵在於，包括圍繞所述中心柱均勻分布的多組所述壓電元件組和所述質量塊。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的壓電式加速度傳感器，其特徵在於，所述壓電元件組由多個壓電元件並聯或並聯後再串聯而構成。
5.根據權利要求1所述的壓電式加速度傳感器，其特徵在於，還包括: 與所述壓電元件組相連的導電片； 設於所述壓電元件組與所述質量塊之間以及所述壓電元件組與所述中心柱之間的絕緣片； 設置於所述殼體上的接插件；以及 連接於所述導電片與所述接插件之間的導線。
6.根據權利要求4所述的壓電式加速度傳感器，其特徵在於，所述壓電元件為剪切型壓電元件。
7.根據權利要求6所述的壓電式加速度傳感器，其特徵在於，所述剪切型壓電元件包括高溫壓電元件。
8.根據權利要求7所述的壓電式加速度傳感器，其特徵在於，所述高溫壓電元件包括高溫壓電陶瓷材料或高溫壓電晶體材料。
9.根據權利要求1至3中任一項所述的壓電式加速度傳感器，其特徵在於，所述殼體、基座、預載筒由耐高溫合金鋼材構成，且所述質量塊由高比重合金材料構成。
10.根據權利要求5所述的壓電式加速度傳感器，其特徵在於，所述導電片由耐高溫導電金屬材料構成，且所述絕緣片由耐高溫絕緣材料構成。
【文檔編號】G01P15/09GK103675341SQ201310732589
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月26日 優先權日:2013年12月26日
【發明者】毛利萍, 李鑫, 董顯林, 王根水 申請人:中國科學院上海矽酸鹽研究所