一種壓電式三維加速度傳感器的製作方法

2023-11-10 18:43:42

專利名稱：一種壓電式三維加速度傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及加速度傳感器，具體講，是涉及能進行三維加速度測量的壓電式加速度傳感器。
背景技術：
壓電式三維加速度傳感器可以同時測量空間三個方向的振動或衝擊加速度。目前，公知的壓電式三維加速度傳感器主要採取兩種方案，一種是由在以金屬殼體中裝入三隻具有獨立輸出的單向加速度傳感器，它們相互垂直安裝在一起而組成，這類傳感器的體積和自重都偏大；另一種是剪切、壓縮複合型三維壓電加速度傳感器，如圖1所示，它是將三組壓電元件按最大靈敏度軸互成90°角的方式組合後安裝在基座上，然後在壓電元件上裝上慣性質量塊預緊後，將殼體和基座焊接在一起，但這種壓電式三維加速度傳感器在外部振動力較小時輸出信號微弱，靈敏度不高，同時還不能克服因環境的變化而引起的測量誤差。

發明內容
本發明要解決的技術是，克服現有的壓電式三維加速度傳感器之不足，提出一種不但結構簡單、重量輕、易於加工製造、在外力較小時其輸出信號強、靈敏度高，同時還能克服因環境的變化給測量帶來的誤差的一種壓電式三維加速傳感器。
解決本發明的技術問題所採用的技術方案是這樣一種壓電式三維加速度傳感器。與現有的傳感器相同的方面是，該傳感器包括基座、罩裝在該基座上的帶插座的殼體、通過預緊螺栓固定地安裝在該殼體內的基座安裝盤上的壓電元件、絕緣墊片和慣性質量塊、以及連接壓電元件與插座的信號引線。其改進之處是，其中的基座為隔離基座——通過該基座軸線的豎直截面為工字型，工字型的上一橫劃部分是基座安裝盤，該基座安裝盤是其垂直於基座軸線的截面為正方形的一個長方體，基座軸線通過正方形的中心。通過擰在該基座上與其軸線同軸的預緊螺栓、在基座安裝盤的上表面上從下到上依次固定有絕緣墊片、一個晶片定位架、絕緣墊片和慣性質量塊。其中的晶片定位架也是其垂直於基座軸線的截面為正方形的一個長方體，基座軸線通過該正方形的中心，且晶片定位架的正方形截面與基座安裝盤的正方形截面相等。在該晶片定位架中有均勻分布的八個尺寸相等的正方形的安裝壓電元件在其內的晶片定位孔，各晶片定位孔的中心連線為正方形、各晶片定位孔的四邊均對應地與晶片定位架的四邊平行。本發明的壓電元件為石英晶片，安裝定位在其中心連線四角定位孔中的石英晶片均為X0°切型石英晶片，這四塊晶片的最大靈敏度軸均垂直於基座安裝盤的上表面、且相鄰角晶片的最大靈敏度軸的軸向相反；安裝定位在中心連線四邊中點處定位孔中的石英晶片均為Y0°切型石英晶片，其中相對兩塊晶片的最大靈敏度軸同軸、且其方向相反。各石英晶片的厚度相等、且不小於晶片定位架的厚度；各石英晶片通過信號引線、插座，與差動式電荷放大器連接。
當本發明的傳感器感應到平行於預緊螺栓方向(設為Z向)的加速度時，傳感器中的慣性質量塊將產生一個與該加速度方向相反的慣性力，這時，由於預緊力的原因，一對晶片相當於受拉，另一對晶片相當於受壓，結果在兩對X0°切型石英晶片的表面上產生正負變化的電荷；當本發明的傳感器感應到一個既垂直於預緊螺栓方向、又垂直於晶片定位架的一個側面(設為X向)、或者一個既垂直於預緊螺栓方向、又垂直於晶片定位架的另一個側面(設為Y向)的加速度時，該慣性質量塊將產生一個與上述加速度方向相反的慣性力，於是，定位在兩組對邊中點定位孔中的兩片Y0°切型石英晶體片的上表面上也將分別產生正電荷和負電荷的電荷變化；同理，當本發明的傳感器同時感應到三個方向的加速度時，八個定位孔中的石英晶片將產生相應的正負變化的電荷，這些不同的正負變化的電荷信號通過各個電極、信號引線、插座、最終傳遞到差動式電荷放大器，這樣，就實現了對被測的三維加速度的差動式測量。
本發明的有益效果是與現有的在金屬殼體中裝入三隻相互垂直的具有獨立輸出的單向加速度傳感器組成的壓電式三維加速度傳感器相比較，本發明的傳感器由於只有一個慣性質量塊，故重量輕、結構簡單、易於加工製造；與現有的將三組壓電元件按最大靈敏度軸互成90°的方式組合後安裝在基座上的傳感器相比較，由於採用了差動測量方式的原因，在外力較小時其輸出信號強，其靈敏度高，能克服因環境的變化給測量帶來的誤差。
下面結合附圖對本發明作進一步的說明。


圖1是現有的一種壓電式三維加速度傳感器中的內部結構簡圖；圖2是本發明的結構簡圖；圖3是圖2的俯視圖；圖4是圖2中的晶片定位架及其石英晶片的安裝圖；圖5是圖4的俯視圖；圖6是圖4中一片石英晶片的結構簡圖。
具體實施例方式
一種壓電式三維加速度傳感器(參考圖2、3、4、5)。該傳感器包括基座、罩裝在該基座上的帶插座2的殼體、通過預緊螺栓固定地安裝在該殼體內的基座安裝盤上的壓電元件、絕緣墊片和慣性質量塊、以及連接壓電元件與插座2的信號引線。其中基座1為隔離基座——通過該基座軸線的豎直截面為工字型，工字型的上一橫劃部分是基座安裝盤11，該基座安裝盤11是其垂直於基座軸線的截面為正方形的一個長方體，基座軸線通過正方形的中心。通過擰在該基座1上與其軸線同軸的預緊螺栓、在基座安裝盤11的上表面上從下到上依次固定有絕緣墊片4、一個晶片定位架3、絕緣墊片4和慣性質量塊6。其中的晶片定位架3也是其垂直於基座軸線的截面為正方形的一個長方體，基座軸線通過該正方形的中心，晶片定位架3的正方形截面與基座安裝盤11的正方形截面相等。在該晶片定位架3中有均勻分布的八個尺寸相等的正方形的安裝壓電元件在其內的晶片定位孔，各晶片定位孔的中心連線為正方形、各晶片定位孔的四邊均對應地與晶片定位架3的四邊平行。所有的壓電元件均為石英晶片(81、82、83、84、85、86、87、88)，安裝定位在其中心連線四角定位孔中的石英晶片(81、83、85、87)均為X0°切型石英晶片，這四塊晶片(81、83、85、87)的最大靈敏度軸均垂直於基座安裝盤11的上表面、且相鄰角晶片的最大靈敏度軸的軸向相反；安裝定位在中心連線四邊中點處定位孔中的石英晶片(82、84、86、88)均為Y0°切型石英晶片，其中相對的兩塊晶片(82與86、84與88)的最大靈敏度軸同軸、且其方向相反(參見圖5中的箭頭方面)；所有的石英晶片(81、82、83、84、85、86、87、88)的厚度相等、且不小於晶片定位架3的厚度；各石英晶片(81、82、83、84、85、86、87、88)通過信號引線、插座2，與差動式電荷放大器連接。
通過上述具體實施方式
的披露，再結合方案中對本發明原理的介紹和優越性的說明，本領域的技術人員已完全能夠再現本發明了。故，上述具體實施方式
也是以下各例的總述，在以下各例中，與該總述相同的內容不贅述。
實施例1(參考圖4、5、6)本例是在總述部分的基礎上，在提高本發明加工工藝性方面的進一步細化，在本例中，各石英晶片(81、82、83、84、85、86、87、88)的兩面均各有一個與對應的信號引線連接的電極(801、802)，所有電極(801、802)均位於晶片定位架3的邊緣。
實施例2(參考圖2)本例是在總述部分或實施例1的基礎上，針對其中的隔離基座的具體舉例。在本例中，隔離基座1腰間環槽的實體部分的橫截面為正方形(該橫截面視圖未畫)，其四邊與基座安裝盤11的四邊平行，其周長等於基座安裝盤11周長的1/2(顯然，該環槽的實體部分與基座安裝盤11的軸線均與預緊螺栓同軸)。
實施例3(參考圖2)本例是在總述部分或實施例1的基礎上，針對其中的隔離基座的具體舉例。在本例中，隔離基座1腰間環槽的實體部分的橫截面為圓形(該橫截面視圖未畫)，其直徑為安裝盤11任一邊長的1/2。
實施例4(參考圖2、3)本例是在總述部分、實施例1或實施例2的基礎上，針對其中預緊螺栓的舉例。在本例中，預緊螺栓由一根雙頭螺杆51與一個預緊螺母52構成，所述慣性質量塊6的上表面有容納下該預緊螺母52、且該預緊螺母52及其對應的螺桿頭不超出該上表面的沉孔。
權利要求
1.一種壓電式三維加速度傳感器，該傳感器包括基座、罩裝在該基座上的帶插座(2)的殼體、通過預緊螺栓固定地安裝在該殼體內的基座安裝盤上的壓電元件、絕緣墊片和慣性質量塊、以及連接壓電元件與插座(2)的信號引線，其特徵在於，所述基座(1)為隔離基座，通過該基座軸線的豎直截面為工字型，工字型的上一橫劃部分是基座安裝盤(11)，該基座安裝盤(11)是其垂直於基座軸線的截面為正方形的一個長方體，基座軸線通過正方形的中心；通過擰在該基座(1)上與其軸線同軸的預緊螺栓、在基座安裝盤(11)的上表面上從下到上依次固定有絕緣墊片(4)、一個晶片定位架(3)、絕緣墊片(4)和慣性質量塊(6)；其中的晶片定位架(3)也是其垂直於基座軸線的截面為正方形的一個長方體，基座軸線通過該正方形的中心，晶片定位架(3)的正方形截面與基座安裝盤(11)的正方形截面相等；在該晶片定位架(3)中有均勻分布的八個尺寸相等的正方形的安裝壓電元件在其內的晶片定位孔，各晶片定位孔的中心連線為正方形、各晶片定位孔的四邊均對應地與晶片定位架(3)的四邊平行；所述的壓電元件為石英晶片(81、82、83、84、85、86、87、88)，安裝定位在其中心連線四角定位孔中的石英晶片(81、83、85、87)均為X0°切型石英晶片，這四塊晶片(81、83、85、87)的最大靈敏度軸均垂直於基座安裝盤(11)的上表面、且相鄰角晶片的最大靈敏度軸的軸向相反；安裝定位在中心連線四邊中點處定位孔中的石英晶片(82、84、86、88)均為Y0°切型石英晶片，其中相對兩塊晶片(82與86、84與88)的最大靈敏度軸同軸、且其方向相反；所述的各石英晶片(81、82、83、84、85、86、87、88)的厚度相等、且不小於晶片定位架(3)的厚度；各石英晶片(81、82、83、84、85、86、87、88)通過信號引線、插座(2)，與差動式電荷放大器連接。
2.根據權利要求1所述的壓電式三維加速度傳感器，其特徵在於，所述的各石英晶片(81、82、83、84、85、86、87、88)的兩面均各有一個與對應的信號引線連接的電極(801、802)，所有電極(801、802)均位於晶片定位架(3)的邊緣。
3.根據權利要求1或2所述的壓電式三維加速度傳感器，其特徵在於，所述隔離基座(1)腰間環槽的實體部分的橫截面為正方形，其四邊與基座安裝盤(11)的四邊平行，其周長等於基座安裝盤(11)周長的1/2；或者是，所述隔離基座(1)腰間環槽的實體部分的橫截面為圓形，其直徑為安裝盤(11)任一邊長的1/2。
4.根據權利要求1或2所述的壓電式三維加速度傳感器，其特徵在於，所述預緊螺栓由一根雙頭螺杆(51)與一個預緊螺母(52)構成，所述慣性質量塊(6)的上表面有容納下該預緊螺母(52)、且該預緊螺母(52)及其對應的螺桿頭不超出該上表面的沉孔。
5.根據權利要求3所述的壓電式三維加速度傳感器，其特徵在於，所述預緊螺栓由一根雙頭螺杆(51)與一個預緊螺母(52)構成，所述慣性質量塊(6)的上表面有容納下該預緊螺母(52)、且該預緊螺母(52)及其對應的螺桿頭不超出該上表面的沉孔。
全文摘要
一種壓電式三維加速度傳感器。它包括一個隔離基座、罩裝在該基座上的帶插座的殼體、通過預緊螺栓固定地安裝在該殼體內的隔離基座的安裝盤上壓電元件、絕緣墊片和慣性質量塊、以及連接壓電元件與插座的信號引線。其中的壓電元件是四片X0°切型石英晶片和四片Y0°切型石英晶片，它們分別安裝在兩塊絕緣墊片之間的一個晶片定位架的四角和四邊內。與現有的壓電式三維加速度相比較，本發明傳感器的重量輕、結構簡單、易於加工製造；由於採用了差動測量方式的原因，在外力較小時其輸出信號強，其靈敏度高，能克服因環境的變化給測量帶來的誤差。
文檔編號G01P15/18GK1904621SQ20061009501
公開日2007年1月31日 申請日期2006年8月4日 優先權日2006年8月4日
發明者劉俊, 秦嵐, 劉京誠, 李敏 申請人:重慶大學