CN109239398A - 一种电荷输出结构及其具有的压电加速度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种电荷输出结构，包括：基座，沿其径向由里到外依次套设有绝缘件、压电元件和质量块；预紧件，套设在所述质量块的外周，且具有随温度升高而体积收缩，以对所述绝缘件、压电元件和质量块施加径向预紧力的环状结构。还提供了具有上述电荷输出结构的压电加速度传感器。本发明大幅度的提升整体结构的接触刚度，从而提升整体的频率响应特性和谐振。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种电荷输出结构及其具有的压电加速度传感器。
背景技术
压电加速度传感器输出的信号与系统所受振动加速度成正比，存在的主要问题是多种不同材料装配导致整体接触刚度不足，以致频率响应特性和谐振偏低。为了保证不同材料之间的牢固装配，目前采用的较为广泛的设计是使用环氧胶粘结合，该方式虽然解决了不同材料之间结合的问题，但对连接层之间的环氧胶品质及操作要求很高，如环氧胶含杂质或操作产生气泡，则导致产品整体刚度不足，从而使传感器整体刚度降低；并且由于胶粘工艺需长时间的烘烤，会导致压电加速度传感器的温度较高，进而影响其频响特性。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中产品的整体刚度不足，影响频响特性的缺陷，从而提供一种整体刚度高，且频响特性和谐振好的电荷输出结构及其具有的压电加速度传感器。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种电荷输出结构，包括：
基座，沿其径向由里到外依次套设有绝缘件、压电元件和质量块；
预紧件，套设在所述质量块的外周，且具有随温度升高而体积收缩，以对所述绝缘件、压电元件和质量块施加径向预紧力的环状结构。
进一步，所述预紧件的材质为镍钛记忆合金。
进一步，所述压电元件包括靠近所述绝缘件设置的电极片和靠近所述质量块设置的压电晶体。
进一步，所述基座包括支撑件和设置所述支撑件上的连接件，所述绝缘件、电极片、压电晶体、质量块和预紧件均套设在所述连接件上，且与所述支撑件之间预留有间隙。
进一步，所述压电元件和质量块均为由若干单体拼接成的环形结构，且所述单体的数量为4的整数倍。
进一步，所述质量块的单体为扇形，四个扇形单体对称分布，且依次拼接围合成环形结构；所述压电元件的单体为长方形，四个长方形单体对称分布，且依次拼接围合成环形结构。
进一步，所述质量块与所述压电晶体的接触面上设有凹槽，所述压电晶体内嵌于凹槽中。
进一步，所述电极片上设有用于连接相邻两片电极片的凸起。
进一步，所述质量块的材质为不锈钢或钨铜合金。
还提供了一种压电加速度传感器，包括所述的电荷输出结构，还包括电路板，所述电路板与所述压电元件电连接。
进一步，还包括所述电荷输出结构和电路板均置于所述外壳中，且所述电路板与所述压电元件间隔预定距离设置。
1.本发明提供的电荷输出结构，沿基座的径向由里到外依次套设有绝缘件、压电元件和质量块，在质量块的外周套设有预紧件，所述预紧件为环状结构，预紧件具有随温度升高而体积收缩的特性，从而在装配过程中对预紧件加热到一定温度，预紧件就会在自身特性的作用下向内部的绝缘件、压电元件和质量块施加一个径向预紧力，由于各结构件之间为刚性连接，因此预紧力的施加大幅度的提升整体结构的接触刚度，排除胶水中间层对接触面的影响，提升整体的频率响应特性和谐振，解决了因产品的整体刚度不足，从而影响频响特性的问题。
2.本发明提供的电荷输出结构，所述预紧件采用镍钛记忆合金制作而成，镍钛记忆合金自身的疲劳强度高、阻尼特性高，且具有自身体积随温度升高而收缩、耐磨损、抗腐蚀、高阻尼和超弹性等特点，从而为预紧力的施加提供了可能。
3.本发明提供的电荷输出结构，所述压电元件和质量块均为由若干单体拼接成的环形结构，且所述单体的数量为4的整数倍，将压电元件和质量块设计成四面剪切对称式结构，相对有现有技术中的整体结构，电荷的输出量更大，满足更高的使用需求。
4.本发明提供的电荷输出结构，质量块与所述压电晶体的接触面上设有凹槽，所述压电晶体内嵌于凹槽中，在质量块的底面上设有凹槽，可直接固定压电晶体，便于安装。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明提供的压电加速度传感器的总体装配剖面图；
图2为本发明提供的电荷输出结构的剖视图；
图3为图2包含外壳的俯视图；
图4为图1中预紧件的示意图；
图5为图1中电极片示意图；
图6为图2包含安装治具的剖视图；
图7为图2包含顶部对齐治具的俯视图。
附图标记说明：
1-上盖；2-外壳；3-绝缘件；4-电极片；5-压电晶体；6-质量块；
7-预紧件；8-基座；9-电路板；10-支撑件；11-连接件；12-对齐治具；
13-底部治具；14-顶部对齐治具。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
如图2-5所示的电荷输出结构的一种具体实施方式，包括：基座8，沿其径向由里到外依次套设有绝缘件3、压电元件和质量块6；预紧件7，套设在所述质量块6的外周，且具有随温度升高而体积收缩，以对所述绝缘件3、压电元件和质量块6施加径向预紧力的环状结构。
上述电荷输出结构，绝缘件3、压电元件和质量块6均为环状结构，且沿基座8的径向由里到外依次套设，在质量块6的外周还套设有预紧件7，所述预紧件7为环状结构，预紧件7具有随温度升高而体积收缩的特性，以在加热到一定温度时对预紧件7内部的绝缘件3、压电元件和质量块6施加一个径向预紧力，且由于各组件中间没有连接层和胶水等，从而保证各结构件之间均为刚性连接，提高了装配过程中各结构件之间的预紧力，大幅度的提升整体结构的接触刚度，整体结构的频率响应特性和谐振均较好。
所述预紧件7的材质为镍钛记忆合金。所述预紧件7采用镍钛记忆合金制作而成，镍钛记忆合金自身的疲劳强度高、阻尼特性高，且具有自身体积随温度升高而收缩、耐磨损、抗腐蚀、高阻尼和超弹性等特点。
所述压电元件包括靠近所述绝缘件3设置的电极片4和靠近所述质量块6设置的压电晶体5。所述压电元件包括电极片4和压电晶体5，即基座8、绝缘件3、电极片4、压电晶体5和质量块6由内至外依次排布，所述绝缘件3将压电晶体5与基座8隔离，起到信号地与被测安装面绝缘的效果。
所述基座8包括支撑件10和设置所述支撑件10上的连接件11，支撑件10为圆盘形的底座，连接件11为与支撑件10一体成型，且位于支撑件10的中心的柱体，柱体内部中空，便于安装。所述绝缘件3、电极片4、压电晶体5、质量块6和预紧件7均套设在所述连接件11上，且与所述支撑件10之间预留有间隙。在安装时，缘件3、电极片4、压电晶体5、质量块6和预紧件7依次套设在连接件11上，缘件3、电极片4、压电晶体5、质量块6和预紧件7与支撑件10之间预留有间隙，是为了在使用时给电荷输出结构留出一定振动间隙，避免因振动过大，对缘件3、电极片4、压电晶体5、质量块6和预紧件7造成损害。
所述压电元件和质量块6均为由若干单体拼接成的环形结构，且所述单体的数量为4的整数倍。所述压电元件和质量块6均为单独的个体，采用四面剪切对称的形式拼接成环形结构，可大幅度的增加灵敏度，且节省了空间。
具体地，所述质量块6的单体为扇形，四个扇形单体对称分布，且依次拼接围合成环形结构；所述压电元件的单体为长方形，四个长方形单体对称分布，且依次拼接围合成环形结构。所述的质量块6的单体设计为扇形是为了配合预紧件7的环形结构，便于将质量块6安装在预紧件7内，压电元件的单体为长方形便于与质量块6紧密贴合，且便于加工，质量块6和压电晶体的结构简单，适合批量化生产。
如图2所示，所述质量块6与所述压电晶体5的接触面上设有凹槽，所述压电晶体5内嵌于凹槽中。在质量块6与所述压电晶体5的接触面上设有与压电晶体5相适配的凹槽，即凹槽的宽度等于长方形的压电晶体5的长度，可采用紧配合的方式直接固定压电晶体5，质量块6对压电晶体5起到了限位的作用。
作为一种具体的实施方式，如图5所示，所述电极片4上设有用于连接相邻两片电极片4的凸起。电极片4上对称设有两个凸起，分设在电极片4的上部和下部，多个电极片4通过凸起首尾相连构成环形结构，实现了压电晶体5的并联，从而增强了电荷输出结构的导电性和灵敏度。
所述质量块6的材质为不锈钢或钨铜合金。不锈钢或钨铜合金的材质具有高强度、高比重、耐高温、耐电弧烧蚀、导电电热性能好和加工性能好的优点，避免因高温导致其性能下降。
在安装时，先将底部治具13对称安装在基座8的支撑件10上。然后在支撑件10上安装预紧件7，再沿基座8的径向依次安装绝缘件3和电极片4，由于质量块6与压电晶体5的接触面上设有凹槽，在安装时，直接将压电晶体5卡接在质量块6上的凹槽内，以整体的形式安装预紧件7内，对基座8上的绝缘件3、电极片4、压电晶体5、质量块6和预紧件7进行高温加热，当温度达到100℃时，预紧件7开始收缩，温度升高至160℃时，预紧件7的收缩达到最大后，移除底部治具13，此时绝缘件3、电极片4、压电晶体5和质量块6由于预紧力的作用不会沿基座8的轴向方向下落，且各部件之间均为刚性连接，预紧件7施加给绝缘件3、电极片4、压电晶体5和质量块6一个沿基座8径向压紧的预紧力，从而提高整体结构的接触刚度以及频率响应特性和谐振。
作为一种替代的实施方式，如图6-7所示，所述质量块6与所述压电晶体5的接触面为平面，与所述压电晶体5直接接触，此质量块的结构简单，便于加工，适于批量化生产。
在安装时，先将底部治具13对称安装在基座8的支撑件10上。然后在支撑件10上安装预紧件7，将绝缘件3、电极片4、压电晶体5和质量块6由里到外依次安装在基座8的支撑件10上，然后将对齐治具12安装在基座8的靠近顶部的四个边角处，以使安装在基座8上的绝缘件3、电极片4、压电晶体5和质量块6相互对齐。再沿基座8的轴向安装顶部对齐治具14，直至顶部对齐治具14卡在质量块6的上表面，顶部对齐治具14为环形框架，起到限位的作用。质量块6的四周及顶部对齐后，移除对齐治具12及顶部对齐治具14，对基座8上的绝缘件3、电极片4、压电晶体5、质量块6和预紧件7进行高温加热，当温度达到100℃时，预紧件7开始收缩，温度升高至160℃时，预紧件7的收缩达到最大后，移除底部治具13，此时绝缘件3、电极片4、压电晶体5和质量块6由于预紧力的作用不会沿基座8的轴向方向下落，且各部件之间均为刚性连接，预紧件7施加给绝缘件3、电极片4、压电晶体5和质量块6一个沿基座8径向压紧的预紧力，从而提高整体结构的接触刚度以及频率响应特性和谐振。
本发明还提供一种压电加速度传感器，如图1所示，包括所述的电荷输出结构，还包括电路板9和外壳2，所述电荷输出结构和电路板均置于所述外壳2中，所述电路板9与所述压电元件电连接，且所述电路板9与所述压电元件间隔预定距离设置。
所述电路板9将压电元件受力后产生的微弱的电荷(电压)进行放大，来满足使用的要求，同时电路板9与压电元件的间隔按照预定来距离设置，使电路板9与压电元件相互不接触，避免因电路板9的重量不均匀对压电元件造成影响，保证压电加速度传感器的频率响应及横向灵敏度的稳定性。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种电荷输出结构，其特征在于，包括：
基座(8)，沿其径向由里到外依次套设有绝缘件(3)、压电元件和质量块(6)；
预紧件(7)，套设在所述质量块(6)的外周，且具有随温度升高而体积收缩，以对所述绝缘件(3)、压电元件和质量块(6)施加径向预紧力的环状结构。
2.根据权利要求1所述的电荷输出结构，其特征在于，所述预紧件(7)的材质为镍钛记忆合金。
3.根据权利要求1或2所述的电荷输出结构，其特征在于，所述压电元件包括靠近所述绝缘件(3)设置的电极片(4)和靠近所述质量块(6)设置的压电晶体(5)。
4.根据权利要求3所述的电荷输出结构，其特征在于，所述基座(8)包括支撑件(10)和设置所述支撑件(10)上的连接件(11)，所述绝缘件(3)、电极片(4)、压电晶体(5)、质量块(6)和预紧件(7)均套设在所述连接件(11)上，且与所述支撑件(10)之间预留有间隙。
5.根据权利要求1所述的电荷输出结构，其特征在于，所述压电元件和质量块(6)均为由若干单体拼接成的环形结构，且所述单体的数量为4的整数倍。
6.根据权利要求5所述的电荷输出结构，其特征在于，所述质量块(6)的单体为扇形，四个扇形单体对称分布，且依次拼接围合成环形结构；所述压电元件的单体为长方形，四个长方形单体对称分布，且依次拼接围合成环形结构。
7.根据权利要求6所述的电荷输出结构，其特征在于，所述质量块(6)与所述压电晶体(5)的接触面上设有凹槽，所述压电晶体(5)内嵌于凹槽中。
8.根据权利要求3所述的电荷输出结构，其特征在于，所述电极片(4)上设有用于连接相邻两片电极片(4)的凸起。
9.根据权利要求1所述的电荷输出结构，其特征在于，所述质量块(6)的材质为不锈钢或钨铜合金。
10.一种压电加速度传感器，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的电荷输出结构，还包括电路板(9)和外壳(2)，所述电荷输出结构和电路板(9)均置于所述外壳(2)中，所述电路板(9)与所述压电元件电连接，且所述电路板(9)与所述压电元件间隔预定距离设置。
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