CN110567573A - 高灵敏度输出压电振动传感器被测激振力信号的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种高灵敏度输出压电振动传感器被测激振力信号的方法，旨在解决目前传统悬臂梁式压电振动传感器不能准确测量较高频率振动信号的问题。本发明通过下述技术方案实现：将压电敏感元件重叠而成作为敏感元件的压电悬臂梁，质量块待测振动作用在敏感元件上，由此形成的悬臂梁在靠近基座的位置固定有阻尼块，悬臂梁压电体在质量块作用下发生振动，振动频率接近悬臂梁压电体的一阶共振频率时，在阻尼块的阻尼作用下，使一阶共振频率点附近的振幅因共振而急剧增大的情况得到有效抑制，形成的效果是在低于二阶共振频率的频段，悬臂梁振动的增幅与被测激振力的增幅都呈对应的线性关系，能够得到频率监测上限要求达到高灵敏的高频率上限。
Description
技术领域
本发明涉及振动监测领域压电振动传感器，尤其涉及一种高阻尼、高频率上限、高灵敏度输出的悬臂梁式压电振动传感器。
背景技术
悬臂梁式压电振动传感器由于其灵敏度高、信噪比好、输出信号强等优点，在一些特种应用领域(如核能工业)有重要作用。该类传感器的受感单元主要是由两片紧固在一起的压电片形成的悬臂梁。当受到外界振动激励时，悬臂梁弯曲，因其尺寸上的变化产生很高的输出信号。然而，由于悬臂梁结构的共振频率低，导致其可准确测量的频率上限低。据了解，目前市面上的悬臂梁式振动传感器的频率上限通常为500Hz以下。在当前的振动监测领域，对振动频率监测上限一般要求达到1000Hz(甚至2000Hz以上)。由于悬臂梁式压电振动传感器在频率上限指标上无法满足大部分振动监测要求，导致用户不得不采用灵敏度相对较低的剪切式(或压缩式)压电振动传感器。因此，如何提高悬臂梁式压电振动传感器的频率上限，以满足振动监测应用需求，使具有高灵敏度优势的悬臂梁式压电振动传感器得到更广泛应用，是当前亟待解决的问题。
目前，类似于悬臂梁式振动传感器已有报道，如现有技术文献提出的光纤悬臂梁式结构的振动传感器、光纤悬臂梁式加速度传感器、硅悬臂梁挡片式振动传感器等，但这些传感器结构均存在许多不足之处，结构比较复杂，灵敏度比较低，又由于光纤悬臂梁式振动传感器采用了单光路传感结构，因此传感精度易受外界干扰因素的影响，而且文献中采用的单光路方案存在无法判断振动方向的缺点。光纤悬臂梁式加速度传感器这种结构在灵敏度上有所提高，结构比较简单，但由于仍采用单光路方案，因此传感精度也易受外界干扰影响。该传感器进一步的重点是实用化封装问题。由于敏感元件比较小且相对固定位置十分严格，因此，该传感器的工艺封装是比较困难的。需要解决密封封装光纤位置的相互对准和固定问题。在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。
通常使用的压电悬臂梁3有单压电片和双压电片两种结构。单压电片结构由一块薄压电陶瓷片和一片面积相近的金属薄片粘结而成；压电陶瓷沿厚度方向极化，复合长片的一端固定于基座，压电片内的应力来自于悬臂梁弯曲振动时曲面长度的变化。双压电片结构由两片尺寸相同的薄压电陶瓷片粘结而成，将叠合片的一端固定在基座5上形成悬臂梁。
由于在工作频率时悬臂梁中压电片的阻抗很高，负载电阻与压电片为串连，阻值较大的电阻分享的总电压也会越大。输出电压随负载电阻的增加而增加。同时，在非共振频率点附近的频段时输出电压的增幅与被测激振力的增幅呈对应的线性关系，低于在共振频率点附近的增幅，这主要是因为在共振频率点附近压电悬臂梁3弯曲振动幅值会因共振而急剧增大，导致压电悬臂梁3内应力急剧增大，压电片内感受应力产生的电荷量也随之急剧增大。悬臂梁压电层的弯曲振动形成上下表面的压缩和拉伸，悬臂梁压电层上下表面形成电量相等，符号相反的正负电荷而产生电压。因此，共振频率点附近的输出电压和功率均急剧增大。一般说来，这些电量并不能直接被后续的显示、记录、分析仪器所接受。因此针对不同机电变换原理的传感器，必须附以专配的测量线路。测量线路的作用是将传感器的输出电量最后变为后续显示、分析仪器所能接受的一般电压信号。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处，提供一种高阻尼、高频率上限、高灵敏度输出，满足大部分振动监测要求的悬臂梁式高阻尼的压电振动传感器，用以解决目前传统悬臂梁式压电振动传感器不能准确测量较高频率振动信号的问题。
本发明通过以下技术方案解决上述问题。一种高灵敏度输出压电振动传感器被测激振力信号的方法，具有如下技术特征：压电悬臂梁3由基座5加以固定，一端固定在基座5上，另一端悬空固定质量块1；压电悬臂梁3作为敏感元件由至少两片压电敏感元件重叠而成，质量块1待测振动作用在敏感元件上，由此形成的悬臂梁在靠近基座5的位置固定一个阻尼块4；悬臂梁压电体在质量块1作用下发生振动，振动频率接近悬臂梁压电体的一阶共振频率时，阻尼块4的阻尼作用于压电悬臂梁3，抑制悬臂梁弯曲振动模态一阶共振频率点附近振幅共振的急剧增大，得到更高频率上限、低测量误差的测量激振力信号，从压电悬臂梁3激振力信号输出端上、下表面，分别引出的输出信号线2输出测量激振力信号，测量激振力信号经压电效应转换后的电信号，输出相应待测振动的响应信号。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果。.
高阻尼、高频率上限。本发明采用一端固定在基座5上，另一端悬空固定质量块1，在压电悬臂梁3靠近基座5一端固定有阻尼块4，悬臂梁压电体在质量块1作用下发生振动。当振动频率接近悬臂梁压电体的一阶共振频率时，在阻尼块4的阻尼作用下，一阶共振频率点附近的振幅因共振而急剧增大的情况得到有效抑制，形成的效果是在低于二阶共振频率的频段，悬臂梁振动的增幅与被测激振力的增幅都呈对应的线性关系，能够得到频率监测上限要求达到高灵敏的1000Hz，甚至2000Hz以上的高频率上限，可满足大部分振动监测要求。当压电悬臂梁3振动频率在低于二阶共振频率时，质量块1在受到振动时连贯反应，使压电悬臂梁3悬臂部分发生形变，从而产生非常高的电压灵敏度(大约1V/g)。实验结果显示，用靠近基座5固定的阻尼块4产生的阻尼力可抑制悬臂梁在一阶共振频率点附近的振幅因共振而急剧增大的情况，提高输出信号的线性度。
本发明采用不同阻尼参数的阻尼块4，传感器的阻尼比随之不同，从而可不同程度的抑制压电悬臂梁3在共振点附近的振幅，当悬臂梁弯曲振动时，施加于压电片上下表面的应力矢量正好相反，压电悬臂梁3在阻尼块4的阻尼作用下，传感器阻尼比ζ越大，共振幅值A(ω)越小。因此，在阻尼的作用下，压电悬臂梁3在共振频率点附近的振幅急剧增大的情况可得到有效抑制，压电悬臂梁3的幅频特性线性度可得到显著优化，从而降低传感器高频测量误差，提升测量频率上限。
附图说明
图1是本发明高灵敏度输出压电振动传感器被测激振力信号的方法实施方式的剖视图。
图中：1质量块，2输出信号线，3压电悬臂梁，4阻尼块，5基座。
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
具体实施方式
参阅图1。根据本发明，压电悬臂梁3由基座5加以固定，一端固定在基座5上，另一端悬空固定质量块1；压电悬臂梁3作为敏感元件由至少两片压电敏感元件重叠而成，质量块1待测振动作用在敏感元件上，由此形成的悬臂梁在靠近基座5的位置固定一个阻尼块4；悬臂梁压电体在质量块1作用下发生振动，振动频率接近悬臂梁压电体的一阶共振频率时，阻尼块4的阻尼作用于压电悬臂梁3，抑制悬臂梁弯曲振动模态一阶共振频率点附近振幅共振的急剧增大，得到更高频率上限、低测量误差的测量激振力信号，从压电悬臂梁3激振力信号输出端上、下表面，分别引出的输出信号线2输出测量激振力信号，测量激振力信号经压电效应转换后的电信号，输出相应待测振动的响应信号。其中：所述压电悬臂梁3的上、下表面分别引出输出信号线2，用于输出传感器的测量信号。所述质量块1安装固定于压电悬臂梁3的悬空端末端。质量块1使用金属材料，质量块1的重量可通过其尺寸进行调节，以保证传感器达到设计的灵敏度指标。悬臂梁在阻尼块4的阻尼作用下，一阶共振频率点附近的振幅因共振而急剧增大的情况得到有效抑制，形成的效果是在低于二阶共振频率的频段，悬臂梁振动的增幅与被测激振力的增幅都呈对应的线性关系，得到更高频率上限、低测量误差的测量激振力信号。
所述阻尼块4安装固定于压电悬臂梁3上、下两个表面上靠近基座的位置，并具有较大的阻尼系数。阻尼块4通过胶类粘结方式与压电悬臂梁3粘结固定在一起，同时，还与基座粘结固定在一起。阻尼块4选用不同的材料，可得到不同的阻尼参数。
优选地，基座5可以采用具有足够刚度，以足够支撑压电悬臂梁3的金属材料制成，也可以采用抗过载、抗疲劳、抗偏载能力强的绝缘材料等非金属材料的陶瓷、铸石玻璃作为基座5。
作为敏感元件的压电悬臂梁3由至少两片压电敏感元件重叠而成，所述压电敏感元件为采用压电陶瓷材料的压电片，压电片由尺寸相同、极化方向相同的薄压电陶瓷片粘结而成，将叠合片的一端固定在基座5上形成悬臂梁，叠合片的上表面作为一个电极，叠合片的下表面作为另一个电极。压电片可以用环氧树脂粘贴在厚1mm-2mm、长60mm-80mm、宽8mm-12mm的黄铜片上形成叠层结构，叠层片的一端有6mm-10mm长度被夹持在刚性玻璃基座中，固定在玻璃基座上构成悬臂梁。共振峰规则而干净。
压电悬臂梁3振动遵从胡克定律，压电梁端部受外力作用引起弯曲变形，压电片内的应力来自于悬臂梁弯曲振动时曲面长度的变化，质量块1待测振动作用在敏感元件上，悬臂梁弯曲振动模态的一阶共振频率约为800Hz，二阶共振频率约为1400Hz，在阻尼块4的阻尼作用下，压电悬臂梁3振动频率在低于二阶共振频率时，悬臂梁振动的增幅与被测激振力的增幅都呈对应的线性关系，质量块1在受到振动时连贯反应，压电悬臂梁3悬臂部分发生形变，形成悬臂梁固定在阻尼块4靠近基座5的位置，产生非常高的电压灵敏度(大约1V/g)。
悬臂梁压电体在质量块1作用下发生振动，在其表面产生电荷。当振动频率接近悬臂梁压电体的一阶共振频率时，一阶共振频率点附近的振幅因共振而急剧增大的情况得到有效抑制，形成的效果为在低于二阶共振频率的频段。当悬臂梁弯曲振动时，施加于压电片上下表面的应力矢量正好相反，压电悬臂梁3在阻尼块4的阻尼作用下，得到振动属于二阶***响应、频率监测上限要求达到高灵敏的1000Hz以上的高频率上限，当被测振动频率ω等于传感器共振频率ωn时，根据二阶***幅频特性公式：增大相对阻尼系数ζ抑制压电悬臂梁(3)在共振点附近的振幅A(ω)，最终得到更高频率上限、低测量误差的传感器。
以上所述为本发明较佳实施例，应该注意的是上述实施例对本发明进行说明，然而本发明并不局限于此，并且本领域技术人员在脱离所附权利要求的范围情况下可设计出替换实施例。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种高灵敏度输出压电振动传感器被测激振力信号的方法，具有如下技术特征：压电悬臂梁(3)由基座(5)加以固定，一端固定在基座(5)上，另一端悬空固定质量块(1)；压电悬臂梁(3)作为敏感元件由至少两片压电敏感元件重叠而成，质量块(1)待测振动作用在敏感元件上，由此形成的悬臂梁在靠近基座(5)的位置固定一个阻尼块(4)；悬臂梁压电体在质量块(1)作用下发生振动，振动频率接近悬臂梁压电体的一阶共振频率时，阻尼块(4)的阻尼作用于压电悬臂梁(3)，抑制悬臂梁弯曲振动模态一阶共振频率点附近振幅共振的急剧增大，形成悬臂梁振动增幅与被测激振力增幅都呈对应线性关系的，且低于二阶共振频率的频段，得到更高频率上限、低测量误差的测量激振力信号，从压电悬臂梁(3)激振力信号输出端上、下表面，分别引出的输出信号线(2)输出测量激振力信号，测量激振力信号经压电效应转换后的电信号，输出相应待测振动的响应信号。
2.如权利要求1所述的高灵敏度输出压电振动传感器被测激振力信号的方法，其特征在于：所述压电悬臂梁(3)的上、下表面分别引出输出信号线(2)，用于输出传感器的测量信号。
3.如权利要求1所述的高灵敏度输出压电振动传感器被测激振力信号的方法，其特征在于：所述质量块(1)安装固定于压电悬臂梁(3)的悬空端末端，其长径比的范围是2:1至1:2。
4.如权利要求1所述的高灵敏度输出压电振动传感器被测激振力信号的方法，其特征在于：质量块(1)使用金属材料，质量块(1)的重量通过其尺寸进行调节，以保证传感器达到设计的灵敏度指标。
5.如权利要求1所述的高灵敏度输出压电振动传感器被测激振力信号的方法，其特征在于：阻尼块(4)通过胶类粘结方式与压电悬臂梁(3)粘结固定在一起，同时，还与基座粘结固定在一起。
6.如权利要求1所述的高灵敏度输出压电振动传感器被测激振力信号的方法，其特征在于：基座(5)采用金属材料制成或非金属材料的陶瓷、铸石玻璃作为基座。
7.如权利要求1所述的高灵敏度输出压电振动传感器被测激振力信号的方法，其特征在于：作为敏感元件的压电悬臂梁(3)由至少两片压电敏感元件重叠而成，并且压电敏感元件为压电陶瓷材料的压电片，压电片由尺寸相同、极化方向相同的薄压电陶瓷片粘结而成，将叠合片的一端固定在基座(5)上形成悬臂梁，叠合片的上表面作为一个电极，叠合片的下表面作为另一个电极。
8.如权利要求7所述的高灵敏度输出压电振动传感器被测激振力信号的方法，其特征在于：压电片用环氧树脂粘贴在厚1mm-2mm、长60mm-80mm、宽8mm-12mm的黄铜片上形成叠层结构，叠层片的一端有6mm-10mm长度被夹持在刚性玻璃基座中，固定在玻璃基座上构成悬臂梁。
9.如权利要求1所述的高灵敏度输出压电振动传感器被测激振力信号的方法，其特征在于：压电悬臂梁(3)振动遵从胡克定律，压电梁端部受外力作用引起弯曲变形，压电片内的应力来自于悬臂梁弯曲振动时曲面长度的变化，质量块(1)待测振动作用在敏感元件上，同时在阻尼块(4)的阻尼作用下，压电悬臂梁(3)振动频率在低于二阶共振频率时，悬臂梁振动的增幅与被测激振力的增幅呈对应的线性关系，质量块(1)在受到振动时连贯反应，压电悬臂梁(3)悬臂部分发生形变，形成悬臂梁固定在阻尼块(4)靠近基座(5)的位置，产生至少1V/g的电压灵敏度。
10.如权利要求1所述的高灵敏度输出压电振动传感器被测激振力信号的方法，其特征在于：悬臂梁弯曲振动时，施加于压电片上下表面的应力矢量正好相反，压电悬臂梁(3)在阻尼块(4)的阻尼作用下，得到振动属于二阶***响应、频率监测上限要求达到高灵敏的1000Hz以上的高频率上限，当被测振动频率ω等于传感器共振频率ωn时，根据二阶***幅频特性公式：增大相对阻尼系数ζ抑制压电悬臂梁(3)在共振点附近的振幅A(ω)，最终得到更高频率上限、低测量误差的传感器。
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