CN110954209A - 一种差分式声发射及加速度一体化压电传感器 - Google Patents
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Abstract
一种差分式声发射及加速度一体化压电传感器，属于航空航天技术领域。所述差分式声发射及加速度一体化压电传感器，包括连接基座，连接基座设置有导电底座，导电底座设置有绝缘底座、压电元件一和压电元件二，绝缘底座设置有上压电片和下压电片，上压电片和下压电片通过导电片连接，上压电片设置有振动传导装置，振动传导装置通过弹簧与壳体连接，压电元件一的上表面、上压电片的上表面和下压电片的下表面通过导线与转接头连接，压电元件二的上表面和导电片通过导线与转接头连接。所述差分式声发射及加速度一体化压电传感器，实现振动信号与声发射信号同步采集，能够极大地减小单独测量是带来的误差。
Description
技术领域
本发明涉及航空航天技术领域，特别涉及一种差分式声发射及加速度一体化压电传感器。
背景技术
机械的振动带来的问题一直是航空领域的重要课题，通过研究振动带来的加速度、材料内部力学性能等物理参数变化是研究振动问题的突破口，所以，研究人员会通过多种传感器采集物理参数数据并进行分析。但是，目前的测量仪器比如传感器都只是进行单一指标的测量，当需要对两个甚至多个指标进行测量时需要通过多个传感器进行，这会导致测量数据误差的增大，降低了数据的精确度。
发明内容
为了解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种差分式声发射及加速度一体化压电传感器，能够实现对同一振动的所产生的振动信号的两次采集，能够极大地减小单独测量是带来的误差，既保证了测量的准确性，又降低了实施测量时的难度。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种差分式声发射及加速度一体化压电传感器，包括连接基座、导电底座、绝缘底座、壳体、上压电片、下压电片、压电元件一、压电元件二和振动传导装置；
所述连接基座顶部设置有导电底座，所述导电底座的顶部设置有绝缘底座、压电元件一和压电元件二，所述绝缘底座与导电底座同轴设置，所述压电元件一和压电元件二设置在绝缘底座的两侧；
所述绝缘底座内设置有上压电片和下压电片，所述上压电片和下压电片通过导电片连接，所述上压电片的顶部设置有振动传导装置，所述振动传导装置通过弹簧与壳体连接，所述壳体与连接基座卡合；
所述压电元件一的上表面、上压电片的上表面和下压电片的下表面通过导线与转接头连接，所述压电元件二的上表面和导电片通过导线与转接头连接，具体连接方式为：压电元件一的上表面通过导线与转接头连接，上压电片的上表面和下压电片的下表面通过导线相连后再通过导线导出到壳体外部与转接头连接；压电元件二的上表面和导电片通过导线相连后再通过导线导出壳体外部与转接头连接。
所述压电元件一和压电元件二之间设置有绝缘块，所述压电元件一和压电元件二结构相同，且对称设置。
所述绝缘底座、压电元件一和压电元件二位于导电底座内的深度相等。
所述振动传导装置采用质量块，用于传导与连接基座相同的振动。
所述上压电片和下压电片均为石英压电片。
所述连接基座的底部设置有连接部，用于与振动部件连接。
本发明的有益效果：
1)本发明能够实现对同一振动的所产生的振动信号的两次采集，形成对同一物体振动的加速度以及材料内部的形态变化等多个物理量的采集，为对多个物理量进行分析做准确；
2)通过将声发射传感器和压电式加速度传感器有效地结合，实现振动信号与声发射信号同步采集，能够极大地减小单独测量是带来的误差，同时减小多个传感器安装的难度，既保证了测量的准确性，又降低了实施测量时的难度。
3)本发明能够应用于各种机械零件的振动信号采集，为后续工作中对振动特性进行多角度的研究分析、优化结构的传动特性以及力学特性提供了数据采集准备。
本发明的其他特征和优点将在下面的具体实施方式中部分予以详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种差分式声发射及加速度一体化压电传感器的主视示意图；
图2是本发明实施例提供的一种差分式声发射及加速度一体化压电传感器的俯视示意图。
说明书附图中的附图标记包括：
1-连接基座，2-导电底座，3-绝缘底座，4-壳体，5-上压电片，6-下压电片，7-压电元件一，8-压电元件二，9-振动传导装置，10-导电片，11-连接部，12-绝缘块，13-弹簧，14-转接头。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“竖向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“一”、“二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
为了解决现有技术存在的问题，如图1至图2所示，本发明提供了一种差分式声发射及加速度一体化压电传感器，包括连接基座1、导电底座2、绝缘底座3、壳体4、上压电片5、下压电片6、压电元件一7、压电元件二8和振动传导装置9；
连接基座1顶部设置有导电底座2，导电底座2的顶部设置有绝缘底座3、压电元件一7和压电元件二8，绝缘底座3与导电底座2同轴设置，压电元件一7和压电元件二8设置在绝缘底座3的两侧；
绝缘底座3内设置有上压电片5和下压电片6，上压电片5和下压电片6均为石英压电片，上压电片5和下压电片6为并联结构，即同侧产生的极性相反，上压电片5和下压电片6通过导电片10连接，上压电片5的顶部设置有振动传导装置9，振动传导装置9采用质量块，用于传导与连接基座1相同的振动，振动传导装置9通过弹簧13与壳体4连接，壳体4与连接基座1卡合；
压电元件一7的上表面、上压电片5的上表面和下压电片6的下表面通过导线与转接头14连接，压电元件二8的上表面和导电片10通过导线与转接头14连接，具体连接方式为：压电元件一7的上表面通过导线与转接头14连接，上压电片5的上表面和下压电片6的下表面通过导线相连再通过导线导出到壳体4外部与转接头14连接，压电元件一7的上表面与上压电片5的上表面和下压电片6的下表面同为正极或者同为负极；压电元件二8的上表面和导电片10通过导线相连后再通过导线导出壳体4外部与转接头14连接，二者同为正极或者同为负极。
本实施例中，导电底座2为导电结构，也可采用导电胶铺设而成，导电底座2和绝缘底座3均为圆形结构，绝缘底座3设置在导电底座2的中心处；压电元件一7和压电元件二8之间设置有绝缘块12，压电元件一7和压电元件二8结构相同，且对称设置在绝缘底座3的两侧，压电元件一7、压电元件二8和绝缘块12一起也构成圆形结构，绝缘块12对压电元件一7和压电元件二8起到支撑固定的作用，并且保证信号的同步提取。绝缘底座3、压电元件一7和压电元件二8位于导电底座2内的深度相等。
压电元件一7和压电元件二8均采用PZT-5材料制作，压电元件一7和压电元件二8构成差分式结构，即两者同上同下产生的极性相反，且同下端有导电底座2相连，比如压电元件一7的上方为正极，并用导线导出到壳体4之外，则压电元件二8上方为负极，并用导线导出且与导电片10相连导出到壳体4外。导电底座2固定到连接基座1上，连接基座1的底部设置有连接部11，用于振动部件连接，连接部11比如螺栓孔固定在振动零件上。连接基座1与其上方的金属壳体4卡合，使所有传感器部件设置在壳体4内部，由于声发射传感器和压电式加速度传感器的频率不一样，壳体4顶部连接弹簧13并与质量块相连，用来阻尼其振动。在后续处理中，可以将转接头14连接到放大电路中进行信号处理。
上述一种差分式声发射及加速度一体化压电传感器的工作原理：
压电元件一7和压电元件二8构成声发射传感器，声发射传感器将发动机等振动部件产生的机械振动通过两个差分放置的压电元件转换为电信号；在本发明在实际使用时，为了保证结构的对称和输出信号正负极的对称，对压电元件的要求比较严格，要选用同一规格、同一批量生产的材料性能参数一致的两个压电元件放入到导电底座2中，使得信号的测量更加准确；在后续处理中可通过声发射检测***接收这个电信号，再对它处理和分析，从而推断材料内部的性态变化；
上压电片5、下压电片6和导电片10构成压电式加速度传感器，当压电式加速度传感器感受振动时，振动传导装置9随连接基座1有相同的振动，振动传导装置9就有一正比于加速度的交变力作用在压电片上；由于压电片压电效应，两个表面上就产生交变电荷，当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器的输出电荷(电压)与作用力成正比，亦即与振动部件的加速度成正比；在后续处理中可以通过外部电路得到加速度，如在放大器中加进适当的积分电路，就可以测出试件的振动速度或位移；
通过连接基座1、导电底座2、绝缘底座3、壳体4、振动传导装置9等部件实现声发射传感器和压电式加速度传感器的结合，实现了两个指标数据的测量，提高了数据采集的同步性能，使实验误差大大降低，提高了准确度，有效避免了现有单一功能传感器在进行信息融合在线监测过程中同步性能差等问题。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种差分式声发射及加速度一体化压电传感器，其特征在于，包括连接基座、导电底座、绝缘底座、壳体、上压电片、下压电片、压电元件一、压电元件二和振动传导装置；
所述连接基座顶部设置有导电底座，所述导电底座的顶部设置有绝缘底座、压电元件一和压电元件二，所述绝缘底座与导电底座同轴设置，所述压电元件一和压电元件二设置在绝缘底座的两侧；
所述绝缘底座内设置有上压电片和下压电片，所述上压电片和下压电片通过导电片连接，所述上压电片的顶部设置有振动传导装置，所述振动传导装置通过弹簧与壳体连接，所述壳体与连接基座卡合；
所述压电元件一的上表面、上压电片的上表面和下压电片的下表面通过导线与转接头连接，所述压电元件二的上表面和导电片通过导线与转接头连接。
2.根据权利要求1所述的差分式声发射及加速度一体化压电传感器，其特征在于，所述压电元件一和压电元件二之间设置有绝缘块，所述压电元件一和压电元件二结构相同，且对称设置。
3.根据权利要求1所述的差分式声发射及加速度一体化压电传感器，其特征在于，所述绝缘底座、压电元件一和压电元件二位于导电底座内的深度相等。
4.根据权利要求1所述的差分式声发射及加速度一体化压电传感器，其特征在于，所述振动传导装置采用质量块，用于传导与连接基座相同的振动。
5.根据权利要求1所述的差分式声发射及加速度一体化压电传感器，其特征在于，所述上压电片和下压电片均为石英压电片。
6.根据权利要求1所述的差分式声发射及加速度一体化压电传感器，其特征在于，所述连接基座的底部设置有连接部，用于与振动部件连接。
7.根据权利要求1所述的差分式声发射及加速度一体化压电传感器，其特征在于，所述压电元件一的上表面通过导线与转接头连接，所述上压电片的上表面和下压电片的下表面通过导线相连后再通过导线导出到壳体外部与转接头连接；所述压电元件二的上表面和导电片通过导线相连后再通过导线导出壳体外部与转接头连接。
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