CN111366752A - 一种环形剪切压电加速度传感器结构及其制作方法 - Google Patents

一种环形剪切压电加速度传感器结构及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种环形剪切压电加速度传感器结构及其制作方法，该环形剪切压电加速度传感器结构包括有一底座、一圆环体状的形状记忆合金和至少一压电晶体，所述底座的顶面中央处形成有一垂直于所述底座的安装柱，所述安装柱与底座连接处形成有限位结构；所述形状记忆合金外套于所述安装柱上，所述安装柱的外表面与形状记忆合金的内表面之间形成有间隙；所述压电晶体设置于所述安装柱与形状记忆合金之间，压电晶体的内表面和外表面均为圆弧面，所述压电晶体的内表面与所述安装柱的外表面贴合，所述压电晶体的外表面与所述形状记忆合金的内表面贴合，利用形状记忆合金受力收缩将压电晶体紧固在所述安装柱上。

Description

一种环形剪切压电加速度传感器结构及其制作方法
技术领域
本发明涉及振动测量技术领域，尤其涉及一种适用于高G值冲击加速度测量的环形剪切压电加速度传感器结构及其制作方法。
背景技术
冲击加速度测量作为振动测量的一个分支，目前需求越来越旺盛。冲击加速度传感器作为测量冲击加速度位移手段经历了多年的发展。国内冲击加速度研究起步较晚，由于工艺等各方面因素导致国内冲击传感器性能远远落后于国外产品。
压电传感器作为加速度传感器一个大类其主要的结构形式有以下两大类，压缩型和剪切型。压缩型由于采用压缩结构，传感器横向灵敏度较大。剪切型由于敏感材料极化晶向原因，对横向加速度不敏感具有较小的横向灵敏度。因此对比两种压电传感器结构，剪切型性能优于压缩型。剪切结构可以细分为平板剪切、环形剪切、三角剪切，每种剪切结构都有自身的特点。平板剪切结构将基座加工为平板装，平板装结构容易受到振动或者冲击影响使传感器输出异常。环形剪切结构因为紧固方式特殊，此种类型传感器因为种种原因很少见诸于应用。三角剪切结构在国外压电加速度传感器应用较多，三角剪切结构需要压电陶瓷、配重块、记忆紧固装置等组合在一起形成传感器。此种类型的剪切结构是三种剪切结构中最复杂的一种，结构件多、传感器刚度以及强度难以保证。
然而，冲击加速度测量对传感器结构强度要求非常高，由于传感器刚度以及强度难以保证的原因，许多传感器在承受高冲击加速度时候损坏甚至是瓦解，进而无法保证测量的准确。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种能够提高压电传感器的刚度和结构强度、增加传感器结构的可靠性的环形剪切压电加速度传感器结构及其制作方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下所述的技术方案：
一种环形剪切压电加速度传感器结构，其包括有一底座、一圆环体状的形状记忆合金和至少一压电晶体，所述底座的顶面中央处形成有一垂直于所述底座的安装柱，所述安装柱与底座连接处形成有限位结构；所述形状记忆合金外套于所述安装柱上，所述安装柱的外表面与形状记忆合金的内表面之间形成有间隙；所述压电晶体设置于所述安装柱与形状记忆合金之间，压电晶体的内表面和外表面均为圆弧面，所述压电晶体的内表面与所述安装柱的外表面贴合，所述压电晶体的外表面与所述形状记忆合金的内表面贴合，利用形状记忆合金受力收缩将压电晶体紧固在所述安装柱上。
优选地，所述安装柱和形状记忆合金各焊接有一导线。
优选地，所述限位结构为定位台阶。
优选地，所述形状记忆合金为单程形状记忆合金。
优选地，所述压电晶体的数量为2个。
优选地，所述底座采用钛合金棒料制备。
本发明还提供了一种环形剪切压电加速度传感器结构的制作方法，其包括有步骤：
S1：制备底座，该底座的顶面中央处形成有一垂直于所述底座的安装柱，所述安装柱与底座连接处形成有限位结构；
S2：制备圆环体状的形状记忆合金；
S3：制备压电晶体，所述压电晶体的内表面和外表面均为圆弧面，压电晶体的内表面的圆弧度与所述安装柱外表面的圆弧度相匹配，压电晶体的外表面的圆弧度与所述形状记忆合金内表面的圆弧度相匹配；
S4：将压电晶体安装于底座的安装柱上，压电晶体的内表面与所述安装柱的外表面贴合；
S5：将形状记忆合金外套于压电晶体上，压电晶体的外表面与形状记忆合金的内表面贴合；
S6：对形状记忆合金施加一作用力，使形状记忆合金受力收缩将压电晶体紧固在所述安装柱上。
优选地，所述环形剪切压电加速度传感器结构的制作方法还包括有步骤S7：于所述安装柱和形状记忆合金上各焊接一导线。
优选地，所述步骤S1进一步包括：
S11：将备好的钛合金棒料切削加工成一圆盘状的底座，底座的顶面中央处留有一安装柱，所述安装柱与底座连接处留有限位结构；
S12：对安装柱的外表面进行研磨加工。
优选地，所述步骤S3进一步包括：
S31：压电晶体的成型烧制；
S32：对压电晶体的内表面和外表面进行研磨加工。
本发明的有益技术效果在于：上述环形剪切压电加速度传感器结构采用形状记忆合金作为紧固件，形状记忆合金提供的紧固力能够保证传感器芯体在承受高冲击加速度时结构不损坏，提高了压电传感器的刚度和结构强度；此外，形状记忆合金作为紧固件的同时并充当压电晶体质量快，省去了传统传感器中使用的质量块，极大简化了传感器的结构，增加传感器结构的可靠性；最后，由于简化了传感器的结构，从而减轻了传感器的质量，使得传感器具有较宽的频率响应。
附图说明
图1为本发明的环形剪切压电加速度传感器结构的立体结构示意图；
图2为本发明的环形剪切压电加速度传感器结构的剖视图；
图3为本发明的底座的立体结构示意图；
图4为本发明的压电晶体的立体结构示意图；
图5为本发明的形状记忆合金的立体结构示意图；
图6为本发明的环形剪切压电加速度传感器结构的电极连接示意图；
图7为本发明的环形剪切压电加速度传感器结构的制作方法的工作流程图。
具体实施方式
为使本领域的普通技术人员更加清楚地理解本发明的目的、技术方案和优点，以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
如图1-5所示，在本发明一个实施例中，环形剪切压电加速度传感器结构包括有一底座10、两块对称的压电晶体20和一圆环体状的形状记忆合金30，所述底座10的顶面中央处形成有一垂直于所述底座10的安装柱11，所述安装柱11与底座10连接处形成有限位结构12；所述形状记忆合金30外套于所述安装柱11上，所述安装柱11的外表面与形状记忆合金30的内表面31之间形成有间隙；所述压电晶体20设置于所述安装柱11与形状记忆合金30之间，压电晶体20的内表面21和外表面22均为圆弧面，所述压电晶体20的内表面21与所述安装柱11的外表面111贴合，所述压电晶体20的外表面22与所述形状记忆合金30的内表面31贴合，利用形状记忆合金30受力收缩将压电晶体20紧固在所述安装柱11上，形成压电加速度传感器敏感芯体。
如图3所示，底座10为钛合金棒料切削加工而成的一圆盘状的底座，该底座10用于与外部接触感受外部加速度，并将加速度传递给压电晶体20。底座10由于与外外界接触，底座10的底面13必须保证足够平整度，从而避免由于底面不平整导致出现轴向以外其他方向的加速度而影响测量准确度。底座10的顶面中央处通过切削加工形成有柱状的用于配合安装压电晶体20的安装柱11，安装柱11外表面111与压电晶体20内表面21贴合形成装配面。由于压电晶体20属于易碎晶体，因此对安装柱11外表面111的平整度有较高的要求，安装柱11外表面必须保证足够的表面平整度，避免底座10在承受外部作用后导致压电晶体20碎裂。本发明严格控制安装柱11的高度，避免传感器芯体在承受加速度时候产生横向加速度。所述安装柱11与底座10连接处留有限位结构12，所述限位结构12可以设计为环绕所述安装柱11的定位台阶，也可以为对称设置于所述安装柱11两侧的定位凸块。限位结构12的作用是限制压电晶体20安装时候的安装位置，安装时，将压电晶体20装配到限位结构12以上，能够有效避免压电晶体20的内表面21、外表面22同时与底座10接触造成短路。
如图4所示，压电晶体20通过挤压成型并进行烧制，形成圆弧状结构。在压电晶体20烧制完成后需要对压电晶体20的内表面21、外表面22进行研磨以提高平整度和园弧度，使得压电晶体20的内表面21、外表面22保持足够表面平整度和园弧度，从而避免压电晶体20在装配时候或者使用时候产生破碎。所述压电晶体20的极化方向为轴向，压电晶体20只敏感轴向剪切力，压电晶体20在承受轴向剪切力后产生与所受剪切力成正比的电荷，通过测量电荷量的大小获得传感器承受的加速度。
如图5所示，形状记忆合金30为单程形状记忆合金，在受外部作用收缩定型后不会因为外部作用而产生形变。形状记忆合金30的作用是提供紧固力，形状记忆合金30内表面31需要有足够的表面平整度，从而使得形状记忆合金30内表面31与压电晶体20外表面22贴合形成装配面。形状记忆合金30作为压电加速度传感器结构的紧固力来源，形状记忆合金30、压电晶体20、底座10之间采用紧配合方式，形状记忆合金30在收缩后将形状记忆合金自身30、压电晶体20、底座10紧固在一起形成敏感芯体结构。
如图1、2所示，本发明环形剪切压电加速度传感器结构装配时，首先将两块压电晶体20内表面21与底座10安装柱11的外表面111进行贴合安装，为了避免压电晶体20内表面21和外表面22与底座10同时接触导致短路，压电晶体20必须装配到限位结构12以上位置。装配好压电晶体20、底座10之后，两块压电晶体20的外表面22围合成一圆柱面。两块压电晶体20外表面22围合成的圆柱面与形状记忆合金30内表面31进行贴合安装，将形状记忆合金30装配到压电晶体20的外表面22上，完成底座10、压电晶体20、形状记忆合金30装配关系。装配完成后调整压电晶体20位置，使压电晶体20顶面23与底座10底面13平行；调整形状记忆合金30所处位置，使形状记忆合金30顶面32与底座10底面13平行，并使形状记忆合金30处于合适位置。由于形状记忆合金30装配时候是通过与压电晶体20的静摩擦力保持位置关系，因此形状记忆合金30、压电晶体20、底座10之间紧配合关系成为装配是否成功的关键因素。形状记忆合金30、压电晶体20、底座10完成装配后，对形状记忆合金30施加外部作用力使其产生收缩，将形状记忆合金30、压电晶体20、底座10紧固在一起。形状记忆合金30紧固力形成的静摩擦力，用于平衡外部加速度产生的加速度力，并对压电晶体20形成剪切作用产生与加速度成正比的电荷，通过测量电荷量的大小获得传感器承受的加速度。形状记忆合金30、压电晶体20、底座10之间的静摩擦力使得形状记忆合金30、压电晶体20形成敏感芯体。形状记忆合金30、底座10均属于金属导体，通过形状记忆合金30、底座10将两片压电晶体20并联在一起，提高了传感器电荷灵敏度。
本发明的环形剪切压电加速度传感器结构组装完成后，其敏感方向为底座10的轴向方向，在承受轴向加速度时，加速度正负方向为底座10的轴向正负方向。如图6所示，压电晶体20极化后内表面21、外表面22成为电荷输出两极，由于压电晶体20内表面21与底座10安装柱11形成安装面，因此底座10可以作为电荷输出负极；压电晶体20外表面22与形状记忆合金30内表面31形成安装面，因此形状记忆合金30可以作为导体导通两片圆弧状结构的压电晶体20将其并联在一起形成电荷输出的正极；安装柱11和形状记忆合金30各焊接有一导线，用作本发明环形剪切压电加速度传感器结构的输出。
本发明相对于现有技术的有益效果在于：
1)本发明采用形状记忆合金作为紧固件，形状记忆合金提供的紧固力能够保证传感器芯体在承受高冲击加速度时结构不损坏，提高了压电传感器的刚度和结构强度；
2)本发明的形状记忆合金作为紧固件并充当压电晶体质量快，省去了传统传感器中使用的质量块，极大简化了传感器的结构，增加传感器芯体可靠性；
3)本发明采用两块圆弧状结构的压电晶体与形状记忆合金配合使用，整个装配过程不需要额外装置，通过形状记忆合金变形收缩即可完成装配，而且极大减少了结构构件的数量，结构简化不存在多余部件，极大提高了传感器敏感结构的结构强度，同时减轻了传感器芯体的质量，使得芯体具有较宽的频率响应。
如图7所示，图1至6所示实施例的环形剪切压电加速度传感器结构，本发明还提供了一种环形剪切压电加速度传感器结构的制作方法，其包括有步骤：
S1：制备底座，该底座的顶面中央处形成有一垂直于所述底座的安装柱，所述安装柱与底座连接处形成有限位结构。步骤S1进一步包括有步骤S11-S12。
S11：将备好的钛合金棒料切削加工成一圆盘状的底座，底座的顶面中央处留有一安装柱，所述安装柱与底座连接处留有限位结构。具体地，将备好的钛合金棒料切削加工成一圆盘状的底座，由于底座10与外外界接触，用于感受外部加速度，并将加速度传递给压电晶体20，底座10的底面13必须保证足够平整度，从而避免由于底面不平整导致出现轴向以外其他方向的加速度而影响测量准确度。底座10的顶面中央处通过切削加工形成有一柱状的用于配合安装压电晶体20的安装柱11，安装柱11与底座10连接处留有限位结构12，所述限位结构12可以设计为环绕所述安装柱11的定位台阶，也可以为对称设置于所述安装柱11两侧的定位凸块。
S12：对安装柱的外表面进行研磨加工。由于压电晶体20属于易碎晶体，且安装柱11外表面111需与压电晶体20内表面21贴合形成装配面，因此对安装柱11外表面111的平整度有较高的要求，安装柱11外表面必须保证足够的表面平整度，避免底座10在承受外部作用后导致压电晶体20碎裂。因此需要对安装柱的外表面进行研磨加工以提高平整度和园弧度，使得压电晶体20的内表面21、外表面22保持足够表面平整度。
S2：制备圆环体状的形状记忆合金；形状记忆合金制备成圆环体状后，对形状记忆合金的内表面31进行研磨加工以提高表面平整度。
S3：制备压电晶体，所述压电晶体的内表面和外表面均为圆弧面，压电晶体的内表面的圆弧度与所述安装柱外表面的圆弧度相匹配，压电晶体的外表面的圆弧度与所述形状记忆合金内表面的圆弧度相匹配；所述步骤S3进一步包括有步骤S31-S32。
S31：压电晶体的成型烧制；
S32：对压电晶体的内表面和外表面进行研磨加工。在压电晶体20烧制完成后需要对压电晶体20的内表面21、外表面22进行研磨以提高平整度和园弧度，使得压电晶体20的内表面21、外表面22保持足够表面平整度和园弧度，从而避免压电晶体20在装配时候或者使用时候产生破碎。
S4：将压电晶体安装于底座的安装柱上，压电晶体的内表面与所述安装柱的外表面贴合。具体地，将两块压电晶体20内表面21与底座10安装柱11的外表面111进行贴合安装，为了避免压电晶体20内表面21和外表面22与底座10同时接触导致短路，压电晶体20必须装配到限位结构12以上位置。装配好压电晶体20、底座10之后，两块压电晶体20的外表面22围合成一圆柱面。
S5：将形状记忆合金外套于压电晶体上，压电晶体的外表面与形状记忆合金的内表面贴合。具体地，两块压电晶体20外表面22围合成的圆柱面与形状记忆合金30内表面31进行贴合安装，将形状记忆合金30外套于压电晶体20的外表面22上，完成底座10、压电晶体20、形状记忆合金30装配关系。之后，调整压电晶体20位置，使压电晶体20顶面23与底座10底面13平行；调整形状记忆合金30所处位置，使形状记忆合金30顶面32与底座10底面13平行，并使形状记忆合金30处于合适位置。
S6：对形状记忆合金施加一作用力，使形状记忆合金受力收缩将压电晶体紧固在所述安装柱上。形状记忆合金30、压电晶体20、底座10之间紧配合关系，形状记忆合金30、压电晶体20、底座10完成装配后，对形状记忆合金30施加外部作用力使其产生收缩，将形状记忆合金30、压电晶体20、底座10紧固在一起形成敏感芯体。形状记忆合金30紧固力形成的静摩擦力，用于平衡外部加速度产生的加速度力，并对压电晶体20形成剪切作用产生与加速度成正比的电荷，通过测量电荷量的大小获得传感器承受的加速度。
在本发明的一些优选实施例中，所述环形剪切压电加速度传感器结构的制作方法还包括有步骤：
S7：于所述安装柱和形状记忆合金上各焊接一导线。压电晶体20极化后内表面21、外表面22成为电荷输出两极，由于压电晶体20内表面21与底座10安装柱11形成安装面，因此底座10可以作为电荷输出负极；压电晶体20外表面22与形状记忆合金30内表面31形成安装面，因此形状记忆合金30可以作为导体导通两片圆弧状结构的压电晶体20将其并联在一起形成电荷输出的正极；安装柱11和形状记忆合金30各焊接有一导线，用作本发明环形剪切压电加速度传感器结构的输出。
以上所述仅为本发明的优选实施例，而非对本发明做任何形式上的限制。本领域的技术人员可在上述实施例的基础上施以各种等同的更改和改进，凡在权利要求范围内所做的等同变化或修饰，均应落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种环形剪切压电加速度传感器结构，其特征在于，所述环形剪切压电加速度传感器结构包括有：
一底座，该底座的顶面中央处形成有一垂直于所述底座的安装柱，所述安装柱与底座的连接处形成有限位结构；
一圆环体状的形状记忆合金，该形状记忆合金外套于所述安装柱上，所述安装柱的外表面与形状记忆合金的内表面之间形成有间隙；
至少一压电晶体，所述压电晶体设置于所述安装柱与形状记忆合金之间，压电晶体的内表面和外表面均为圆弧面，所述压电晶体的内表面与所述安装柱的外表面贴合，所述压电晶体的外表面与所述形状记忆合金的内表面贴合，利用形状记忆合金受力收缩将压电晶体紧固在所述安装柱上。
2.如权利要求1所述的环形剪切压电加速度传感器结构，其特征在于，所述安装柱和形状记忆合金各焊接有一导线。
3.如权利要求1所述的环形剪切压电加速度传感器结构，其特征在于，所述限位结构为定位台阶。
4.如权利要求1所述的环形剪切压电加速度传感器结构，其特征在于，所述形状记忆合金为单程形状记忆合金。
5.如权利要求1所述的环形剪切压电加速度传感器结构，其特征在于，所述压电晶体的数量为2个。
6.如权利要求1所述的环形剪切压电加速度传感器结构，其特征在于，所述底座采用钛合金棒料制备。
7.一种环形剪切压电加速度传感器结构的制作方法，其特征在于，所述环形剪切压电加速度传感器结构的制作方法包括有步骤：
S1：制备底座，该底座的顶面中央处形成有一垂直于所述底座的安装柱，所述安装柱与底座连接处形成有限位结构；
S2：制备圆环体状的形状记忆合金；
S3：制备压电晶体，所述压电晶体的内表面和外表面均为圆弧面，压电晶体的内表面的圆弧度与所述安装柱外表面的圆弧度相匹配，压电晶体的外表面的圆弧度与所述形状记忆合金内表面的圆弧度相匹配；
S4：将压电晶体安装于底座的安装柱上，压电晶体的内表面与所述安装柱的外表面贴合；
S5：将形状记忆合金外套于压电晶体上，压电晶体的外表面与形状记忆合金的内表面贴合；
S6：对形状记忆合金施加一作用力，使形状记忆合金受力收缩将压电晶体紧固在所述安装柱上。
8.如权利要求7所述的环形剪切压电加速度传感器结构的制作方法，其特征在于，所述环形剪切压电加速度传感器结构的制作方法还包括有步骤S7：于所述安装柱和形状记忆合金上各焊接一导线。
9.如权利要求7所述的环形剪切压电加速度传感器结构的制作方法，其特征在于，所述步骤S1进一步包括：
S11：将备好的钛合金棒料切削加工成一圆盘状的底座，底座的顶面中央处留有一安装柱，所述安装柱与底座连接处留有限位结构；
S12：对安装柱的外表面进行研磨加工。
10.如权利要求8所述的环形剪切压电加速度传感器结构的制作方法，其特征在于，所述步骤S3进一步包括：
S31：压电晶体的成型烧制；
S32：对压电晶体的内表面和外表面进行研磨加工。
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