CN115792276A - 全温区近恒预紧力的压电加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全温区近恒预紧力的压电加速度传感器，通过增加螺栓垫，从而缓解压电加速度传感器中的金属零部件与压电材料由于热膨胀系数不一致而造成的高温热失配，保证传感器在全工作温区处于近恒预紧状态；使加速度传感器的螺栓的预紧力随着温度升高尽量保持与初始预紧力一致，从而消除力‑热耦合场对压电敏感元件的压电常数的影响，使传感器的灵敏度温漂与压电敏感元件的压电常数的温漂一致，此外，保持全温区的近恒预紧力，可以保持压电加速度传感器的线性度与室温时一致，不会由于温度升高引起的预紧力变化而导致的线性度恶化。本压电加速度传感器通过结构设计来控制预紧力变化来改善压电加速度传感器的高温性能，改善方法简单可靠。

Description

全温区近恒预紧力的压电加速度传感器

技术领域

本发明涉及传感器领域，特别是一种全温区近恒预紧力的压电加速度传感器。

背景技术

压电加速度传感器又称为压电加速度计，通过压电敏感元件的压电效应将外界的振动信号转化为电信号，从而实现环境的振动测量。在压电加速度传感器受到外界的振动激励，质量块作用在压电敏感元件上的力会随之变化，进而压电敏感元件的输出信号也随着的力的变化而变化，当振动频率远小于压电加速度传感器的谐振频率时，两者之间成正比例关系。

在航空航天、重型燃气轮机以及核电站等高端装备的发展，对以上高端装备振动监测用的压电加速度传感器的高温耐受性提出了更高的要求。随着使用温度的升高，用于固定传感器零部件的粘接剂通常会失效，通常采用螺栓螺母对压电加速度传感器的零部件进行固定与预紧，然后，螺栓的预紧力会随着温度升高而出现衰减现象，从而导致传感器由于力-热耦合场作用灵敏度温漂增大，同时线性度以及抗冲击能力等性能出现下降。因此，需要设计一种在全温区近恒预紧力的压电式加速度传感器，缓解由于温度升高引起预紧力衰减而导致的传感器性能下降，提升压电加速度传感器在高温环境的使役性能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种全温区近恒预紧力的压电加速度传感器。

为了实现以上目的，本发明的技术方案为：

一种全温区近恒预紧力的压电加速度传感器，包括外壳、基座、质量块、压电敏感元件、螺栓、螺母和螺栓垫，所述基座上设有中心柱，所述中心柱设有两相对的装配基面，两装配基面设有第一通孔，所述压电敏感元件设有与所述第一通孔对应的第二通孔，所述质量块设有与所述第一通孔对应的第三通孔和第四通孔，所述第四通孔朝向所述压电敏感元件一侧，若干所述压电敏感元件和所述质量块依次对称安装在两所述装配基面上，相邻两个所述压电敏感元件之间以及所述压电敏感元件与所述中心柱或所述质量块之间设有电极片，所述螺栓垫安装在所述螺栓的头部并安装于第三通孔内，所述螺栓穿过所述第一通孔、第二通孔、第三通孔及第四通孔，并与所述螺母连接，以提供法向预紧力紧固质量块、压电敏感元件、中心柱以及螺栓垫，所述螺栓的头部为锥形圆台，所述螺栓垫设有与所述锥形圆台配合的锥形通孔，所述基座安装在所述外壳上，所述中心柱、质量块、压电敏感元件、螺栓、螺母和螺栓垫设于所述外壳与所述基座之间所形成的腔体内。

作为优选，所述螺栓的所述锥形圆台的锥度与所述螺栓垫的锥形通孔的锥度相同。

作为优选，所述螺栓的所述锥形圆台的厚度与所述螺栓垫的厚度相同。

作为优选，所述质量块的第三通孔与第四通孔之间构成阶梯结构，所述第三通孔的深度与第四通孔的深度相同，并与所述螺栓垫的厚度相同，所述第三通孔的直径大于所述第四通孔的直径，第四通孔的直径与第一通孔和第二通孔的直径相等。

作为优选，所述质量块朝向所述压电敏感元件一侧的表面的面积大于或等于所述压电敏感元件上与所述质量块接触的表面的面积。

作为优选，所述压电敏感元件包括压电陶瓷或压电晶体，所述压电敏感元件的两侧表面设有薄膜层。

作为优选，所述压电敏感元件为方形，数量为2～6片，对称分布在所述中心柱两侧，当使用的压电敏感元件数量大于2片时，所述中心柱单侧相邻两个所述压电敏感元件采取极性相对的方式并联在一起。

作为优选，所述电极片为铂金金属片或镍金属片，并且与所述压电敏感元件的接触面积相同。

作为优选，所述外壳的底部设有阶梯孔，所述基座卡合于所述阶梯孔上，并采用激光焊接方式连接。

作为优选，在温度变化过程中，所述压电加速度传感器的所述法向预紧力与所述螺栓垫的尺寸和材料的物理参数之间的关系为：

其中，P_t为高温时的法向预紧力，P为常温时的法向预紧力，Δt为温度变化，k为SR直线方程的斜率，b为SR直线方程在Z轴上的截距，r为螺栓垫的锥形通孔半径，α₁为所述压电敏感元件在Z方向上的热膨胀系数，α₂为所述质量块的热膨胀系数，α₃为所述螺栓垫的热膨胀系数，α₄为所述螺栓的热膨胀系数，l₁为所述压电敏感元件的厚度，l₂为处于所述压电敏感元件和所述螺栓垫之间的所述质量块的厚度，K₁、K₂、K₃、K₄为所述螺栓、螺栓垫、压电敏感元件以及质量块的法向刚度。

相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明提出的在全工作温区近恒预紧的压电加速度传感器在从室温到高温的全工作温度区间均能实现压电加速度传感器预紧力的微小变化，从而提升压电加速度传感器在高温时的线性度以及抗冲击能力等性能，降低压电加速度传感器在全工作温度区间的灵敏度温漂。

(2)本发明提出的全工作温区近恒预紧的压电加速度传感器结构简单，配合紧密，能够缓解由于温度升高引起预紧力衰减而导致的传感器性能下降，提升压电加速度传感器在高温环境的使役性能。

(3)本发明提出的全工作温区近恒预紧的压电加速度传感器通过对螺栓垫等结构的设计使加速度传感器的螺栓预紧力随着温度升高尽量保持与初始预紧力一致，从而消除力-热耦合场对压电敏感元件压电常数的影响，使传感器的灵敏度温漂与压电敏感元件压电常数的温漂一致，此外，保持全温区的近恒预紧力，可以保持压电加速度传感器的线性度与室温时一致，不会由于温度升高引起的预紧力变化而导致的线性度恶化，通过控制预紧力变化来改善压电加速度传感器的高温性能，改善方法简单可靠。

附图说明

包括附图以提供对实施例的进一步理解并且附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图图示了实施例并且与描述一起用于解释本发明的原理。将容易认识到其它实施例和实施例的很多预期优点，因为通过引用以下详细描述，它们变得被更好地理解。

图1为本申请的实施例的全温区近恒预紧力的压电加速度传感器的示意图；

图2为本申请的实施例的全温区近恒预紧力的压电加速度传感器的截面示意图；

图3为本申请的实施例的全温区近恒预紧力的压电加速度传感器的基座上方的装配俯视图；

图4为本申请的实施例的全温区近恒预紧力的压电加速度传感器的螺栓的示意图；

图5为本申请的实施例的全温区近恒预紧力的压电加速度传感器的螺栓垫的示意图；

图6为本申请的实施例的全温区近恒预紧力的压电加速度传感器的实现全温区近恒预紧的螺栓垫热补偿的原理图；

图7为本申请的实施例的全温区近恒预紧力的压电加速度传感器的螺栓预紧力随温度的变化图；

附图标记：1、外壳；2、质量块；3、压电敏感元件；4、电极片；5、螺栓垫；6、螺母；7、中心柱；8、基座；9、螺栓。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

参考图1-6，本发明的实施例中提出了一种全温区近恒预紧力的压电加速度传感器，包括外壳1、基座8、质量块2、压电敏感元件3、螺栓9、螺母6和螺栓垫5，基座8上设有中心柱7，中心柱7设有两相对的装配基面，具体的，基座8与中心柱7一体成型制作而成，基座8与中心柱7的连接处为圆角，中心柱7的装配基面为矩形。两装配基面设有第一通孔，压电敏感元件3设有与第一通孔对应的第二通孔，质量块2设有与第一通孔对应的第三通孔和第四通孔，第四通孔朝向压电敏感元件3一侧，第三通孔设在另一侧，第一通孔、第二通孔、第三通孔及第四通孔具有相同的轴心，并且第三通孔的直径大于第四通孔的直径，第四通孔的直径与第一通孔和第二通孔的直径相等，方便压电敏感元件3和质量块2装配在中心柱7的两侧的装配基面上。若干压电敏感元件3和质量块2依次对称安装在两装配基面上，具体的，若干压电敏感元件3先安装在中心柱7的两侧的装配基面上，质量块2安装在压电敏感元件3的侧面，相邻两个压电敏感元件3之间以及压电敏感元件3与中心柱7或质量块2之间设有电极片4，保证使多个压电敏感元件3并联输出，通过螺栓9、螺栓垫5和螺母6将压电敏感元件3、质量块2、电极片4和中心柱7装配在一起。螺栓垫5安装在螺栓9的头部并安装于第三通孔内，螺栓9穿过第一通孔、第二通孔、第三通孔及第四通孔，并与螺母6连接，以提供法向预紧力紧固质量块2、压电敏感元件3、中心柱7以及螺栓垫5，螺栓9的头部为锥形圆台，螺栓垫5设有与锥形圆台配合的锥形通孔，即，螺栓9的锥形圆台的锥度与螺栓垫5的锥形通孔的锥度相同，锥形圆台卡合于锥形通孔内，并且在温度变化过程中，通过螺栓垫5、螺栓9、质量块2、压电敏感元件3、中心柱7的体积变化改变螺栓9与质量块2、压电敏感元件3、中心柱7之间的法向预紧力，使其在温度变化过程中近似保持一致，采用螺栓垫5进行热补偿，实现全温区范围内的螺栓9近恒预紧。基座8安装在外壳1上，中心柱7、质量块2、压电敏感元件3、螺栓9、螺母6和螺栓垫5设于外壳1与基座8之间所形成的腔体内，具体的，外壳1的底部设有阶梯孔，基座8卡合于阶梯孔上，并采用激光焊接方式连接，实现压电加速度传感器的封装。在优选的实施例中，外壳1采用三角安装形式，增加了压电加速度传感器的可靠性。

在具体的实施例中，参考图4和图5，螺栓9的头部被加工成为具有一定锥度的锥形圆台，螺栓垫5的中心也被加工成为具有一定锥度的锥形通孔，两者的锥度相同，螺栓9的锥形圆台的厚度与螺栓垫5的厚度相同。螺栓9的锥形圆台完全嵌入在螺栓垫5的锥形通孔内，并且装配好的螺栓9的锥形圆台和螺栓垫5可容纳于第三通孔内。

在具体的实施例中，质量块2的第三通孔与第四通孔之间构成阶梯结构，第三通孔的深度与第四通孔的深度相同，并与螺栓垫5的厚度相同，螺栓垫5的一侧抵接于螺栓9的锥形圆台的底部，另一侧抵接于阶梯结构。螺栓垫5的侧边与第三通孔的内壁之间设有间隙。质量块2朝向压电敏感元件3一侧的表面的面积大于或等于压电敏感元件3上与质量块2接触的表面的面积，使压电敏感元件3可以与质量块2完全贴合。

在具体的实施例中，压电敏感元件3包括压电陶瓷或压电晶体，压电敏感元件3的两侧表面设有薄膜层。在优选的实施例中，薄膜层为铂金薄膜，压电敏感元件3在使用前先在两侧镀上一定厚度的铂金薄膜，压电传感器工作时采用的是切变压电常数。具体的，压电加速度传感器为剪切式结构，压电敏感元件3为方形，数量为2～6片，对称分布在中心柱7两侧，当使用的压电敏感元件3数量大于2片时，中心柱7单侧相邻两个压电敏感元件3采取极性相对的方式并联在一起。

在具体的实施例中，电极片4为铂金金属片或镍金属片，并且与压电敏感元件3的接触面积相同。电极片4的尺寸与压电敏感元件3的尺寸相同，通过激光切割成形得到。

在具体的实施例中，压电加速度传感器的近恒预紧可以通过调整螺栓垫5的尺寸以及选用不同的材料来实现，通过实现压电加速度传感器全温区的近恒预紧，缓解由于温度升高引起预紧力衰减而导致的压电加速度传感器性能(如线性度、抗冲击性能等)下降，降低传感器由于力-热耦合场变化剧烈引起的灵敏度温漂，提升压电加速度传感器在高温环境的使役性能。参考图6，在温度变化过程中，压电加速度传感器的法向预紧力与螺栓垫5的尺寸和材料的物理参数之间的关系为：

其中，P_t为高温时的法向预紧力，P为常温时的法向预紧力，Δt为温度变化，k为SR直线方程的斜率，b为SR直线方程在Z轴上的截距，r为螺栓垫5的锥形通孔的底孔半径，α₁为压电敏感元件3在Z方向上的热膨胀系数，α₂为质量块2的热膨胀系数，α₃为螺栓垫5的热膨胀系数，α₄为螺栓9的热膨胀系数，l₁为压电敏感元件3的厚度(FI)，l₂为处于压电敏感元件3和螺栓垫5之间的质量块2的厚度(IJ)，K₁、K₂、K₃、K₄为螺栓9、螺栓垫5、压电敏感元件3以及质量块2的法向刚度。因此可以通过设计螺栓垫5尺寸与选择合适的螺栓垫5材料，实现全温区范围内的螺栓9近恒预紧。

在其中一个实施例中，若压电敏感元件的热膨胀系数α₁＝12.8ppm/℃，厚度l₁＝1.2mm，l₂＝2.2mm，r＝2e-3，T点坐标为(2,3.7)，S点坐标为(2.5,6.2)时，根据T点和S点的坐标可得到TS直线方程，由于TS和SR是共线的，所以TS直线方程和SR直线方程是一样的，因此，可得到SR直线方程的k＝5，b＝-6.3，传感器其他零部件合金热膨胀系数α₂＝α₃＝α₄＝17.8ppm/℃，k＝2.5，b＝-1.6e-3，K₁＝1.0169e10N/m，K₂＝1.663e8N/m，K₃＝1.553e10 N/m，K₄＝2.0508e9N/m时，螺栓预紧力随温度的变化如图7所示，可以看出从室温变化到900℃时，螺栓预紧力变化小于10％，但由于实际过程中，材料的弹性系数会下降导致材料的刚度减小，因此实际过程中螺栓预紧力变化会比设计的略大，因此可在全温区范围内实现近恒预紧。在其他实施例中，可根据具体的情况调整。

以上描述了本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种全温区近恒预紧力的压电加速度传感器，其特征在于，包括外壳、基座、质量块、压电敏感元件、螺栓、螺母和螺栓垫，所述基座上设有中心柱，所述中心柱设有两相对的装配基面，两装配基面设有第一通孔，所述压电敏感元件设有与所述第一通孔对应的第二通孔，所述质量块设有与所述第一通孔对应的第三通孔和第四通孔，所述第四通孔朝向所述压电敏感元件一侧，若干所述压电敏感元件和所述质量块依次对称安装在两所述装配基面上，相邻两个所述压电敏感元件之间以及所述压电敏感元件与所述中心柱或所述质量块之间设有电极片，所述螺栓垫安装在所述螺栓的头部并安装于第三通孔内，所述螺栓穿过所述第一通孔、第二通孔、第三通孔及第四通孔，并与所述螺母连接，以提供法向预紧力紧固质量块、压电敏感元件、中心柱以及螺栓垫，所述螺栓的头部为锥形圆台，所述螺栓垫设有与所述锥形圆台配合的锥形通孔，所述基座安装在所述外壳上，所述中心柱、质量块、压电敏感元件、螺栓、螺母和螺栓垫设于所述外壳与所述基座之间所形成的腔体内。

2.根据权利要求1所述的全温区近恒预紧力的压电加速度传感器，其特征在于，所述螺栓的所述锥形圆台的锥度与所述螺栓垫的锥形通孔的锥度相同。

3.根据权利要求1所述的全温区近恒预紧力的压电加速度传感器，其特征在于，所述螺栓的所述锥形圆台的厚度与所述螺栓垫的厚度相同。

4.根据权利要求1所述的全温区近恒预紧力的压电加速度传感器，其特征在于，所述质量块的第三通孔与第四通孔之间构成阶梯结构，所述第三通孔的深度与第四通孔的深度相同，并与所述螺栓垫的厚度相同，所述第三通孔的直径大于所述第四通孔的直径，第四通孔的直径与第一通孔和第二通孔的直径相等。

5.根据权利要求1所述的全温区近恒预紧力的压电加速度传感器，其特征在于，所述质量块朝向所述压电敏感元件一侧的表面的面积大于或等于所述压电敏感元件上与所述质量块接触的表面的面积。

6.根据权利要求1所述的全温区近恒预紧力的压电加速度传感器，其特征在于，所述压电敏感元件包括压电陶瓷或压电晶体，所述压电敏感元件的两侧表面设有薄膜层。

7.根据权利要求1所述的全温区近恒预紧力的压电加速度传感器，其特征在于，所述压电敏感元件为方形，数量为2～6片，对称分布在所述中心柱两侧，当使用的压电敏感元件数量大于2片时，所述中心柱单侧相邻两个所述压电敏感元件采取极性相对的方式并联在一起。

8.根据权利要求1所述的全温区近恒预紧力的压电加速度传感器，其特征在于，所述电极片为铂金金属片或镍金属片，并且与所述压电敏感元件的接触面积相同。

9.根据权利要求1所述的全温区近恒预紧力的压电加速度传感器，其特征在于，所述外壳的底部设有阶梯孔，所述基座卡合于所述阶梯孔上，并采用激光焊接方式连接。

10.根据权利要求1所述的全温区近恒预紧力的压电加速度传感器，其特征在于，在温度变化过程中，所述压电加速度传感器的所述法向预紧力与所述螺栓垫的尺寸和材料的物理参数之间的关系为：

其中，P_t为高温时的法向预紧力，P为常温时的法向预紧力，Δt为温度变化，k为SR直线方程的斜率，b为SR直线方程在Z轴上的截距，r为螺栓垫的锥形通孔半径，α₁为所述压电敏感元件在Z方向上的热膨胀系数，α₂为所述质量块的热膨胀系数，α₃为所述螺栓垫的热膨胀系数，α₄为所述螺栓的热膨胀系数，l₁为所述压电敏感元件的厚度，l₂为处于所述压电敏感元件和所述螺栓垫之间的所述质量块的厚度，K₁、K₂、K₃、K₄为所述螺栓、螺栓垫、压电敏感元件以及质量块的法向刚度。

Images