CN201322755Y - 一种双压电环-金属壳对称结构加速度计 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于传感器和换能器技术领域，具体涉及到一种压电加速度计，其中敏感单元由完全相同的两组压电环－金属壳－质量块结构对称装配而成，利用弯曲模式工作。本实用新型采用双压电环－金属壳－质量块结构制作的压电加速度计，具有灵敏度高、横向响应小节省压电材料、适合低频应用的特点，可以广泛应用于地震勘探、工业生产、科学研究和国防领域的振动测量。

Description

一种双压电环-金属壳对称结构加速度计

【技术领域】

本实用新型属于传感器和换能器技术领域，具体涉及到一种压电加速度计。

【背景技术】

传感器技术是现代科技的前沿技术，是现代信息技术的三大支柱之一，其水平的高低是衡量一个国家科技发展水平的重要标志之一，加速度计作为一种传感器被广泛地应用于航空航天、汽车工业、自动化控制、机器人、生物医学以及军事领域。

加速度计按传感的敏感材料来分可以分为压电式、电容式、动圈式、压阻式、隧道式、扭摆式、力平衡式、谐振式、光纤、温度效应等加速度计；按感应的方向可以分为单轴加速度计和多轴加速度计。

尽管加速度计的种类很多，但是压电加速度计目前依然占主要地位。压电加速计的基本原理是牛顿力学，主要是利用了压电材料的压电效应，它的特点是：高Q值、低阻尼、高的输出阻抗、温度范围广。所谓压电效应是指某些晶体在受到外力作用而发生形变时，在它的某些表面上会出现电荷。压电加速度计的敏感单元是在基座上通过弹性元件连接质量块，弹性元件由压电材料构成或在其上附有压电材料，当外界的加速度作用在基座上时，质量块会受到惯性力的作用，并产生相应的振动，弹性元件在质量块的作用下会发生形变，同时也会使压电材料发生形变，压电材料因为压电效应而产生电压。压电陶瓷是目前主要的压电材料，但是脆性很大，PVDF(聚偏二氟乙烯，PolyvinylideneFluoride)是一种具有较强压电性的新型的压电材料，并且容易弯曲，是制作传感器的良好材料。

常用的压电式加速度计的结构大体有以下三种类型：压缩式、剪切式和弯曲式。压缩式加速度计是目前比较常见的一种，其中正压式单轴压电加速度计的敏感单元结构如图1所示，包括基座13、质量块11和连接它们的压电片12，该类加速度计结构简单，装配简单，但灵敏度低。

【实用新型内容】

为了克服压电加速度计灵敏度低的缺点，本实用新型提供一种灵敏度高的压电加速度计。

本实用新型的技术方案如下：

一种压电加速度计，包括敏感单元、中心支承板、电极引线、前置放大电路、外壳支撑座、外壳和输出电缆，其中敏感单元由完全相同的两组压电环-金属壳-质量块结构对称装配而成，两组压电环-金属壳-质量块结构对称地粘接在中心支承板的两侧，电极引线与中心支承板连接。两个金属壳的外侧边缘与中间夹心的压电环紧紧粘连在一起。两个金属壳分别与质量块固定。敏感单元的中心支承板的边缘固定在外壳支撑座上，两个金属块悬空作自由振动。

上述金属壳可以采用黄铜、不锈钢、铝合金等材料制成，金属壳可以是平顶锥形或平顶半球形。压电环可为压电陶瓷材料(例如PZT)、压电材料-环氧树脂的复合材料(0-3型，1-3型，1-3-2型或2-2型)或者弛豫铁电单晶材料(例如PMN-PT，PZN-PT)。压电环的中心孔径可以大于或等于0(成为压电片)。质量块为钨材料。

在振动测量时，底座固定在被测对象上，振动加速度通过外壳支撑座无损地传递到敏感单元的中心支承板上，由于与金属壳粘连的质量块的惯性作用，通过上下金属壳在两个压电环上形成弯矩，引起压电环的形变，从而在每个压电环的上下电极之间产生响应电压。

由于对称连接，两个压电环的电极反相，垂直加速度在两个压电环上引起的电压反相，相减可以得到二倍的加速度响应；而横向加速度在两个压电环上引起的电压同相，相减后相互抵消，从而抑制横向加速度响应。当然，两个压电环也可同相粘接，此时垂直加速度在两个压电环上引起的电压同相，相加可以得到二倍的加速度响应；而横向加速度在两个压电环上引起的电压反相，相加后相互抵消，从而也可抑制横向加速度响应。

本实用新型的优点与技术效果：采用金属壳和压电环的压电-金属复合材料代替传统正压型压电加速度计的压电片，在体积增加不大的情况下，大幅度提高了加速度计的灵敏度；在压电-金属复合材料中采用压电环代替压电片，在尺寸相同的情况下，降低了一阶固有频率，适合低频使用；进一步提高了灵敏度，同时节省了压电材料；采用双压电环-金属壳-质量块的对称结构，有效地抑制了加速度计的横向响应。总之，本实用新型采用双压电环-金属壳-质量块结构制作的压电加速度计，具有灵敏度高、横向响应小节省压电材料、适合低频应用的特点，可以广泛应用于地震勘探、工业生产、科学研究和国防领域的振动测量。

【附图说明】

图1是正压式单轴压电加速度计原理示意图。

图2是本实用新型压电加速度计的中心剖面正视图。

【具体实施方式】

下面结合附图，通过实施例进一步详细说明本实用新型，但不以任何方式限制本实用新型的范围。

如图2所示，该加速度计的敏感单元由两组压电环-金属壳-质量块结构对称装配而成。每组压电环-金属壳-质量块结构由金属壳62边缘与压电环61用环氧树脂紧密粘接构成压电-金属复合材料，再将金属壳顶部用环氧树脂与圆柱形金属质量块63同轴粘接而成。两组压电环-金属壳-质量块结构对称地粘接在中心支承板60的两侧。

制作好的敏感单元通过中心支承板60用环氧树脂紧紧固定在外壳支撑座65上，从金属外壳66的边缘和中心支承板60用焊锡焊接引出电极引线67，连接电极引线67至双路前置放大电路64的输入端，双路前置放大电路64的输出经调理及相加或相减处理后由输出电缆68输出，将金属外壳66与安装底座69固定。

Claims (8)

1、一种压电加速度计，包括敏感单元、中心支承板、电极引线、前置放大电路、外壳支撑座、外壳和输出电缆，其特征在于：所述敏感单元由完全相同的两组压电环-金属壳-质量块结构对称装配而成，两组压电环-金属壳-质量块结构对称地粘接在中心支承板的两侧，电极引线与中心支承板连接。

2、如权利要求1所述的压电加速度计，其特征在于：每组压电环-金属壳-质量块结构是由一片金属壳、一个压电环与一个质量块粘接组成，金属壳的边缘与压电环粘接，顶部与质量块粘接。

3、如权利要求1所述的压电加速度计，其特征在于：所述金属壳是平顶锥形或平顶半球形。

4、如权利要求1所述的压电加速度计，其特征在于：所述压电环是压电陶瓷材料。

5、如权利要求1所述的压电加速度计，其特征在于：所述压电环是弛豫铁电单晶材料。

6、如权利要求1所述的压电加速度计，其特征在于：所述压电环的中心孔径大于或等于0。

7、如权利要求1所述的压电加速度计，其特征在于：所述压电环是压电材料-环氧树脂的复合材料。

8、如权利要求1所述的压电加速度计，其特征在于：所述质量块为钨材料。

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