一种高敏度压电式加速度传感器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种高敏度压电式加速度传感器，其特征在于：包括外壳，所述外壳内设置有保护层，保护层与基座连接，保护层内设置有惯性质量块，保护层与惯性质量块之间有间隙，不完全接触，惯性质量块通过弹簧与保护层接触，且横向固定于保护层之内，惯性质量块与基座之间设置有石英晶堆，石英晶堆与惯性质量块之间设置有导体，其与连接器连接，并连接前置放大器。本实用新型专利技术的压电式加速度传感器由多个压电晶片并联组成石英晶堆的压电元件，同时设置电荷放大器，进行阻抗变换和信号放大，具有高灵敏度。

High sensitivity piezoelectric acceleration sensor

The utility model discloses a high-sensitivity piezoelectric acceleration sensor, which comprises a shell, wherein the shell is arranged in the protective layer, the protective layer is connected with the base, the protective layer is arranged in the inertial mass, there is a gap between the protective layer and the inertial mass, incomplete contact, inertial mass through the contact spring and the protective layer, and the horizontal fixed on the protective layer, a quartz crystal stack is arranged between the inertial mass and the base, a conductor arranged between the quartz reactor and the inertial mass, and the connector, and connect the preamplifier. The piezoelectric acceleration sensor of the utility model is composed of a plurality of piezoelectric chips which are connected in parallel to form a piezoelectric element of a quartz crystal stack.

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及加速度传感器领域，尤其是一种高敏度压电式加速度传感器。
技术介绍
压电式加速度传感器又称压电加速度计。它也属于惯性式传感器。它是利用某些物质如石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。压电式加速度传感器是基于压电晶体的压电效应工作的。某些晶体在一定方向上受力变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去除后，又重新恢复到不带电状态，这种现象称为“压电效应”，具有“压电效应”的晶体称为压电晶体。现在所用的压电式加速度传感器的精度不高，压电晶片的数量为一片或两片，不能满足测量要求。压电元件受力后产生的电荷量极其微弱，如果用一般的测量电路来进行测量，会被输入电阻迅速泄漏引入测量的误差，影响测量结果，同时产生的微弱电荷量不能直接连接电压表显示和记录，需要进行阻抗变换和信号放大。
技术实现思路
本技术的技术目的在于：针对上述存在的问题，提供一种由多个压电晶片并联组成石英晶堆的压电元件，同时设置电荷放大器，进行阻抗变换和信号放大，具有高敏度的压电式加速度传感器。本技术采用的技术方案如下：本技术一种高敏度压电式加速度传感器，包括外壳，所述外壳内设置有保护层，保护层与基座连接，保护层内设置有惯性质量块，保护层与惯性质量块之间有间隙，不完全接触，惯性质量块通过弹簧与保护层接触，且横向固定于保护层之内，惯性质量块与基座之间设置有石英晶堆，石英晶堆与惯性质量块之间设置有导体，其与连接器连接，并连接前置放大器。本技术一种高敏度压电式加速度传感器，所述石英晶堆包括并联设置的N块石英晶片，N>1；所述石英晶片之间平行设置，且不接触。以上结构，石英晶堆的设置，能够增加电荷的产生，对加速度的应力有更高的灵敏度，同时并联设置也会增加电荷的产生，从而提高传感器的灵敏度。本技术一种高敏度压电式加速度传感器，所述保护层为刚性材料。本技术一种高敏度压电式加速度传感器，所述前置放大器采用电荷放大器，所述电荷放大器包括电荷转换级、归一化放大级、滤波器、输出级和稳压电源。以上结构，电荷放大器把高输出阻抗转变为低输出阻抗，把输入电荷量转变为输出电压量，把传感器的微弱信号放大到一个适当的归一化数值。电荷转换级将传感器的输出电荷信号转换成电压信号；为适应不同量程的加速度传感器配接而使其输出电压归一化，设置了归一化放大级，通过归一化放大级调节，不同灵敏度的加速度传感器等量输入加速度后，输出电压相同；滤波器能够滤除干扰信号；输出级中的放大器是为了使放大器输出合适的电压信号；稳压电源为电路中的元件提高稳定的直流电。本技术一种高敏度压电式加速度传感器，所述电荷转换级包括并联的电阻R1、电阻R2、反馈电容C1、反馈电容C2和反馈电容C3，其连接运算放大器的反向输入端，同时反向输入端和输出端之间还并联有电容C4、电容C5和电阻R3；所述输出端上设置有模拟开关1和模拟开关2。以上结构，反馈电容采用具有高泄漏电阻、吸附性小和温度稳定的聚苯乙烯电容器；电荷放大器的灵敏度的改变主要通过改变反馈电阻的大小来实现，现在的电荷放大器的灵敏度通过手动切换，缺乏灵活性，本技术的电荷转换级通过模拟开关1和模拟开关2实现自动切换不同的反馈电容，达到改变放大器的灵敏度的目的。本技术一种高敏度压电式加速度传感器，所述归一化放大级，用于电压放大和归一化处理，包括TL081、可调电阻R11和R12、电容C11和电容C12、电阻R13；所述TL081的反向输入端（引脚2）上连接有电阻R13，反向输入端（引脚2）和输出端（引脚6）之间连接有调电阻R11，所述TL081的同相输入端（引脚3）上连接有可调电阻R12，所述TL081的4引脚连接电容C11，并接地；所述TL081的7引脚连接电容C12，并接地。以上结构，电阻R13为精度在0.5%的精密金属膜电阻，电阻R13直接影响归一化放大级的精度，在归一化时，调节电阻R11，选择合适的电阻R13值就能实现。本技术一种高敏度压电式加速度传感器，所述滤波器为跟踪滤波器；包括差分放大器、滤波器、单片机、低通滤波器、比较器LF353和倍频电路。以上结构，同一种测量仪器针对不同频率的信号的测量，测量时会受到各种原因产生的高频和低频干扰，为了检测被测量，常用不同的截止频率的滤波器，在测量范围较大时，普通的高低频率滤波器不适用，而本技术所采用的跟踪滤波器其中心频率随被测信号频率的变化而变化，测量很大频率范围的信号；在使用中，输入低频信号，低频信号经过差分放大若干倍达到伏特级后进入滤波器，同时经放大后的信号被低通滤波，除去高频噪声，再经过放大、限幅和整形产生方形波，方形波再经倍频电路做频率放大之后产生滤波器所需的采样时钟，并送入滤波器，方波的频率和输入信号的频率相等，当信号的频率改变时，产生的标准方波的频率跟随信号的频率变化而变化，从而实现自动跟踪滤波。本技术一种高敏度压电式加速度传感器，所述电荷放大器还包括过载指示级；所述电荷放大器还包括过载指示级；所述过载指示级，用于监视电荷放大器的工作状态，以及提示操作者选择相应适当的量程；包括双比较器LM393，引脚1连接引脚7，串联二极管D1和D2、电阻R51、R52，引脚3连接引脚6，串联电阻R53、R54，引脚4连接电容C51和负电压，引脚7连接电阻R55、电容C52和负电压，引脚8串联电容C53、正电压和LED，并连接引脚1，引脚2连接电阻R56和正电压。以上结构，过载指示级的设置是为了防止放大器进入非线性工作范围；当信号在电荷放大器的测量范围内，LED不亮，当超出电荷放大器的测量范围，LED亮，通过观察LED的亮和不亮，检测放大器的工作状态是否正常，从而得到较为精确的测量值，避免因为超出工作范围而得到错误的测量值或误差大的测量值，甚至损坏电荷放大器。本技术的工作原理：传感器受到振动时，质量块产生惯性力，作用在石英晶片上，晶片发生形变，产生极化现象，晶片表面产生符号相反的电荷，通过检测电荷量，就可以得到电荷与力之间的关系，从而测量加速度。综上所述，由于采用了上述技术方案，本技术的有益效果是：本技术与现有技术相比，压电加速度传感器的压电晶片采用并联的石英晶堆，在相同的加速度应变作用下，产生的电荷量增多，有利于测量，同时所设置的电荷放大器中电荷转换级和滤波器都能实现自动控制，方便电荷放大器的转化，所设过载指示级能够检测放大器的工作状态，防止过载，电荷放大器把高输出阻抗转变为低输出阻抗，把输入电荷量转变为输出电压量，把传感器的微弱信号放大到一个适当的归一化数值，从而提高传感器的精度。附图说明本技术将通过例子并参照附图的方式说明，其中：图1是本技术一种高敏度压电式加速度传感器的结构示意图。图中标记：1是外壳，2是惯性质量块，3是石英晶堆，4是连接器，5是保护层，6是弹簧。图2是本技术电荷放大器的结构示意图。图3是电荷转换级的电路图。图4是归一化放大级的电路图。图5是过载指示级的电路图。具体实施方式下面结合附图，对本技术作详细的说明。为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高敏度压电式加速度传感器，其特征在于：包括外壳，所述外壳内设置有保护层，保护层与基座连接，保护层内设置有惯性质量块，保护层与惯性质量块之间有间隙，不完全接触，惯性质量块通过弹簧与保护层接触，且横向固定于保护层之内，惯性质量块与基座之间设置有石英晶堆，石英晶堆与惯性质量块之间设置有导体，其与连接器连接，并连接前置放大器。

【技术特征摘要】
1.一种高敏度压电式加速度传感器，其特征在于：包括外壳，所述外壳内设置有保护层，保护层与基座连接，保护层内设置有惯性质量块，保护层与惯性质量块之间有间隙，不完全接触，惯性质量块通过弹簧与保护层接触，且横向固定于保护层之内，惯性质量块与基座之间设置有石英晶堆，石英晶堆与惯性质量块之间设置有导体，其与连接器连接，并连接前置放大器。2.根据权利要求1所述的一种高敏度压电式加速度传感器，其特征在于：所述石英晶堆包括并联设置的N块石英晶片，N>1；所述石英晶片之间平行设置，且不接触。3.根据权利要求1所述的一种高敏度压电式加速度传感器，其特征在于：所述保护层为刚性材料。4.根据权利要求1所述的一种高敏度压电式加速度传感器，其特征在于：所述前置放大器采用电荷放大器，所述电荷放大器包括电荷转换级、归一化放大级、滤波器、输出级和稳压电源。5.根据权利要求4所述的一种高敏度压电式加速度传感器，其特征在于：所述电荷转换级包括并联的电阻R1、电阻R2、电容C1、电容C2和电容C3，其连接运算放大器的反向输入端，同时反向输入端和输出端之间还并联有电容C4、电容C5和电阻R3；所述输出端上设置有模拟开关1和模拟开关2。6.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛清波，
申请(专利权)人：广州昭创电子科技有限公司，
类型：新型
国别省市：广东;44