压电式加速度传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种压电式加速度传感器，包括：壳体；与所述壳体相连的基座，所述基座包括从该基座延伸至所述壳体内的中心柱；容纳于所述壳体内且从所述中心柱径向向外依次设置的压电元件组和质量块；以及容纳于所述壳体内且将所述压电元件组和所述质量块固定在所述中心柱上的预载筒。本发明专利技术的压电式加速度传感器能够在任何温度下均可采用剪切型结构。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及一种压电式加速度传感器，包括：壳体；与所述壳体相连的基座，所述基座包括从该基座延伸至所述壳体内的中心柱；容纳于所述壳体内且从所述中心柱径向向外依次设置的压电元件组和质量块；以及容纳于所述壳体内且将所述压电元件组和所述质量块固定在所述中心柱上的预载筒。本专利技术的压电式加速度传感器能够在任何温度下均可采用剪切型结构。【专利说明】压电式加速度传感器
本专利技术属于传感器和换能器
，具体地，涉及一种主要应用于机械设备的振动测试和监测的压电式加速度传感器。
技术介绍
加速度传感器是一种用于测量设备、物体等振动的机电传感器，广泛应用于航空航天、核能电力、船舶交通、生物医学等各个行业领域。加速度传感器按其原理可以分为压电式、压阻式、电容式、谐振式等多种类型，这其中压电式加速度传感器以其灵敏度高、使用温度范围宽、稳定性好等众多优点，成为使用最为广泛的加速度传感器。特别是对于航空发动机、核电机组等环境温度非常高的应用场合(通常高于400°C)，压电式加速度传感器是不可替代的选择。压电式加速度传感器是基于压电材料的压电效应而工作的。其原理是利用诸如压电陶瓷或石英晶体等压电材料的压电效应，在加速度传感器受振时，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传感器的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。目前使用较多的压电式加速度传感器的结构主要为压缩型和剪切型。相对于压缩型结构，剪切型结构通常具有更高的输出、更小的尺寸、更大的带宽和更低的横向输出等，因此成为了压电式加速度传感器设计时优先选用的结构。尤其值得一提的是，剪切型结构的压电式加速度传感器中，不直接与压电元件接触，因此具有更低的瞬变温度灵敏度和更好的温度性能。常温的压电式加速度传感器现已普遍采用剪切型结构。但对于可在350°C以上高温工作的商业压电式加速度传感器，却大多采用压缩型结构。压电式加速度传感器的核心敏感元件为压电元件，压电元件主要分为压电晶体和压电陶瓷两大类，由于压电晶体材料价格昂贵、不易加工且压电系数低，因此绝大多数压电式加速度传感器都采用压电陶瓷材料作为压电元件。而对于采用高温压电陶瓷材料作为敏感元件材料的压电式加速度传感器，剪切型结构难以实现对压电元件等零件的固定。这是由于，现有的剪切型结构的压电式加速度传感器中，对于压电元件等零件一般有两种固定方式，第一种固定方式是采用弹性材料加工成预紧筒，紧固在压电元件和质量块侧边，利用其弹性收缩将压电元件固定在基座的中心柱上。例如，如图1 (a)所示，在壳体18内，采用由弹性材料加工而成的预紧筒14，利用该预紧筒14的弹性收缩将压电元件11和质量块12固定在基座17的中心柱13上。另一种固定方式是采用螺纹固定，S卩，将螺栓依次通过压电元件、质量块等，且在螺栓的梢端处用螺母拧紧，从而将各元件固定在中心柱上。例如，如图1 (b)所示，在壳体18内，将螺栓15从质量块12的径向外侧依次通过质量块12、压电元件11，并在穿过基座17的中心柱13后再依次通过压电元件11、质量块12，且在螺栓15的梢端处用螺母16拧紧，从而将各元件固定在中心柱13上。如采用现有方法制作高温剪切型压电式加速度传感器，上述第一种固定方式需要可在高温下使用的弹性材料，而目前尚无此种材料，且此方法预紧力较小，导致压电式加速度传感器结构不够牢固，不能承受较大的振动和冲击。而上述第二种固定方式需要在压电元件中心处开孔，以通过固定螺栓，但高温压电陶瓷材料由于极化难度大，一般仅能做到两三毫米的高度，因此没有足够的高度来开孔以通过螺栓，而压电晶体材料由于加工难度大，也不易在中心开孔。另外，高温压电材料压电系数低，尤其是高温压电晶体材料，压电系数仅几pC/g，而剪切型结构的质量块重量不易做大，这样会致使压电式加速度传感器的输出灵敏度极低，无法满足实际测试要求。综上所述，现有的高温压电式加速度传感器难以采用剪切型结构。
技术实现思路
鉴于以上所述，本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种压电式加速度传感器，能够在任何温度下均可采用剪切型结构。为了解决上述技术问题，本专利技术的压电式加速度传感器包括:壳体；与所述壳体相连的基座，所述基座包括从该基座延伸至所述壳体内的中心柱；容纳于所述壳体内且从所述中心柱径向向外依次设置的压电元件组和质量块；以及容纳于所述壳体内且将所述压电元件组和所述质量块固定在所述中心柱上的预载筒。根据本专利技术，通过预载筒直接对压电元件组和质量块施加预紧力来将压电元件组和质量块固定在基座的中心柱上，即通过预载筒在压电元件组及质量块零件平面上施加垂直于该平面的预紧力来固定这些零件，因而无需对压电元件组等开固定孔即可进行预紧固定，且克服了现有在350°C以上高温工作的压电式加速度传感器难以采用剪切型结构的问题。本专利技术的压电式加速度传感器可适用于各种温度的场合，并能应用于具有各种高度的压电元件组，且预紧力可调，可对零件施加和压缩型结构一样较大的预紧力，从而该压电式加速度传感器结构稳定，能承受较大的振动和冲击。从而，本专利技术的压电式加速度传感器可兼具压缩型结构稳定可靠和剪切型结构横向灵敏度低、温度性能好的优点，且制作工艺简单，因而可以广泛应用于工业生产、科学研究和国防领域的高温振动测量。另外，亦可应用于常温和低温领域。在本专利技术中，也可以是，所述预载筒紧固于所述中心柱。根据本专利技术，通过将预载筒紧固于所述中心柱，以此可有效地将压电元件组和质量块固定在中心柱上。优选地，该预载筒可通过焊接或螺纹连接等形式紧固于中心柱。在本专利技术中，也可以是，包括围绕所述中心柱均匀分布的多组所述压电元件组和所述质量块。根据本专利技术，设有多组围绕中心柱均匀分布的压电元件组和质量块，可以实现多组并联，以增大传感器输出。在本专利技术中，也可以是，所述压电元件组由多个压电元件并联或并联后再串联而构成。根据本专利技术，压电元件组由多个压电元件并联或并联后再串联而构成，由此可使得压电式加速度传感器具有较高的灵敏度。在本专利技术中，也可以是，还包括:与所述压电元件组相连的导电片；设于所述压电元件组与所述质量块之间以及所述压电元件组与所述中心柱之间的绝缘片；设置于所述壳体上的接插件；以及连接于所述导电片与所述接插件之间的导线。根据本专利技术，可通过绝缘片使压电元件组与质量块、中心柱形成绝缘，以对各部件进行绝缘保护；且可通过导线连接导电片与接插件，以将压电元件组产生的电信号经导电片和导线通过接插件输出到外部电缆。在本专利技术中，也可以是，所述压电元件为剪切型压电元件。根据本专利技术，更有利于降低压电式加速度传感器的横向灵敏度、并提高该压电式加速度传感器的温度性能。在本专利技术中，也可以是，所述剪切型压电元件包括高温压电元件。根据本专利技术，更有利于在高温下实现压电式加速度传感器的剪切型结构。在本专利技术中，也可以是，所述高温压电元件包括高温压电陶瓷材料或高温压电晶体材料。根据本专利技术，该高温压电元件可以是诸如CaBi4Nb4015、Bi3TiNbO9等的高温压电陶瓷材料或诸如LGS、LGT等的高温压电晶体材料，以进一步有利于在高温下实现压电式加速度传感器的剪切型结构。在本专利技术中，也可以是，所述壳体、基座、预载筒由耐高温合金钢材构成，且所述质量块由高比重合金材料构成。根据本专利技术，壳体、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压电式加速度传感器，其特征在于，包括：壳体；与所述壳体相连的基座，所述基座包括从该基座延伸至所述壳体内的中心柱；容纳于所述壳体内且从所述中心柱径向向外依次设置的压电元件组和质量块；以及容纳于所述壳体内且将所述压电元件组和所述质量块固定在所述中心柱上的预载筒。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：毛利萍，李鑫，董显林，王根水，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31