压电换能器制造技术

一种用于测量力的压电换能器包括：基底元件；预加载元件；预加载部件的至少一个有效主地震质量聚集体，当被加速时能够产生力；主压电陶瓷元件，包括第一压电陶瓷；预加载部件的至少一个补偿地震质量聚集体，当被加速时能够产生补偿力；补偿压电陶瓷元件，包括第二压电陶瓷。第一压电陶瓷具有小于第二压电陶瓷的热灵敏度漂移。主压电陶瓷元件相对于要被测量的力取向，补偿压电陶瓷元件相对于补偿力取向，使得主电荷和补偿电荷在极性上是相反的。

Piezoelectric transducer

Including a piezoelectric transducer for measuring force: basal components; pre loading components; at least one effective principal earthquake pre loaded parts quality aggregates, when can produce force is accelerated; the main piezoelectric ceramic element, which comprises a first piezoelectric ceramic; at least one compensation of seismic pre loaded parts quality aggregates, when able to generate compensation force is accelerated; compensation of piezoelectric ceramic element, including second piezoelectric ceramics. The first piezoelectric ceramic has a thermal sensitivity drift less than second piezoelectric ceramics. The main piezoelectric ceramic element compensates the orientation of the piezoelectric ceramic element relative to the compensation force relative to the force orientation to be measured, so that the main charge and the compensation charge are opposite on polarity.

【技术实现步骤摘要】
压电换能器
本专利技术涉及一种压电换能器，尤其涉及一种加速度换能器。
技术介绍
加速度换能器是一种具有附加的所谓地震质量的力换能器。在被加速时，地震质量的惯性产生力，并且由加速度换能器来测量该力。该力是被测变量。由于地震质量是常数，因此所测量的力正比于加速度。加速度被定义为速度对时间的变化率。压电换能器由在受到力时产生电荷的压电材料构成。电荷正比于所施加的力并且能够利用电极直接测量。压电换能器提供几微秒的快速响应时间和100dB量级的宽测量范围的优点。因此，利用压电换能器来测量关于机器和结构的动态振荡和振动。US3673442A公开了一种压电换能器。该压电换能器使用石英晶体作为压电材料。其包括五个石英晶片，每个石英晶片被布置在两个电极之间，因此形成晶体盘片和电极的堆叠。待测量的力沿着压电换能器的支撑轴作用。夹紧轴套沿着朝向底座的纵向轴连接该堆叠和地震质量。通过这种做法，该压电换能器沿着纵向轴具有高刚度，并且石英晶片与电极紧密地机械接触。紧密机械接触最小化或者消除了石英晶片与电极之间的任何微间隙，并且因此确保了压电换能器的明确定义的电容。石英晶体的一个缺点是相对低的压电灵敏度，尤其与作为压电材料的压电陶瓷相比较时，更是如此。压电灵敏度被定义为压电换能器输出的变化与被测变量的值的变化之比。由压电材料的压电电荷系数确定压电换能器输出的变化。对于被测变量的给定值，压电电荷系数越大，压电换能器输出越强。诸如PbZrO3和PbTiO3混合物的压电陶瓷(也被称为锆钛酸铅混合陶瓷(PZT))展示出比石英晶体的压电电荷系数高达数百倍的压电电荷系数。需要一种具有高压电灵敏度的压电换能器。然而，PZT强烈地取决于温度并且示出高的热灵敏度漂移。热灵敏度漂移被定义为以+20℃的压电灵敏度为基准，在压电材料的操作温度范围的极限之内压电灵敏度的变化。用以+20℃的压电灵敏度为基准的压电灵敏度的百分数表示热灵敏度漂移。通常地，操作温度范围覆盖-54℃到+260℃。PZT具有若干百分比数量级的高的热灵敏度漂移，而石英晶体具有上述1/10的热灵敏度漂移。热灵敏度漂移在压电换能器输出中是非线性的，这意味着压电灵敏度在操作温度范围的高端比在操作温度范围的低端高出几个百分数。在力测量期间，压电换能器的温度通常是未知的，使得PZT关于温度的非线性成为在压电换能器中使用PZT的严重缺点。可以通过使用特殊校准设备来用实验方法确定压电换能器输出关于温度的非线性。然而，压电换能器的校准是耗费时间的，并且校准设备是昂贵的。为了获得压电换能器输出关于温度的高线性，低的热灵敏度漂移是期望的。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种具有高压电灵敏度和低热灵敏度漂移的压电换能器。通过具有下述特征的压电换能器实现上述目的。用于测量力的压电换能器包括：基底元件；预加载元件；至少一个有效主地震质量装置，当被加速时能够产生所述力，所述有效主地震质量装置通过所述预加载元件被直接或者间接地连接紧靠到所述基底元件；主压电陶瓷元件，包括第一压电陶瓷，所述第一压电陶瓷在受到所述力时能够产生主电荷，所述主压电陶瓷元件通过所述预加载元件被直接或者间接地连接紧靠到所述有效主地震质量装置；至少一个补偿地震质量装置，当被加速时能够产生补偿力，所述补偿地震质量装置通过所述预加载元件被直接或者间接地连接紧靠到所述基底元件；补偿压电陶瓷元件，包括第二压电陶瓷，所述第二压电陶瓷在受到所述补偿力时能够产生补偿电荷，所述补偿压电陶瓷元件通过所述预加载元件被直接或者间接地连接紧靠所述补偿地震质量装置；所述第一压电陶瓷具有小于所述第二压电陶瓷的热灵敏度漂移；所述第一压电陶瓷产生主电荷，所述主电荷在量上大于由所述第二压电陶瓷产生的补偿电荷；以及所述主压电陶瓷元件关于要被测量的所述力取向，所述补偿压电陶瓷元件关于所述补偿力取向，使得所述主电荷和所述补偿电荷在极性上是相反的。因此，本专利技术使用不仅具有高压电灵敏度而且具有高热灵敏度漂移的压电陶瓷元件。为了将热灵敏度漂移保持为低的，使用两个压电陶瓷元件。所述两个压电陶瓷元件关于要被测量的力取向，使得在每个压电陶瓷元件中产生的电荷在极性上是相反的。收集相反极性的电荷。显然，这个方法对于解决本专利技术的目的不是有利的，因为收集的电荷的量是两个压电陶瓷元件的电荷的量的差。因此，与收集的电荷的量对应的压电换能器输出比可能的输出要小。为了获得尽可能高的压电灵敏度，人们本应收集导致在两个压电陶瓷元件中产生的电荷的总和的相同极性的电荷。为了防止收集的电荷量为零，两个压电陶瓷元件的电荷的量是不同的。本专利技术预见了一种压电陶瓷元件，其包括不同热灵敏度漂移的压电陶瓷。不同的灵敏度漂移影响两个压电陶瓷元件的电荷关于温度的非线性。灵敏度漂移越高，电荷关于温度的非线性越大。根据本专利技术，产生较大量电荷的压电陶瓷元件具有较低热灵敏度漂移的压电陶瓷。这个压电陶瓷元件被称为主压电陶瓷元件。产生较小量电荷的其它压电陶瓷元件具有较高热灵敏度漂移的压电陶瓷。这个压电陶瓷元件被称为补偿压电陶瓷元件。因此，主压电陶瓷元件和补偿压电陶瓷元件的电荷的收集较小程度地减少主电荷的量并且很大程度地降低主电荷的关于温度的非线性。优选地，补偿电荷的量大幅度地小于主电荷的量，因此结果是主电荷的量的少许减少。优选地，补偿电荷关于温度的非线性大幅度地高于主电荷关于温度的非线性，因此结果是主电荷关于温度的非线性的大幅度减少。附图说明下面将结合示意图借助于示例性实施例来说明本专利技术，在附图中：图1示出根据本专利技术的第一实施例的压电换能器的剖视图，该压电换能器是非平衡悬臂设计，具有螺旋预加载元件和一个主压电陶瓷元件。图2示出根据本专利技术的第二实施例的压电换能器的剖视图，该压电换能器是非平衡悬臂设计，具有螺旋预加载元件和两个主压电陶瓷元件。图3示出根据本专利技术的第三实施例的压电换能器的剖视图，该压电换能器是平衡双悬臂设计，具有螺旋预加载元件和两个主压电陶瓷元件。图4示出根据本专利技术的第四实施例的压电换能器的剖视图，该压电换能器是平衡双悬臂设计，具有环形预加载元件和两个主压电陶瓷元件。图5示出根据本专利技术的第五实施例的压电换能器的剖视图，该压电换能器是非平衡双悬臂设计，具有螺旋预加载元件和一个主压电陶瓷元件。图6示出根据本专利技术的第六实施例的压电换能器的剖视图，该压电换能器是非平衡双悬臂设计，具有环形预加载元件和一个主压电陶瓷元件。图7示出根据本专利技术的第七实施例的压电换能器的剖视图，该压电换能器是平衡三角形设计，具有环形预加载元件和两个主压电陶瓷元件。图8示出根据本专利技术的第八实施例的压电换能器的剖视图，该压电换能器是平衡三角形设计，具有环形预加载元件和三个主压电陶瓷元件。图9示出根据本专利技术的压电换能器的主压电灵敏度、补偿压电灵敏度和收集的压电灵敏度的示意图。图10示出根据本专利技术的压电换能器的主热灵敏度漂移、补偿热漂移和收集的热漂移的示意图。具体实施方式图1至图8示出用于测量力的压电换能器1的几个示例性实施例。压电换能器1包括几个元件和几个装置。这些元件是附图中描述的物理实体。这些装置是由至少一个元件形成的功能实体。压电换能器1包括由诸如钢合金、钛合金等金属材料制成的基底元件10。基底元件10机械地支撑压电换能器1的预加载部件，其中利用预紧元件(pre-l本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于测量力的压电换能器，包括：基底元件；预加载元件；至少一个有效主地震质量装置，当被加速时能够产生力，所述有效主地震质量装置通过所述预加载元件被直接或者间接地连接紧靠到所述基底元件；主压电陶瓷元件，包括第一压电陶瓷，所述第一压电陶瓷在受到所述力时能够产生主电荷，所述主压电陶瓷元件通过所述预加载元件被直接或者间接地连接紧靠到所述有效主地震质量装置；至少一个补偿地震质量装置，当被加速时能够产生补偿力，所述补偿地震质量装置通过所述预加载元件被直接或者间接地连接紧靠到所述基底元件；以及补偿压电陶瓷元件，包括第二压电陶瓷，所述第二压电陶瓷在受到所述补偿力时能够产生补偿电荷，所述补偿压电陶瓷元件通过所述预加载元件被直接或者间接地连接紧靠到所述补偿地震质量装置，其中所述第一压电陶瓷具有小于所述第二压电陶瓷的热灵敏度漂移；所述第一压电陶瓷产生主电荷，所述主电荷在量上大于由所述第二压电陶瓷产生的补偿电荷；以及所述主压电陶瓷元件相对于要被测量的所述力取向，所述补偿压电陶瓷元件相对于所述补偿力取向，使得所述主电荷和所述补偿电荷在极性上是相反的。

【技术特征摘要】
2016.06.28 US 62/355,5381.一种用于测量力的压电换能器，包括：基底元件；预加载元件；至少一个有效主地震质量装置，当被加速时能够产生力，所述有效主地震质量装置通过所述预加载元件被直接或者间接地连接紧靠到所述基底元件；主压电陶瓷元件，包括第一压电陶瓷，所述第一压电陶瓷在受到所述力时能够产生主电荷，所述主压电陶瓷元件通过所述预加载元件被直接或者间接地连接紧靠到所述有效主地震质量装置；至少一个补偿地震质量装置，当被加速时能够产生补偿力，所述补偿地震质量装置通过所述预加载元件被直接或者间接地连接紧靠到所述基底元件；以及补偿压电陶瓷元件，包括第二压电陶瓷，所述第二压电陶瓷在受到所述补偿力时能够产生补偿电荷，所述补偿压电陶瓷元件通过所述预加载元件被直接或者间接地连接紧靠到所述补偿地震质量装置，其中所述第一压电陶瓷具有小于所述第二压电陶瓷的热灵敏度漂移；所述第一压电陶瓷产生主电荷，所述主电荷在量上大于由所述第二压电陶瓷产生的补偿电荷；以及所述主压电陶瓷元件相对于要被测量的所述力取向，所述补偿压电陶瓷元件相对于所述补偿力取向，使得所述主电荷和所述补偿电荷在极性上是相反的。2.根据权利要求1所述的压电换能器，其中所述第一压电陶瓷的热灵敏度漂移是所述第二压电陶瓷的热灵敏度漂移的至多1/5。3.根据权利要求2所述的压电换能器，其中所述第一压电陶瓷由软PZT制成，所述软PZT的剪切压电电荷系数d15的热灵敏度漂移为：在操作温度范围内相对于在+20℃下的所述剪切压电电荷系数d15的值增加20％，和/或者所述第二压电元件由硬PZT制成，所述硬PZT的剪切压电电荷系数d15的热灵敏度漂移为：在操作温度范围内相对于在+20℃下的所述剪切压电电荷系数的值增加300％。4.根据权利要求1所述的压电换能器，其中所述第一压电陶瓷具有比所述第二压电陶瓷更大的压电电荷系数。5.根据权利要求4所述的压电换能器，其中所述第一压电陶瓷的压电电荷系数是所述第二压电陶瓷的压电电荷系数的至少两倍。6.根据权利要求5所述的压电换能器，其中所述第一压电陶瓷由具有在+20℃下大于400pC/N的剪切压电电荷系数d15的软PZT制成，和/或者所述第二压电元件由具有在+20℃下大于100pC/N的剪切压电电荷系数d15的硬PZT制成。7.根据权利要求1所述的压电换能器，其中所述压电换能器利用剪切压电效应，在所述主...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·P·库克，
申请(专利权)人：基斯特勒控股公司，
类型：发明
国别省市：瑞士,CH