全温区近恒预紧力的压电加速度传感器制造技术

本发明专利技术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

【技术实现步骤摘要】
全温区近恒预紧力的压电加速度传感器


[0001]本专利技术涉及传感器领域，特别是一种全温区近恒预紧力的压电加速度传感器。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。

技术实现思路

[0004]本专利技术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。
[0005]为了实现以上目的，本专利技术的技术方案为：
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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：
[0016][0017]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。
[0018]相比于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：
[0019](1)本专利技术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。
[0020](2)本专利技术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。
[0021](3)本专利技术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
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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
[0022]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专利技术的原理。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。
[0023]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；
[0024]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；
[0025]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；
[0026]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；
[0027]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；
[0028]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；
[0029]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；
[0030]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
[本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦利锋，夏虎，杨淳，李宁，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：