三轴压电传感器的制作方法

本实用新型涉及传感器技术领域，尤其涉及一种三轴压电传感器。

背景技术：

压电式加速度传感器在工业中应用广泛，主要用于监测设备的健康状态，被测设备在工作中会产生振动，且振动形式往往是多个振动方向的叠加，由此传统的单轴输出加速度传感器满足不了需求，又由于振动形式的多样性，对传感器能检测到的频响范围和长期稳定工作以及输出信号精度提出了很高的要求。

因此，亟需一种新的压电传感器。

技术实现要素：

本实用新型实施例提供一种三轴压电传感器，旨在能够稳定可靠地检测空间中三个不同方向的震动。

本实用新型实施例一方面提供了一种三轴压电传感器，包括：壳体及电荷输出元件，壳体具有轴线两两相互垂直的三个定位通孔，电荷输出元件设置在壳体内并插入定位通孔，电荷输出元件包括：底座，包括连接部件和连接至连接部件的一端的支撑部件，连接部件具有轴向向内凹陷的凹部，凹部位于远离支撑部件的端面；压电元件，为环形结构体，套接设置在连接部件上；质量块，为环形结构体，套接设置在压电元件上；胀紧元件，设置于连接部件的凹部内并径向胀紧连接部件的凹部的壁。

根据本实用新型的一个方面，连接部件的凹部处具有从端面轴向向内凹陷的至少一个缺口，缺口贯通凹部的壁。

根据本实用新型的一个方面，连接部件为柱状结构，支撑部件为设置在连接部件一端并与连接部件同轴的盘类结构。

根据本实用新型的一个方面，电荷输出元件与插入的定位通孔同轴设置。

根据本实用新型的一个方面，压电元件包括相对的内环面和外环面，压电元件的内环面套接在连接部件上，质量块套接在压电元件的外环面上。

根据本实用新型的一个方面，壳体在定位通孔处具有从外表面向内表面凹陷的环形槽，底座的支撑部件具有与环形槽匹配的突出部。

根据本实用新型的一个方面，壳体与底座均为导体，并且壳体与底座电连接。

根据本实用新型的一个方面，还包括连接器，壳体具有连接器通孔，连接器插入连接器通孔并固定连接于壳体，连接器包括信号插针和接地插针，质量块为导体。

根据本实用新型的一个方面，还包括电路板，设置在壳体内，电路板分别与电荷输出元件和连接器电气连接。

根据本实用新型的一个方面，连接器通孔与三个定位通孔中的一个同轴设置。

本实用新型提供的三轴压电传感器，包括壳体和电荷输出元件，壳体具有轴线两两相互垂直的三个定位通孔，定位通孔中分别安装有电荷输出元件，从而能够检测空间中三个不同方向的震动，并且电荷输出元件通过胀紧元件的胀紧力来固定压电元件和质量块，连接强度高，有效提升电荷输出元件的整体刚度，能够保证三轴压电传感器长期稳定可靠地工作。

附图说明

通过阅读以下参照附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显，其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征。

图1是本实用新型实施例的一种三轴压电传感器的剖面结构示意图；

图2是本实用新型实施例的一种三轴压电传感器的分解结构示意图；

图3是本实用新型实施例的一种电荷输出元件的剖面结构示意图；

图4是本实用新型实施例的一种底座的剖面结构示意图；

图5是本实用新型实施例的一种底座的立体结构示意图；

图6是本实用新型另一个实施例的一种底座的立体结构示意图；

图7是本实用新型实施例的一种胀紧元件的立体结构示意图；

图8是本实用新型实施例的一种装配有胀紧元件的底座的剖面结构示意图。

附图标记说明：1、壳体；2、连接器；3、电荷输出元件；31、底座；32、压电元件；33、质量块；34、胀紧元件；4、电路板。

具体实施方式

下面将详细描述本实用新型的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本实用新型的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本实用新型可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本实用新型的示例来提供对本实用新型的更好的理解。在附图和下面的描述中，至少部分的公知结构和技术没有被示出，以便避免对本实用新型造成不必要的模糊；并且，为了清晰，可能夸大了部分结构的尺寸。此外，下文中所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。

下述描述中出现的方位词均为图中示出的方向，并不是对本实用新型的实施例的具体结构进行限定。在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

为了更好地理解本实用新型，下面结合图1至图8根据本实用新型实施例的三轴压电传感器进行详细描述。

如图1和图2所示，本实用新型实施例提供的一种三轴压电传感器，包括：壳体1及电荷输出元件3，壳体1具有轴线两两相互垂直的三个定位通孔，电荷输出元件3设置在壳体1内并插入定位通孔，电荷输出元件3包括：底座31，包括连接部件和连接至连接部件的一端的支撑部件，连接部件具有轴向向内凹陷的凹部，凹部位于远离支撑部件的端面；压电元件32，为环形结构体，套接设置在连接部件上；质量块33，为环形结构体，套接设置在压电元件32上；胀紧元件34，设置于连接部件的凹部内并径向胀紧连接部件的凹部的壁。

具体地，壳体1可以是钛合金壳体，壳体1可以是六面体形状并具有空腔，定位通孔开设在壳体1的面上并且轴线两两相互垂直。优选地，三个定位通孔的轴线相交。定位通孔可以是连通壳体1的内部空腔与外部环境的圆形通孔，定位通孔可以开设在包围形成壳体1的空腔的壁上。

进一步参考图3，三个电荷输出元件3都设置在壳体1所形成的空腔内，即压电元件32和质量块33设置在壳体1的空腔内。每个定位通孔对应一个电荷输出元件3。每个电荷输出元件3与其插入的对应定位通孔为同轴设置。

电荷输出元件3中的底座31可导电，优选地，底座31可以为钛合金底座。示例地，底座31的连接部件为柱状结构，底座31的支撑部件为设置在连接部件一端并与底座31的连接部件同轴的盘类结构。优选地，底座31的连接部件为圆柱状结构，底座31的支撑部件为圆盘状结构。示例地，底座31的连接部件与支撑部件设置有间隔部件，该间隔部件可以将底座31的支撑部件与套接设置在连接部件上的压电元件32间隔开。该间隔部件的直径大于连接部件的直径但小于支撑部件的直径，或者，该间隔部件的直径与连接部件相同但径向上设置有至少一个凸起。示例地，底座31的连接部件和支撑部件可以一体形成，也可以通过连接结构连接成一体。底座31的间隔部件可以与连接部件和支撑部件可以一体形成。底座31的连接部件具有外周表面。

压电元件32由压电陶瓷构成，例如pzt陶瓷(锆钛酸铅陶瓷)，压电元件32为圆环形结构体，并包括相对的内环面和外环面。压电元件32的内环面套接在连接部件上，示例地，压电元件32的内环面套接在连接部件的外周表面上。示例地，压电元件32的朝向支撑部件的端面直接抵靠在支撑部件上。在具有间隔部件的示例中，压电元件32的朝向支撑部件的端面抵靠在间隔部件上。在一个可选的示例中，压电元件32的内环面和外环面上设置有导电层，有助于压电元件32电信号的传输，导电层可以为镀金层。

质量块33为钨铜合金质量块，且为圆环形结构体，并包括相对的内环面和外环面，质量块33的内环面套接在压电元件32的外环面上。在具有间隔部件的示例中，质量块33悬空设置在支撑部件上方。压电元件32与质量块33的朝向支撑部件的端面相平齐。

进一步参考图4至5和图7至8，连接部件的远离支撑部件的端面上设置有凹部，该凹部沿着连接部件的轴向凹入连接部件。胀紧元件34可以设置于连接部件的凹部内并径向胀紧连接部件的凹部处的壁。胀紧元件34可以是c字形的弹性元件，即具有通槽的环形结构。胀紧元件34插入连接部件的凹部后胀紧或胀大凹部处的壁，通过从凹部处的壁传递的胀紧力胀紧压电元件32，通过从压电元件32传递的胀紧力胀紧质量块33，以实现连接部件与压电元件32以及压电元件32与质量块33之间的紧固连接。

本实用新型实施例提供的三轴压电传感器，壳体1上设置有轴线两两相互垂直的三个定位通孔，定位通孔中分别安装有电荷输出元件3，从而能够检测空间中三个不同方向的震动，并且电荷输出元件3通过胀紧元件34的胀紧力来固定压电元件32和质量块33，连接强度高，有效提升电荷输出元件3的整体刚度，能够保证三轴压电传感器长期稳定可靠地工作。

可以理解的是，壳体1可以是球形壳体，或者壳体1为六面体且六面体的面与面之间为弧形过渡。壳体1内的空腔可以与壳体1的形状近似对应，还可以是在定位通孔形成在实体的壳体1上的情况下，定位通孔之间相交形成的腔体部分与定位通孔本身共同形成。压电元件32并不限于采用压电陶瓷，有一些实施例中，还可以采用单晶，如石英晶体。压电元件32、质量块33并不仅限为圆环形结构体，在一些可选的实施例中，还可以采用多边形环结构体，相应的，连接部件可以为多边形柱状结构，只要能够满足电荷输出元件3的使用要求均可。胀紧元件34还可以是锥形元件。胀紧元件34还可以具有螺纹结构，例如在胀紧元件34的外周表面上。胀紧元件34还可以是锥头螺钉，锥头螺钉的螺纹部分拧入连接部件的对应螺纹孔中。底座31的连接部件与压电元件32之间及压电元件32与质量块33之间还可以再设置导电银胶和环氧胶水，以加强连接强度。

作为一种可选的实施方式，进一步参考图6，连接部件的凹部处具有从端面轴向向内凹陷的至少一个缺口，缺口贯通凹部的壁。即连接部件的凹部处的壁上具有贯通凹部内外的缺口，缺口在连接部件的远离支撑部件的端面上形成开口。图6中只示出了一个缺口，在另一示例中，连接部件的凹部处可以具有两个或更多个缺口，缺口之间可以等距间隔排列。缺口的延伸方向与连接部件的轴向可以同向，也可以不同向。缺口可以是条形槽，也可以是弧形槽或其他异形槽。缺口的深度可以与凹部的深度相同。

连接部件上的缺口使得胀紧元件34在插入连接部件的凹部后能够更好地胀紧或胀大凹部处的壁，并且更好地传递胀紧力。

作为一种可选的实施方式，壳体1在定位通孔处具有从外表面向内表面凹陷的环形槽，底座31的支撑部件具有与环形槽匹配的突出部。通过支撑部件的突出部与定位通孔处的环形槽相配合，底座31的支撑部件紧密配合到壳体1。优选地，底座31的支撑部件与壳体1之间通过激光焊接。壳体1与底座31均为导体，且壳体1与底座31之间可形成电连接。

作为一种可选的实施方式，本实用新型实施例的三轴压电传感器还包括连接器2，壳体1具有连接器通孔，连接器2插入连接器通孔并固定连接于壳体1。连接器通孔与三个定位通孔中的一个同轴设置。连接器2包括信号插针和接地插针。连接器2的材质可以与壳体1的材质相同。连接器2可以激光焊接到壳体1。示例地，信号插针可以为三个，接地插针可以为一个。作为一种可选的实施方式，质量块33为导体。

作为一种可选的实施方式，本实用新型实施例的三轴压电传感器还包括电路板4，电路板4设置在壳体1内，电路板4分别与电荷输出元件3和连接器2电气连接。具体地，电路板4为厚膜电路板。电路板4的数量为三个，一个电荷输出元件3对应一个电路板4。电路板4的电荷正极引线电连接到对应的电荷输出元件3的质量块33，例如可以焊接到质量块33。电路板4的电荷负极引线电连接到对应的电荷输出元件3的底座31，例如可以焊接到底座31。示例地，焊接的方式可以为压阻焊。一个电路板4的电压正极引线对应地电连接到连接器2的信号插针中的一个。三个电路板4的电压负极引线均电连接到连接器2的接地插针。

可以理解的是，本实用新型实施例的三轴压电传感器可以不包括电路板4，一个电荷输出元件3的质量块33可以对应地电连接到连接器2的一个信号插针，具体可以为焊接。三个电荷输出元件3的底座31可以均电连接到连接器2的接地插针，具体可以为焊接。这样，来自电荷输出元件3的电荷信号经由连接器2导出到后续处理电路再进行解析成电压信号。

本实用新型实施例提供的三轴压电传感器，采用环形剪切形式，通过压电元件的压电效应，输出电荷信号，再通过电路板4的调理电路，将电荷信号转变为电压信号，能够得出被测物体的振动规律。

本实用新型实施例提供的三轴压电传感器，通过在空间中正交(即轴线两两相互垂直)设置三个电荷输出元件3，能检测到空间中三个不同方向的振动信号，频率响应范围宽；并且通过壳体1与底座31之间的结构使得该三轴压电传感器的结构刚度高，体积小，重量轻；电荷输出元件3通过胀紧元件34的胀紧力来固定压电元件32和质量块33，连接强度高，有效提升电荷输出元件3的整体刚度，能够保证三轴压电传感器长期稳定可靠地工作；壳体1的材质采用钛合金材料，进一步提高刚度。

本实用新型可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。例如，特定实施例中所描述的算法可以被修改，而系统体系结构并不脱离本实用新型的基本精神。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本实用新型的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本实用新型的范围之中。