一种适合低频的宽带高灵敏度扭转型压电加速度计

1.本发明涉及一种适合低频的宽带高灵敏度扭转型压电加速度计，属于压电加速度计技术领域。


背景技术：

2.压电加速度计作为一种广泛使用的惯性传感器，在振动测量、惯性导航、水声测量等领域起着重要作用。由于利用了压电陶瓷作为其敏感元件，相较于其他类型的加速度计，具有使用频带宽、灵敏度高、信噪比高、安装方便、结构简单、便于制作、可靠性高等优点。
3.对于低频加速度，通常使用弯曲型加速度计或剪切型加速度计进行测量。其中，弯曲型加速度计灵敏度虽然较高，但其频响范围通常较窄、且过冲击能力较差。而剪切型加速度计虽然工作频带较宽，稳定性较好，但在同尺寸和质量下，灵敏度相较于弯曲型加速度计低，同时剪切型加速度计为了提升低频灵敏度，通常要牺牲工作带宽。目前水声工程领域的测量越发集中在低频测量，如舰船壳体振动，矢量水听器内部敏感元件等都大量需要适合低频测量的，宽带、高灵敏度、体积小，重量轻的加速度计。而目前，无论弯曲型加速度计或剪切型加速度都无法同时满足需要，影响了水声工程领域低频测量能力的提升。因此，提供一种适合低频的宽带高灵敏度加速度计是十分必要的。


技术实现要素：

4.本发明为了满足现有水声工程领域低频结构振动和声场测量用高性能加速度计的需求，提供一种适合于低频测量的高灵敏度扭转型压电加速度计。
5.本发明的技术方案：
6.一种适合于低频测量的高灵敏度扭转型压电加速度计，包括第一压电陶瓷环1、第二压电陶瓷环2、惯性质量块3、螺杆4、第一支撑件5、第二支撑件6和基座7，所述的第一支撑件5、第一压电陶瓷环1、惯性质量块3、第二压电陶瓷环2和第二支撑件6依次紧密套装在螺杆4上，并且螺杆4的两端分别通过第一支撑件5和第二支撑件6安装在条状基座7的两端。
7.进一步限定，第一压电陶瓷环1和第二压电陶瓷环2的上电极面和下电极面上分别设置有绝缘片。
8.进一步限定，第一压电陶瓷环1和第二压电陶瓷环2的极化方向均为圆环圆周的切线方向。
9.进一步限定，惯性质量块3包括环状连接部17和伸出部16，环状连接部17装在螺杆4上。
10.更进一步限定，伸出部16为长杆状或长臂状。
11.更进一步限定，伸出部16与环状连接部17为不同材质金属或合金。
12.更进一步限定，环状连接部17的材质为铝合金或钢。
13.更进一步限定，伸出部16的材质为高密度合金。
14.进一步限定，第一压电陶瓷环1和第二压电陶瓷环2串联。
15.更进一步限定，第一压电陶瓷环1的上电极面作为接地端，第一压电陶瓷环1的下电极面与第二压电陶瓷环2的下电极面连接，第二压电陶瓷环2的上电极面为信号输出电极。
16.进一步限定，第一压电陶瓷环1和第二压电陶瓷环2并联。
17.更进一步限定，第一压电陶瓷环1的上电极面与第二压电陶瓷环2的下电极面连接作为接地端，第一压电陶瓷环1的下电极面与第二压电陶瓷环2的上电极面连接作为信号输出电极。
18.本发明具有以下有益效果：本发明基于压电陶瓷扭转运动并结合悬臂梁杠杆放大原理，提出一种新型加速度计结构，实现在小尺寸条件下提升压电加速度计的低频灵敏度，在水下低频振动测试时，可减小传感器质量对待测件的振动特性影响。同时，可为矢量水听器研制提供高性能加速度计，以减小低频用矢量水听器体积。
附图说明
19.图1是伸出部为长杆状时加速度计结构示意图；
20.图2是伸出部为长臂状时加速度计结构示意图；
21.图3是切向极化的第一压电陶瓷环示意图；
22.图4是切向极化的第二压电陶瓷环示意图；
23.图5是惯性质量块的结构示意图；
24.图6是实施例2加速度计的灵敏度曲线图；
25.图中1
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第一压电陶瓷环，2
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第二压电陶瓷环，3
‑
惯性质量块，4
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螺杆，5
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第一支撑件，6
‑
第二支撑件，7
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基座，9
‑
第一压电陶瓷环的上电极面，10
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第一压电陶瓷环的下电极面，13
‑
第二压电陶瓷环的上电极面，14
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第二压电陶瓷环的下电极面，16
‑
伸出部，17
‑
环状连接部。
具体实施方式
26.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
27.下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。所用材料、试剂、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器，本领域技术人员均可通过商业渠道获得。
28.实施例1：
29.如图1所示，加速度计包括第一压电陶瓷环1、第二压电陶瓷环2、惯性质量块3、螺杆4、第一支撑件5、第二支撑件6和基座7，所述的第一支撑件5、第一压电陶瓷环1、惯性质量块3、第二压电陶瓷环2和第二支撑件6由依次紧密套装在螺杆4上，并且螺杆4的两端分别通过第一支撑件5和第二支撑件6安装在基座7上；第一压电陶瓷环1和第二压电陶瓷环2的上电极面和下电极面上分别设置有绝缘片；第一压电陶瓷环1和第二压电陶瓷环2的极化方向为圆环圆周的切线方向。如此设置，如图3和4所示，第一压电陶瓷环1和第二压电陶瓷环2极化方向均为沿圆周的切向方向，即θ方向，当电极为压电陶瓷上下两个平面时，电极上加电，
则第一压电陶瓷环1和第二压电陶瓷环2发生厚度剪切运动，即产生扭转运动。由于压电陶瓷力
‑
电的可逆性，当压电陶瓷发生扭转运动时，在电极表面产生相应的电荷，与此运动相关的压电常数为d
15
参数，其输出的电荷量为作用在压电陶瓷表面扭转力与d
15
的乘积。同时作为影响压电加速度计灵敏度的另一重要元件惯性质量块3，通常直接与敏感元件接触，其所受惯性力为质量块质量与重力加速度的乘积mg，而通过悬臂梁结构其所作用在压电陶瓷表面扭转力为γ倍的mg，即电荷量q＝γmgd
15
。其电荷灵敏度为s
q
＝γm d
15
，电压灵敏度为s
v
＝s
q
/c0。其中c0为压电圆环陶瓷片电极之间的静态电容。也就是说在质量块质量一定的情况下，通过调节悬臂梁长度可以实现放大惯性力来提升加速度计灵敏度。
30.本技术提供的加速度计结构相比于现有弯曲悬臂梁型加速度计，将质量块与敏感元件的作用点，从敏感元件端部与质量块的连接处延长至敏感元件内部与质量块的连接处，即在悬臂梁长度不变且质量块质量不变的条件下，增大了惯性力放大倍数，提升了加速度计灵敏度，同时也避免了，现有技术通过增加悬臂梁长度或质量块质量的方式，提高加速度计灵敏度，容易导致的悬臂梁断裂的问题。
31.如图5所示，惯性质量块3包括环状连接部17和伸出部16，环状连接部17套装在螺杆4上，伸出部16为长杆状，伸出部16与环状连接部17为不同材质金属或合金。如此设置，伸出部16与环状连接部17为不同材质金属或合金，不但可以增加作用到压电陶瓷上的扭力，还可以减小加速度计的总质量。
32.第一压电陶瓷环1和第二压电陶瓷环2的连接方式可采用两种方法，使基座7与待测件连接时，加速度计与待测件共同振动，加速度计输出加速度信号。
33.(1)第一压电陶瓷环1和第二压电陶瓷环2并联，即第一压电陶瓷环的上电极面9与第二压电陶瓷环的下电极面14连接作为接地端，可与基座7相接也可不接。第一压电陶瓷环的下电极面10与第二压电陶瓷环的上电极面13连接作为信号输出电极。此时，加速度计电容为第一压电陶瓷环1和第二压电陶瓷环2的总和，这样可以降低加速度计自噪声，但灵敏度与只用一个压电陶瓷环输出一样。
34.(2)第一压电陶瓷环1和第二压电陶瓷环2串联，即第一压电陶瓷环的上电极面9作为接地端，可与基座7相接也可不接。第一压电陶瓷环的下电极面10与第二压电陶瓷环的下电极面14连接，第二压电陶瓷环的上电极面13为信号输出电极。此时加速度计的灵敏度为上面并联连接方式的2倍。
35.实施例2：
36.如图2所示，本实施例中伸出部16为长臂状，第一压电陶瓷环1和第二压电陶瓷环2采用串联方式连接。
37.当惯性质量块3在振动过程中上下摆动产生的惯性力，该惯性力通过杠杆放大作用到第一压电陶瓷环的下电极面10和第二压电陶瓷环的上电极面13，此时第一压电陶瓷环的上电极面9和第二压电陶瓷环的下电极面14通过绝缘片分别与第一支撑件5和第二支撑件6禁锢连接形成固定约束边界，可认为是固定边界条件。因此，在第一压电陶瓷环1和第二压电陶瓷环2产生扭转运动，进而通过反向压电效应在信号端输出电信号，与加速度成正比。
38.惯性质量块3的伸出部16为高密度合金材质，环状连接部17为铝合金材质或钢，在运动时与传统的惯性质量块3均由高密度合金材质相比，会使压电陶瓷产生的形变更大，利
于信号的提升。
39.为了验证本实施例加速度计的性能，图6给出了加速度计的灵敏度曲线图，由图6可知，加速度计电压灵敏度为4.63v/g(该灵敏度为不带放大倍数灵敏度数值)，谐振频率3551hz，3db上限工作频率可达1775hz。
40.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。