一种耐高温压电加速度传感器的制作方法

1.本发明涉及加速度传感器技术领域，具体涉及一种耐高温压电加速度传感器。


背景技术：

2.压电加速度传感器是一种利用压电效应进行机电能量转换的器件，它具有灵敏度高、频响宽、环境适应性强等优点，广泛应用于核电行业、航空航天、道路桥梁和建筑设计等军用、民用领域，特别是在核电行业中具有特殊的地位。
3.其中，核动力设备周围长期存在流体振动、水锤冲击、气液两相流等引起的振动载荷，从而诱发疲劳振动问题，导致材料及结构的性能劣化，进而影响设备服役的稳定性与可靠性，严重时会引起泄露甚至被迫停堆。特别是核级管道发生破裂时，破口处喷射的高能流体会使管道自身发生甩动，破坏周围的设备，造成更为严重的二次破坏。因此在核动力系统的运行过程中，需要采用传感器对核电关键设备进行在线振动监测，以判断其结构缺陷及潜在的威胁。
4.在实际使用中，通常采用压电加速度传感器测量加速度幅值的方法，对核动力关键设备进行在线监测及振动测量评价。而核动力系统的工作温度超过了300℃，使用的加速度传感器需要长期稳定工作在高温环境中。目前，国内的压电加速度传感器耐受温度低，虽然能在常温下稳定工作，但在高温下的精度受限、阻抗不高，不能长期稳定工作，难以满足核动力设备的测试要求。


技术实现要素：

5.针对现有的压电加速度传感器耐受温度低的技术问题，本发明提供了一种耐高温压电加速度传感器，能够在高温的环境下稳定运行，可广泛应用于核电领域高温环境中的振动测试。
6.本发明通过下述技术方案实现：
7.本发明提供了一种耐高温压电加速度传感器，包括：压电测量体，所述压电测量体能够根据被测设备的振动输出压电信号；安装座，所述安装座的下侧用于连接被测设备，所述安装座的上侧安装有所述压电测量体；密封壳，所述密封壳的下端与所述安装座上端密封固定连接，所述密封壳用于密封所述压电测量体；密封接头，所述密封接头设于所述密封壳上，且所述密封接头内密封插接有正极连接极和负极连接极；其中，所述正极连接极和所述负极连接极用于连接所述压电测量体和外部电缆。
8.本发明提供的耐高温压电加速度传感器，压电测量体安装在安装座上，而密封壳与安装座上端密封固定连接，从而通过密封壳密封压电测量体，同时通过密封接头的正极连接极和负极连接极将压电测量体的电信号引出，而密封接头密封穿设在密封壳的上壁，能够确保密封壳整体的密封性，避免外部介质直接与压电测量体进行热交换，进而能够在高温的环境下稳定运行，可广泛应用于核电领域高温环境中的振动测试。
9.在一可选的实施方式中，所述压电测量体通过预紧螺栓与所述安装座固定连接，
以通过预紧螺栓给压电测量体提供预紧力。
10.在一可选的实施方式中，所述压电测量体中部设有通孔，所述安装座上端设置有螺孔，所述预紧螺栓穿过所述通孔与所述螺孔螺接，以确保压电测量体安装的可靠性。
11.在一可选的实施方式中，所述预紧螺栓头部与所述压电测量体之间设置有质量块，以通过质量块有效提高传感器的输出电荷量。
12.在一可选的实施方式中，所述压电测量体包括多块堆叠在一起的压电陶瓷片，以便于调节压电测量体的灵敏度。
13.在一可选的实施方式中，两相邻的所述压电陶瓷片相对的一面极性相同。
14.在一可选的实施方式中，所述压电陶瓷片的材质为铋层状或钙钛矿类高温压电陶瓷，以确保压电测量体有足够的高温耐受性能。
15.在一可选的实施方式中，所述密封壳顶部设有用于插接所述密封接头的连接孔。
16.在一可选的实施方式中，所述负极连接极外套设有第一密封件，所述第一密封件外套设有密封盖，所述密封盖用于密封所述第一密封件与密封壳之间的空隙；所述负极连接极内设有插接孔，所述正极连接极插设在所述插接孔内，且所述正极连接极外套设有第二密封件，所述第二密封件用于密封所述正极连接极与所述负极连接极之间的空隙，以在确保密封壳密封性的同时，将压电测量体的测量数据导出。
17.在一可选的实施方式中，所述第一密封件和所述第二密封件的材质为玻璃或金属化处理的绝缘陶瓷。
18.本发明具有如下的优点和有益效果：
19.本发明提供的耐高温压电加速度传感器，压电测量体安装在安装座上，而密封壳与安装座上端密封固定连接，从而通过密封壳密封压电测量体，同时通过密封接头的正极连接极和负极连接极将压电测量体的电信号引出，而密封接头密封穿设在密封壳的上壁，能够确保密封壳整体的密封性，避免外部介质直接与压电测量体进行热交换，进而能够在高温的环境下稳定运行，可广泛应用于核电领域高温环境中的振动测试。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
21.在附图中：
22.图1为本发明实施例耐高温压电加速度传感器的结构示意图；
23.图2为图1的a部放大示意图；
24.图3为图1的b部放大示意图。
25.在附图中：
26.10-压电测量体，11-通孔，12-质量块，13-压电陶瓷片，14-正电极片，15-负电极片，20-安装座，21-螺孔，30-密封壳，31-连接孔，40-密封接头，41-负极连接极，42-正极连接极，43-第一密封件，44-第二密封件，45-插接孔，46-密封盖，50-预紧螺栓。
具体实施方式
27.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
28.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
29.在本发明实施例的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖向”、“纵向”、“侧向”、“水平”、“内”、“外”、“前”、“后”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
30.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“开有”、“安装”、“相连”、“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；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
31.需要说明的是，核动力系统的工作温度超过了300℃，使用的加速度传感器需要长期稳定工作在高温环境中。目前核动力系统使用的耐高温压电加速度传感器严重依赖进口，供货周期长，价格昂贵。
32.为解决上述问题，本发明提供一种耐高温压电加速度传感器，能够在400℃高温环境下长期工作，且具有高灵敏度、宽频响、强抗干扰性等优点，详见实施例。
33.实施例
34.结合图1，本实施例提供了一种耐高温压电加速度传感器，包括：压电测量体10，所述压电测量体10能够根据被测设备的振动输出压电信号；安装座20，所述安装座20的下侧用于连接被测设备，所述安装座20的上侧安装有所述压电测量体10；密封壳30，所述密封壳30的下端与所述安装座20上端密封固定连接，所述密封壳30用于密封所述压电测量体10；密封接头40，所述密封接头40设于所述密封壳30上，且所述密封接头40内密封插接有负极连接极41和正极连接极42；其中，所述负极连接极41和所述正极连接极42用于连接所述压电测量体10和外部电缆。
35.结合图2具体来说，所述压电测量体10通过预紧螺栓50与所述安装座20固定连接，通过预紧螺栓50给压电测量体10提供预紧力。
36.相应的，所述压电测量体10中部设有通孔11，所述安装座20上端设置有螺孔21，所述预紧螺栓50穿过所述通孔11与所述螺孔21螺接，以确保压电测量体10安装的可靠性。
37.在此基础上，所述预紧螺栓50头部与所述压电测量体10之间设置有质量块12，以通过质量块12有效提高传感器的输出电荷量。对于质量块12，本实施例中，所述质量块12的材质为高比重合金，不仅明显提高传感器的电荷灵敏度，而且有效减小了传感器的体积。
38.在本实施例中，所述压电测量体10包括多块堆叠在一起的压电陶瓷片13，以便于根据所需灵敏度的大小进行调整。通常情况下，所述压电陶瓷片13的数量为4～6片。
39.具体的，两相邻的所述压电陶瓷片13相对的一面极性相同。
40.其中，所述压电陶瓷片13的材质为铋层状类或钙钛矿类，或者其他可以承受高温的材质。在本实施例中，优先采用铋层状高温压电陶瓷，使得压电陶瓷片13的使用温度超过400℃。
41.另外，每片所述压电陶瓷片13的正电极端装配正电极片14，负电极端装配负电极片15，用于提取压电陶瓷片13产生的电荷。也就是说，所述压电陶瓷片13、正电极片14和负电极片15经装配构成压电测量体10，而压电测量体10的压电陶瓷片13的数量可根据所需灵敏度的大小进行调整。
42.可以理解的是，压电测量体10上下端均放置了绝缘片，可以实现压电测量体10和其他零部件(质量块12和安装座20)间的电绝缘。即，所述安装座20、压电测量体10、质量块12和绝缘片通过预紧螺栓50进行锁紧，所述预紧螺栓50为整个结构提供预紧力。
43.在此基础上，继续结合图1具体来说，在本实施例中，所述密封壳30顶部设有用于插接所述密封接头40的连接孔31。在本实施例中采用镍铬铁高温合金，以替代传统的不锈钢，确保密封壳30有足够的高温耐受性能。
44.结合图3，所述负极连接极41外套设有第一密封件43，所述第一密封件43外套设有密封盖46，所述密封盖46用于密封所述第一密封件43与密封壳30之间的空隙；所述负极连接极41内设有插接孔45，所述正极连接极42插设在所述插接孔45内，且所述正极连接极42外套设有第二密封件44，所述第二密封件44用于密封所述正极连接极42与所述负极连接极41之间的空隙，以确保密封壳30密封性的同时，将压电测量体10的测量数据导出。
45.可知的是，传统的橡胶密封圈，最高耐受温度只能到200℃左右，不再适用于本实施例。因此，本实施例中，所述第一密封件43和所述第二密封件44的材质为玻璃或金属化处理的绝缘陶瓷，以确保密封接头40有足够的高温耐受性能。同时，在本实施例中，密封盖46的材质为镍铬铁合金，以确保其有足够的高温耐受性能。
46.当第一密封件43和第二密封件44的材质为玻璃时，制造装配时，先将玻璃粉烧成玻璃坯，再将密封盖46、第一密封件43、负极连接极41、第二密封件44、正极连接极42依次套设在一起，接着将所有零件置于高温环境中烧结，使得各零件稳固连接成一个整体，最后经过一系列表面化处理得到密封接头40。
47.当第一密封件43和第二密封件44的材质为绝缘陶瓷时，制造装配时，先将第一密封件43和第二密封件44进行金属化处理，再将密封盖46、第一密封件43、负极连接极41、第二密封件44、正极连接极42依次套设在一起，接着将所有零件置于高温环境中烧结，使得各零件稳固连接成一个整体，得到密封接头40。
48.另外，所述安装座20和预紧螺栓50的材质相同，均为镍铬铁合金，可以保证传感器在高温环境下的结构和性能稳定性。通常，安装座20为圆形结构；所述安装座20和被测设备具有多种连接方式，可以通过底部中心的标准螺纹接口进行连接，也可以通过胶粘进行连接。
49.本实施提供的耐高温压电加速度传感器装配步骤如下：
50.s10、按照负电极片15、压电陶瓷片13、正电极片14的顺序依次进行堆叠，堆叠时使
用专用工装器具进行对中，使所有零部保持同轴；
51.s20、堆叠时使所有的正电极片14长端的角度保持一致，所有的负电极片15长端的角度保持一致，正电极片14和负电极片15长端有一定的角度偏差，堆叠后正电极片14和负电极15长端的相对角度为90
°
；
52.s30、堆叠完成后(最上方为电极片)分别将位于同一角度的电极片长端进行折弯，保证折弯后电极片紧密贴合在压电陶瓷片13的侧边，接着将位于同一角度的电极片焊接在一起，分别构成正电极端和负电极端；所有的零件共同组成压电测量体10；并在正电极端和负电极端焊接一定长度的导线；
53.s40、依次将绝缘片、压电测量体10、绝缘片、质量块12放置在安装座20的上部并使用专用工装器具进行对中，使所有零件保持同轴；对中后将预紧螺栓50放置在顶部并施加一定的扭矩进行旋紧；
54.s50、将密封壳30放置在安装座20的上端，并将连接处进行焊接。
55.s60、将正极连接极42、第二密封件44、负极连接极41、第一密封件43和密封盖46依次套设在一起，再将所有零件置于高温环境中烧结，使得各零件稳固连接为一个整体，构成密封接头40；
56.s70、将负极连接极41与负电极片15端导线、正极连接极42与正电极片14端导线分别进行焊接；
57.s80、将密封接头40放置在密封壳30的上端并进行焊接，最终构成完整的耐高温压电加速度传感器。
58.对于各金属部件间的焊接，在本实施例中，采用激光焊或精细钎焊，确保密封壳的耐高温密封。
59.经过高温寿命的试验验证，本实施例提供的耐高温压电加速度传感器可以在400℃的工作环境下长期稳定工作。
60.综上所述，本实施例提供的耐高温压电加速度传感器，压电测量体安装在安装座上，而密封壳与安装座上端密封固定连接，从而通过密封壳密封压电测量体，同时通过密封接头的正极连接极和负极连接极将压电测量体的电信号引出，而密封接头密封穿设在密封壳的上部连接孔中，能够确保密封壳整体的密封性，避免外部介质直接与压电测量体进行热交换，进而能够在高温的环境下稳定运行，且密封壳能够屏蔽外部电磁干扰(主要是压电测量体通过绝缘片与其他零件实现了绝缘)。
61.因此，本实施例提供的耐高温压电加速度传感器，能够在高温环境下稳定运行，且具有高灵敏度、宽频响、强抗干扰性等优点，可满足核电关键设备的振动测量及在线监测要求，能够广泛应用于核电领域及其他领域高温环境中的振动测试。
62.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
63.即，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，例如可以对压电陶瓷片的数量和正负极方向进行修改、各个零部件的材质及尺寸进行修改等。倘若这些修改和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围
之内，则这些改动和变形均在本发明的保护范围内。