一种半球万向敏感压电冲击传感器的制作方法

本发明涉及万向敏感压电冲击传感器领域，特别是涉及一种半球万向敏感压电冲击传感器。

背景技术：

万向敏感压电冲击传感器在工业领域、军事领域中有着广泛的应用。一般的万向敏感机构多采用碰击闭合开关，此类结构存在的主要问题是大角度冲击时作用可靠性低和作用时间长。采用万向敏感压电式冲击传感器作为目标探测装置，配合信号处理电路，可以很好的实现控制系统的快速可靠响应功能。

传统的压电式传感器采用平面块状陶瓷或者圆形陶瓷设计成单轴敏感结构或者三轴正交组合的方式，而传统的三轴传感器要用到沿x/y/z三个正交安装的结构，相应的需要三个晶组、三个质量块、三个预紧螺母等，每个方向都需要焊接导线，内部结构很复杂；其次，传统的三轴传感器需要输出三路信号，对三路信号进行绝对值求和，才能具有万向性；由此可知，传统的压电式传感器结构和信号处理都比较复杂，万向性较差，且不利于传感器的进一步小型化和安装使用。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种半球万向敏感压电冲击传感器，以解决传统的压电式传感器结构和信号处理复杂，万向性差的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种半球万向敏感压电冲击传感器，包括：半球底座、半球陶瓷厚膜、惯性球、预紧压块、预紧螺母、绝缘薄膜和外壳；

所述半球底座、所述半球陶瓷厚膜、所述惯性球、所述预紧压块以及所述预紧螺母设于所述外壳内部；

通过电射流微纳打印技术，将所述半球陶瓷厚膜打印至所述半球底座的半球表面；所述半球陶瓷厚膜与所述半球底座为一体化结构；

所述惯性球与所述半球陶瓷厚膜相匹配；所述预紧螺母和所述预紧压块对所述惯性球施加初始预紧力，使得所述惯性球与所述半球陶瓷厚膜相接触；

所述绝缘薄膜设于所述预紧压块以及所述预紧螺母之间；所述预紧压块上的焊接导线作为半球万向敏感压电冲击传感器的正极，所述外壳作为所述半球万向敏感压电冲击传感器的负极；所述绝缘薄膜用于对所述预紧压块以及所述预紧螺母进行电气隔离，使得所述正极与所述负极之间绝缘。

可选的，所述半球陶瓷厚膜的材料为锆钛酸铅。

可选的，所述半球陶瓷厚膜通过以下方式制备：控制半球底座的三维运行轨迹，利用电射流微纳打印技术在半球底座球面表面制备出厚度均匀的球面锆钛酸铅厚膜；对所述球面锆钛酸铅厚膜烧结固化，并在固化后的锆钛酸铅厚膜上表面溅射一层电极，经过极化后形成具有压电效应的半球陶瓷厚膜。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种半球万向敏感压电冲击传感器，利用电射流微纳打印技术在球面上制备半球形压电陶瓷厚膜，避免了敏感元件的装配，由于陶瓷是脆性材料，球形陶瓷加工精度很难保证，球形陶瓷与球形底座装配时由于配合不好会使得陶瓷受力不均匀，容易发生碎裂，导致产品报废，而本发明利用电射流微纳打印技术将陶瓷打印到金属基体上，实现半球形压电陶瓷厚膜与半球底座的一体化结构避免了单独加工球形陶瓷，不存在装配的环节，也不存在装配失效的问题，提高成品率；

同时，利用球对称结构实现传感器的空间万向敏感功能，巧妙的实现了压电冲击传感器的万向敏感功能，不光实现了任意方向敏感的应用需求，而且只用到一个压电元件(即压电陶瓷厚膜)，结构简单了很多，具有体积小、集成度高、万向性好的特点；同时，输出信号只有一路，信号处理非常简单。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的半球万向敏感压电冲击传感器剖面图；

图2为本发明所提供的半球陶瓷厚膜增材制造工艺示意图；

图3为本发明所提供的半球万向敏感压电冲击传感器工作原理图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种半球万向敏感压电冲击传感器，能够简化敏感压电冲击传感器结构和信号处理流程，提高所述半球万向敏感压电冲击传感器的万向性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明所提供的半球万向敏感压电冲击传感器剖面图，如图1所示，一种半球万向敏感压电冲击传感器，包括：半球底座、半球陶瓷厚膜、惯性球、预紧压块、预紧螺母、绝缘薄膜和外壳；所述半球底座、所述半球陶瓷厚膜、所述惯性球、所述预紧压块以及所述预紧螺母设于所述外壳内部；通过电射流微纳打印技术，将所述半球陶瓷厚膜打印至所述半球底座的半球表面；所述半球陶瓷厚膜与所述半球底座为一体化结构；所述惯性球与所述半球陶瓷厚膜相匹配；所述预紧螺母和所述预紧压块对所述惯性球施加初始预紧力，使得所述惯性球与所述半球陶瓷厚膜相接触；所述绝缘薄膜设于所述预紧压块以及所述预紧螺母之间；所述预紧压块上的焊接导线作为半球万向敏感压电冲击传感器的正极，所述外壳作为所述半球万向敏感压电冲击传感器的负极；所述绝缘薄膜用于对所述预紧压块以及所述预紧螺母进行电气隔离，使得所述正极与所述负极之间绝缘；其中，半球陶瓷厚膜的材料为锆钛酸铅([pb(zrxti1-x)o3，pzt)。

如图2所示，半球压电陶瓷厚膜采用基于电射流微纳打印的增材制造技术制作，通过控制半球底座的三维运行轨迹，在半球底座球面表面制备出厚度均匀的球面pzt厚膜，然后经过烧结固化；固化完成后在pzt厚膜上表面溅射一层电极，最后经过极化后形成具有压电效应的球面压电厚膜。

半球万向敏感压电冲击传感器工作原理如下：当传感器感受到冲击加速度时，根据牛顿第二定律，惯性球将在压电厚膜上产生f＝ma的惯性力，使得球面压电厚膜表面感受到的应力发上变化，如图3所示，根据正压电效应，球面压电厚膜表面将产生与惯性力成正比的电荷，该信号经过传感器的正负电极输出电信号。

当冲击加速度方向发生变化时，惯性球在压电厚膜上产生的惯性力方向也发上变化，由于陶瓷为球面结构，此时，半球形压电陶瓷厚膜大部分球面上仍然感受沿球半径方向的惯性力作用，仍然能够可靠地将冲击加速度信号转换为电信号。

本发明能够充分利用球形的空间对称性实现传感器具有较好的万向性，使得传感器在各个方向受到作用力都能够可靠响应。

由于传统单轴压电传感器只有一个敏感轴，理论上只能敏感期轴向的冲击加速度，当冲击加速度与敏感轴有夹角θ时，其灵敏度会按cosθ三角函数衰减，角度越大，则输出信号衰减越大，θ为90度时则完全不会响应了；本发明利用惯性球和压电陶瓷厚膜的球形对称结构的特点，使得传感器在感受到任意方向的冲击加速度时，惯性球感受的惯性力都能够在陶瓷表面引起应力变化，进而输出电信号，较好的解决了传统单轴压电传感器在大角度冲击加载时不能可靠工作的问题，大大提高了压电传感器的万向敏感性能。

现有压电传感器中，压电陶瓷一般采用机械加工的方式，通过机械装配的方式与传感器基体固定，具有装配工艺复杂，接触表面刚度低的问题，本发明中压电陶瓷厚膜与传感器金属基体共形打印，将压电陶瓷厚膜直接喷印在金属基体上，形式上两者合二为一，没有后续装配环节，而不是像传统的装配上去或者胶粘上去，实现一体化设计和制作，避免了敏感元件的装配。

由于装配时接触面之间很难保证理想的接触，会存在一些微观的间隙，本发明将压电陶瓷厚膜喷印在基体上，使得压电厚膜与金属基体的界面完全接触，比传统的将两个两件装配到一起的接触效果更好，使得接触表面接触刚度得到提高，传感器的动态性能更好，而且结构更加简单。

由于传统的球形陶瓷加工精度很难保证，其与球形基体装配时由于配合不好会使得陶瓷受力不均匀，陶瓷是脆性材料，容易发生碎裂，导致产品报废；采用增材制造技术打印球形压电厚膜，将陶瓷打印到金属基体上，避免了单独加工球形陶瓷，不存在装配的环节，也不存在装配失效的问题，提高了成品率，很好地解决了基于传统机械加工方式制造精密球形压电陶瓷成品率低、精度差的问题，对压电冲击传感器设计具有很大的参考价值。

本发明采用电射流微纳打印技术将压电陶瓷厚膜打印在球面金属基体上，实现敏感材料和金属基体的一体化设计和加工，避免了传统设计方法采用的陶瓷装配环节，解决了曲面压电陶瓷难以制造和装配的技术难题。

本发明采用球面压电陶瓷厚膜作为敏感元件、惯性球与压电陶瓷配合装配，由于压电陶瓷沿着其径向方向极化，可将任意沿着其径向方向的力转换为电信号，利用球形结构的空间对成性，实现压电冲击传感器具有非常好的万向敏感特性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。