电荷输出元件、装配方法及压电加速度传感器与流程

本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种电荷输出元件、装配方法及压电加速度传感器。

背景技术：

压电加速度传感器又称压电加速度计，也属于惯性式传感器。压电加速度传感器的原理是利用压电元件的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。

压电加速度传感器内设置有电荷输出元件，现有技术中，电荷输出元件的各部件间采用连接层连接，通过连接层连接的方式虽然能够使得电荷输出元件的各部件装配结合，但是采用连接层连接方式对于连接层的品质及装配操作要求极高，若连接层内含有杂质或者装配时操作不当，则会导致电荷输出元件各部件间连接强度低，使得电荷输出元件的整体刚度不足，进而导致压电加速度传感器的频响特性及谐振过低。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种电荷输出元件、装配方法及压电加速度传感器，能够保证电荷输出元件的刚性，进而提升压电加速度传感器的频响特性及谐振。

本发明实施例一方面提出了一种电荷输出元件，包括：支架，包括连接部件；压电元件，为环形结构体，套接在连接部件上，压电元件上设置有第一形变槽，第一形变槽贯通压电元件的侧壁，以使压电元件在环向上断开；质量块，为环形结构体，套接在压电元件上；其中，压电元件与连接部件及质量块过盈配合。

根据本发明实施例的一个方面，质量块上设置有贯通质量块的侧壁的第二形变槽，以使质量块在环向上断开，并且进一步设置套接在质量块上的预紧环，预紧环与质量块过盈配合。

根据本发明实施例的一个方面，第一形变槽为条形槽且沿着压电元件的轴线方向延伸，第二形变槽为条形槽且沿着质量块的轴线方向延伸。

根据本发明实施例的一个方面，压电元件上在第一形变槽处形成两个相对的第一槽切面，两个相对的第一槽切面之间的距离不大于0.2mm，质量块上在第二形变槽处形成两个相对的第二槽切面，两个相对的第二槽切面之间的距离不大于0.2mm。

根据本发明实施例的一个方面，预紧环、质量块、压电元件及支架的线膨胀系数依次减小。

根据本发明实施例的一个方面，压电元件由压电陶瓷或石英晶体构成，压电元件包括相对的内环面及外环面，内环面及外环面上设置有导电层，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。

根据本发明实施例的一个方面，支架还包括支撑部件，连接部件具有柱状结构，支撑部件为围绕连接部件设置的盘类结构且位于连接部件的一端。

本发明实施例提供的电荷输出元件，包括支架、压电元件及质量块，压电元件与质量块及支架之间过盈配合，无需连接层连接，即压电元件、质量块及支架之间为刚性接触，连接强度高，能够有效的提升电荷输出元件的整体刚度，继而提升压电加速度传感器的频响特性及谐振。同时，在压电元件上设置有使压电元件在环向上断开的第一形变槽，使得压电元件具有更大的形变量，便于质量块、压电元件及支架之间的装配，提高电荷输出元件的装配效率。

本发明实施例另一方面提出了一种电荷输出元件的装配方法，包括如下步骤：

a.将质量块冷却，使其形变收缩；

b.将形变收缩后的质量块取出，并将预紧环套设在形变收缩后的质量块上，质量块形变恢复后与预紧环过盈配合；

c.将压电元件冷却，使其形变收缩；

d.将形变收缩后的压电元件取出，并将组合后的预紧环与质量块套设在形变收缩后的压电元件上，压电元件形变恢复后与质量块过盈配合；

e.将支架冷却，使其形变收缩；

f.将形变收缩后的支架取出，并将组合后的预紧环、质量块及压电元件套设在形变收缩后的支架的连接部件上，连接部件形变恢复后与压电元件过盈配合。

根据本发明实施例的另一个方面，在步骤a、步骤c及步骤e中的质量块、压电元件及支架的冷却温度由配合时的最大过盈量、配合直径及材料的线膨胀系数计算得到；在步骤a、步骤c及步骤e中的质量块、压电元件及支架的冷却时间由质量块、压电元件及支架各自的综合系数及最大壁厚计算得到。

本发明实施例又一方面提出了一种压电加速度传感器，包括：上述电荷输出元件；底座，具有安装面；连接器，与电荷输出元件的压电元件电连接；保护罩，环绕电荷输出元件设置，连接在底座及连接器之间；其中，电荷输出元件设置在底座的安装面上。

根据本发明实施例的又一个方面，压电加速度传感器还包括电路板，电路板固定在质量块上，压电元件及连接器均与电路板电连接。

根据本发明实施例的又一个方面，压电加速度传感器还包括屏蔽罩，屏蔽罩扣接在支架上，压电元件、质量块及电路板均位于屏蔽罩内。

附图说明

下面将参考附图来描述本发明示例性实施例的特征、优点和技术效果。

图1是本发明一个实施例的电荷输出元件的立体结构示意图；

图2是本发明一个实施例的电荷输出元件的剖面结构示意图；

图3是本发明一个实施例的支架的结构示意图；

图4是本发明一个实施例的压电元件的结构示意图；

图5是本发明另一个实施例的电荷输出元件的剖面结构示意图；

图6是本发明另一个实施例的预紧环的结构示意图；

图7是本发明另一个实施例的质量块的结构示意图；

图8是本发明一个实施例的压电加速度传感器的立体结构示意图；

图9是本发明一个实施例的压电加速度传感器的剖面结构示意图。

其中：

1-电荷输出元件；

10-支架；11-连接部件；12-支撑部件；13-定位凸起；

20-压电元件；21-内环面；22-外环面；23-第一形变槽；24-第一槽切面；

30-质量块；31-内环面；32-外环面；33-第二形变槽；34-第二槽切面；

40-预紧环；41-内环面；42-外环面；

2-底座；201-安装面；

3-保护罩；

4-连接器；

5-电路板；

6-屏蔽罩；601-中心孔。

具体实施方式

下面将详细描述本发明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，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明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发明的示例来提供对本发明的更好的理解。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，以便避免对本发明造成不必要的模糊；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，并不是对本发明的电荷输出元件的具体结构进行限定。在本发明的描述中，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；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发明中的具体含义。

为了更好地理解本发明，下面结合图1至图7根据本发明实施例的电荷输出元件进行详细描述。

如图1、图2所示，本发明实施例提供了一种电荷输出元件1，包括：支架10、压电元件20及质量块30，支架10包括连接部件11，压电元件20为环形结构体，压电元件20套接在连接部件11上，在压电元件20上设置有第一形变槽23，第一形变槽23贯通压电元件20的侧壁，以使压电元件20在环向上断开；质量块30为环形结构体，质量块30套接在压电元件20上，压电元件20与连接部件11及质量块30过盈配合。

具体的，如图3所示，支架10为铬材质，包括连接部件11及支撑部件12，连接部件11具有圆形柱状结构且为实心体，支撑部件12为围绕连接部件11设置的盘类结构且位于连接部件11的一端，在连接部件11的外壁面上沿着其周向设置有定位凸起13，定位凸起13所在高度高于支撑部件12所在高度。如图4所示，压电元件20由压电陶瓷构成，压电元件20为圆环形结构体，包括相对的内环面21及外环面22，内环面21及外环面22上设置有导电层，有助于压电元件20电信号的传输，导电层可以为镀金层。压电元件20的内环面21套接在连接部件11上且下端抵靠在定位凸起13上，通过定位凸起13便于对压电元件20的定位支撑，压电元件20的内环面21的直径小于连接部件11的直径。第一形变槽23为条形槽且沿着压电元件20的轴线方向延伸，压电元件20上在第一形变槽23处形成两个相对的第一槽切面24，两个相对的第一槽切面24之间的距离为0.2mm，保证压电元件20具有更大形变量的基础上，便于加工及装配。质量块30为钨合金材质，且为圆环形结构体，包括相对的内环面31及外环面32，质量块30的内环面31套接在压电元件20的外环面22上，且位于支撑部件12的上方并悬空设置，质量块30的内环面31的直径小于压电元件20的外环面22的直径，以使压电元件20与质量块30及连接部件11均过盈配合。

本发明实施例提供的电荷输出元件1，其压电元件20与质量块30及支架10的连接部件11之间过盈配合，无需连接层连接，即，压电元件20、质量块30及支架10之间为刚性接触，连接强度高，能够提升电荷输出元件1的整体刚度，继而提升压电加速度传感器的频响特性及谐振，同时，在压电元件20上设置有使压电元件20在环向上断开的第一形变槽23，使得压电元件20具有更大的形变量，便于质量块30、压电元件20及支架10之间的装配，提高电荷输出元件1的装配效率。第一形变槽23为条形槽且沿着压电元件20的轴线方向延伸，便于加工且能够使得压电元件20产生形变时减小对电荷输出元件1整体性能的影响。

可以理解的是，第一形变槽23并不限于条形槽，在一些可选的实施例中，第一形变槽23可以为齿形槽或者不规则形槽；第一形变槽23并不限于沿着压电元件20的轴线方向延伸，也可以与压电元件20的轴线异面相交，只要保证第一形变槽23贯通压电元件20的侧壁，以使压电元件20在环向上断开，使压电元件20具有更大的形变量即可；两个相对的第一槽切面24之间的距离并不限于0.2mm，在一些可选的实施例中，还可以小于0.2mm，优选为0.1mm，能够更好的保证电荷输出元件1的性能，同时能够保证压电元件20的形变量要求；压电元件20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；同时，压电元件20、质量块30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11可以为多边形柱状结构，只要能够满足电荷输出元件1的使用要求均可。

作为一种可选的实施方式，如图5、图6所示，电荷输出元件1还进一步包括预紧环40，预紧环40采用钛合金材质且为圆环形结构体，包括相对的内环面41及外环面42，相应预紧环40的设置，如图7所示，在质量块30上进一步设置有第二形变槽33，第二形变槽33贯通质量块30的侧壁，以使质量块30在环向上断开，第二形变槽33为条形槽且沿着质量块30的轴线方向延伸，质量块30上在第二形变槽33处形成两个相对的第二槽切面34，两个相对的第二槽切面34之间的距离为0.2mm，在保证质量块30具有更大形变量的基础上，便于加工及装配。预紧环40套接在质量块30上，预紧环40的内环面41的直径小于质量块30的外环面32的直径，以使预紧环40与质量块30过盈配合。

通过设置预紧环40，并在质量块30上相应设置第二形变槽33，能够给质量块30施加一定的预紧力，便于支架10、压电元件20及质量块30的装配结合，并能够提高支架10、压电元件20及质量块30之间的连接强度，提升电荷输出元件1的整体刚度，继而保证压电加速度传感器的频响特性，第二形变槽33为条形槽且沿着质量块30的轴线方向延伸，便于加工且能够使得质量块30产生形变时减小对电荷输出元件1整体性能的影响。

可以理解的是，第二形变槽33并不限于条形槽，在一些可选的实施例中，第二形变槽33可以为齿形槽或者不规则形槽，同时第二形变槽33并不限于沿着质量块30的轴线方向延伸，也可以与质量块30的轴线异面相交，只要保证第二形变槽33贯通质量块30的侧壁，以使质量块30在环向上断开，使质量块30具有更大的形变量即可；两个相对的第二槽切面34之间的距离并不限于0.2mm，在一些可选的实施例中，还可以小于0.2mm，优选为0.1mm，能够更好的保证电荷输出元件1的性能，同时能够保证质量块30的形变量要求；预紧环40的结构并不仅限为圆环形结构体，相应于质量块30的结构，也可以对应采用多边形环结构体。

由于本实施例的电荷输出元件1的预紧环40、质量块30、压电元件20及支架10均采用不同的材质，因此具有不同的线膨胀系数，且预紧环40、质量块30、压电元件20及支架10相互之间采用过盈配合，即相互之间为刚性接触，应用在高温环境时能够减少电荷输出元件1应力的波动，使得电荷输出元件1高温特性好。在一个实施例中，预紧环40、质量块30、压电元件20及支架10的线膨胀系数优选依次减小，在保证电荷输出元件1具有更好的高温特性的基础上，能够进一步提高电荷输出元件1的装配效率。

本发明实施例还提供了一种电荷输出元件1的装配方法，用于对上述实施例的电荷输出元件1进行装配，具体操作步骤如下：

a.将质量块30置于冷却液中进行冷却，使质量块30形变收缩；

b.将形变收缩后的质量块30取出，并将预紧环40套设在形变收缩后的质量块30上，由于质量块30形变收缩，尺寸相应减小，此时，预紧环40及质量块30之间为间隙配合形式，便于装配，将质量块30及预紧环40放置在常温环境中，使得质量块30形变恢复以与预紧环40过盈配合；

c.将压电元件20置于冷却液冷却，使压电元件20形变收缩；

d.将形变收缩后的压电元件20取出，并将组合后的预紧环40与质量块30套设在形变收缩后的压电元件20上，由于压电元件20形变收缩，尺寸相应减小，此时，质量块30与压电元件20之间为间隙配合，便于装配，将预紧环40、质量块30及压电元件20放置在常温环境中，使得压电元件20形变恢复以与质量块30过盈配合；

e.将支架10置于冷却液中冷却，使支架10形变收缩；

f.将形变收缩后的支架10取出，并将组合后的预紧环40、质量块30及压电元件20套设在形变收缩后的支架10的连接部件11上，由于支架10形变收缩，尺寸相应减小，此时，支架10的连接部件11与压电元件20间隙配合，将预紧环40、质量块30、压电元件20及支架10放置在常温环境中，使得连接部件11形变恢复后与压电元件20过盈配合，完成电荷输出元件1的装配。

本发明实施例提供的电荷输出元件1的装配方法，通过冷装工艺对电荷输出元件1的预紧环40、质量块30、压电元件20及支架10进行装配，无需其他连接层即可完成对电荷输出元件1的装配，相对于现有技术中通过连接层的装配结合的形式，效率更高，安装周期短。同时，由于预紧环40、质量块30、压电元件20及支架10采用过盈配合形式，能够提升电荷输出元件1的整体刚度，继而提升压电加速度传感器的频响特性及谐振。

可以理解的是，对于上述实施例中对质量块30、压电元件20及支架10的冷却并不限于采用冷却液冷却的方式，在一些可选的实施中，还可以根据需要选用干冰、制冷设备等对质量块30、压电元件20及支架10进行冷却；同时，对于被冷却产生形变收缩的质量块30、压电元件20及支架10形变恢复时，并不限于放置在常温环境中，有一些实施例中，还可以将其放置在温度高于冷却液温度的环境中或者其他温度环境中，只要能够使得被冷却的质量块30、压电元件20及支架10形变恢复即可。

作为一种可选的实施方式，在步骤a、步骤c及步骤e中对于质量块30、压电元件20及支架10的冷却温度由配合时的最大过盈量、配合直径及材料的线膨胀系数计算得到。具体的计算公式为：

在公式(1)中，t为冷却温度；σ为配合时最大过盈量，可以理解，所说的配合时最大过盈量在本实施例即相应为：预紧环40与质量块30配合时的最大过盈量、质量块30与压电元件20配合时的最大过盈量或压电元件20与支架10的连接部件11配合时的最大过盈量；ε为材料的线膨胀系数，即为被冷却部件相应材料的线膨胀系数，可以理解，所说的被冷却部件在本实施例中即相应为质量块30、压电元件20或支架10；d为配合直径，即被包容部件的外径，可以理解，所说的被包容件在本实施例中即相应为质量块30、压电元件20或支架10。具体实施时，σ及d可以根据电荷输出元件1的预紧环40、质量块30、压电元件20及支架10的尺寸计算得出，ε可查表获得。

在步骤a、步骤c及步骤e中的质量块30、压电元件20及支架10的冷却时间由质量块30、压电元件20及支架10各自的综合系数及最大壁厚计算得到。具体的计算公式为：

t＝αδ+6(2)

在公式(2)中，δ为最大壁厚，即被冷却部件的最大壁厚，可以理解，所说的被冷却部件在本实施例中即相应为质量块30、压电元件20或支架10，由于支架10的连接部件11为实心结构，连接部件11最大壁厚为横断面的半径；α为综合系数，即为被冷却部件同材料有关的综合系数，可查表获得，可以理解，所说的被冷却部件在本实施例中即相应为质量块30、压电元件20或支架10。

通过上述方式计算获得电荷输出元件1的质量块30、压电元件20或支架10的冷冻温度及冷冻时间，能够更合理的配置冷却方式及相应的冷却时间点，进一步提高电荷输出元件1的装配效率。

本实施例提供的装配方法是对于图5所示实施例的电荷输出元件1(有预紧环40并在质量块30上设置有第二形变槽33)的装配。对于图1、图2所示实施例的电荷输出元件1(没有预紧环40，同时在质量块30上不设置第二形变槽33)的装配方法同上，相应省略步骤a、步骤b对于质量块30的冷却以及预紧环40与质量块30的装配过程即可。

如图8、图9所示，本发明实施例还提供了一种压电加速度传感器，包括底座2、保护罩3、连接器4及上述任一实施例的电荷输出元件1，底座2具有安装面201；电荷输出元件1的支撑部件12固定设置在底座2的安装面201上，保护罩3为圆形套类结构且环绕电荷输出元件1设置。保护罩3连接在底座2及连接器4之间，具体保护罩3的一端与底座2卡接固定，另一端与连接器4卡接固定，连接器4与电荷输出元件1的压电元件20电连接。使用时，通过底座2与待测设备连接，通过底座2将待测设备的振动传递至电荷输出元件1，电荷输出元件1将待测设备的振动转换并通过连接器4与外界设备进行信号传输，以完成对待检测设备的检测。

本发明实施例提供的压电加速度传感器，由于采用了整体刚度较高的电荷输出元件1，能够有效的提升压电加速度传感器的频响特性及谐振，且高温特性好，能够保证检测结果的准确性。

作为一种可选的实施方式，压电加速度传感器还包括电路板5，电路板5固定在质量块30上，此时，压电元件20及连接器4均与电路板5电连接，通过设置电路板5，能够将压电元件20受力后产生的微弱的电信号进行处理，使得压电加速度传感器构成电压输出型压电加速度传感器，以满足使用要求。同时，在支架10上扣接有屏蔽罩6，屏蔽罩6为一端开口的筒状结构，屏蔽罩6的开口端扣接在支架10上，具体与支架10的支撑部件12卡接配合，压电元件20、质量块30及电路板5均位于屏蔽罩6内，本实施例中，压电元件20的外环面22通过质量块30与电路板5的一个接线端子电连接。压电元件20的内环面21通过支架10以及屏蔽罩6与电路板5的另一个接线端子电连接。上述两个接线端子的极性相反，屏蔽罩6上与其开口端相对应的顶部上设置有中心孔601，从电路板5的接线端子上引出的导线的一端由该中心孔穿出并与屏蔽罩6的外表面电连接。通过设置屏蔽罩6，能够避免外界对电荷输出元件1及电路板5产生信号干扰，进一步保证压电加速度传感器的检测结果的准确性，同时便于压电元件20与电路板5电连接。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。