一种剪切式电荷输出元件结构的制作方法

本实用新型涉及传感器技术领域，具体的说，是一种剪切式电荷输出元件结构。

背景技术：

压电加速度传感器，则是利用压电陶瓷的压电效应制成的换能器，将机械能转换为电能，即，将加速度信号转换为电信号输出。压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料，由于其优异的压电、物理和化学性能，用其制备的压电换能器已经被广泛应用于军事、民用和工业领域，是一种发展非常迅速的压电材料。压电陶瓷在机械应力作用下，内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷。当压电陶瓷沿极化方向受作用力时，在压电陶瓷表面上出现跟所受力成比例的电荷，通过对电荷信号的测量，可以实现对所受力的测量。压电陶瓷有压缩式和剪切式。压缩式利用的是压电系数d33，剪切式利用的是压电系数d15。因为压电系数d15比压电系数d33大几倍，所以利用压电系数d15，很小的结构就可以实现d33结构很多倍的输出，利用压电系数d33的传感器要达到同等输出需要堆叠多片压电陶瓷。由于制备工艺等原因，目前大多数压电换能器多采用压电系数d33工作模式，压电转换效率较低，制成的传感器结构较大，装配复杂。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种剪切式电荷输出元件结构，用于解决现有技术中利用压电系数d33的压电传感器结构较大压电转换率低的问题。

本实用新型通过下述技术方案解决上述问题：

一种剪切式电荷输出元件结构，包括底座和压电陶瓷，所述压电陶瓷上刚性固定有配重质量块，所述底座包括基座和设置在基座上并与基座一体连接的立柱，压电陶瓷刚性固定在所述立柱上，压电陶瓷的极化方向与立柱平行。

压电陶瓷采用剪切式，并在安装的过程中使极化方向与立柱平行，因此在底座受振动力作用时，配重质量块受到与底座相同的作用力，并受到与加速度方向相反的惯性力的作用。这样，配重质量块就有一正比于加速度的应变力作用在压电陶瓷上。由于压电陶瓷具有压电效应，因此在它的表面上就产生交变电荷，当加速度频率远低于压电陶瓷芯体的固有频率时，压电陶瓷芯体输出的电荷或电压与作用力成正比。利用本结构制成的传感器，芯体刚性装配在传感器中，因此，测得的电荷或电压亦即与整个传感器的加速度成正比。将芯体输出信号引入传感器内置信号处理电路，将经过放大后的信号由传感器输出端引出，可以用普通的测量仪器测试出试件的加速度；如果在放大电路中加入积分电路，就可以测试试件的振动速度或位移。由于压电陶瓷采用了剪切式，利用压电系数d15，相比现有技术中利用压电系数d33制成的传感器，因为压电系数d15比压电系数d33大几倍，所以利用压电系数d15，很小的结构就可以实现压电系数d33结构很多倍的输出，因此，减小了传感器的体积，且由压电剪切效应公式Q＝F·d15＝ma·d15，可以得知，剪切式电荷输出结构提高了压电转换率。

优选地，所述配重质量块的外侧设置有预紧环。

利用预紧环的张力，将压电陶瓷和配重质量块刚性固定在底座的立柱上。当底座受振动力作用时，由于底座的刚度较大，而配重质量块的质量相对较大，可以认为配重质量块的惯性很大，因此配重质量块受到与底座相同方向的作用力，配重质量块就有一正比于加速度的惯性力作用在压电陶瓷上。由于压电陶瓷具有压电效应，因此在它的表面上就产生交变电荷。

优选地，所述压电陶瓷为两个且对称设置在所述立柱的侧面。

压电陶瓷设置为两个，且对称设置，既可以增加输出，也保证受力对称。

优选地，所述配重质量块为分别包围所述压电陶瓷的两个半环。

当配重质量块为两个半环时，与预紧环的接触面积更大，因此，可以更好的使压电陶瓷、配重质量块与底座刚性固定。

优选地，两个所述压电陶瓷的极化方向平行或互相垂直。

两个压电陶瓷的极化方向平行时，用于测试单向的受力，当两个压电陶瓷的极化方向互相垂直时，两个方向的信号分别引出，互不干扰，则可以测试两个互相垂直的方向的受力。

优选地，所述基座上设置有安装接口。

便于与其他器件连接，安装接口包括但不限于螺纹接口。

优选地，所述压电陶瓷上设置有导电片。

压电陶瓷上的导电片用于将信号引入利用本结构制成的传感器中的信号处理电路，将经过放大后的信号由传感器输出端引出。在极化方向互相平行的两个压电陶瓷中，每个压电陶瓷的两极都是分别接在一起的，其中一端定义为接地端，另一端定义为信号端。

优选地，所述配重质量块采用密度大于7.8g/cm³的金属制成。

配重质量块采用密度较大的金属制成，包括但不限于奥氏体不锈钢，含钨的高比重合金。

优选地，所述底座采用弹性模量大于100GPa的材料制成，也就是刚度较大的材料制成，包括但不限于奥氏体不锈钢。这样，当底座受到外力时，由于底座刚度较大，而配重质量块惯性较大，因此配重质量块受到与底座相同的运动，并受到与加速度方向相反的惯性力的作用。这样，配重质量块就有一正比于加速度的应变力作用在压电陶瓷上。

优选地，所述预紧环采用延展性良好的金属材料制成，包括但不限于铜。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本实用新型由于采用了剪切式压电陶瓷的压电系数d15，相比现有技术中利用压电系数d33制成的传感器，很小的结构就可以实现压电系数d33结构很多倍的输出，因此，减小了传感器的体积，提高了压电转换率。

(2)本实用新型的谐振点在30～40KHz，频率响应范围可以做到20KHz，增加了频率响应范围，通过对称设置的压电陶瓷还增加了信号输出。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为图1的剖视图；

图3为本实用新型的第三种实施方式的结构示意图；

其中1-底座；2-压电陶瓷；3-配重质量块；4-预紧环。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例1：

如图1所示，一种剪切式电荷输出元件结构，包括底座1和压电陶瓷2，所述压电陶瓷2上刚性固定有配重质量块3，所述底座1包括基座和设置在基座上并与基座一体连接的立柱，压电陶瓷2刚性固定在所述立柱上，压电陶瓷2的极化方向与立柱平行。

压电陶瓷2采用剪切式，并在安装的过程中使极化方向与立柱平行，因此在底座1受振动力作用时，配重质量块3受到与底座1相同的作用力，并受到与加速度方向相反的惯性力的作用。这样，配重质量块3就有一正比于加速度的应变力作用在压电陶瓷2上。由于压电陶瓷2具有压电效应，因此在它的表面上就产生交变电荷，当加速度频率远低于压电陶瓷2芯体的固有频率时，压电陶瓷2芯体输出的电荷或电压与作用力成正比。利用本结构制成的传感器，芯体刚性装配在传感器中，因此，测得的电荷或电压亦即与整个传感器的加速度成正比。将芯体输出信号引入传感器内置信号处理电路，将经过放大后的信号由传感器输出端引出，可以用普通的测量仪器测试出试件的加速度；如果在放大电路中加入积分电路，就可以测试试件的振动速度或位移。由于压电陶瓷2采用了剪切式，利用压电系数d15，相比现有技术中利用压电系数d33制成的传感器，因为压电系数d15比压电系数d33大几倍，所以利用压电系数d15，很小的结构就可以实现压电系数d33结构很多倍的输出，因此，减小了传感器的体积，且由压电剪切效应公式Q＝F·d15＝ma·d15，可以得知，剪切式电荷输出结构提高了压电转换率。

实施例2：

在实施例1的基础上，结合图1和图2所示，所述压电陶瓷2为两个且对称设置在所述立柱的侧面。配重质量块3为分别包围所述压电陶瓷2的两个半环。

压电陶瓷2设置为两个，且对称设置，两个压电陶瓷2的极化方向一致，每个压电陶瓷2的两极都是分别接在一起的，其中一端定义为接地端，另一端定义为信号端，既可以增加输出，也保证受力对称。当配重质量块3为两个半环时，与预紧环4的接触面积更大，因此，可以更好的使压电陶瓷2、配重质量块3与底座1刚性固定。

实施例3：

在实施例2的基础上，结合图3所示，两个所述压电陶瓷2的极化方向互相垂直。所述压电陶瓷2上设置有导电片。预紧环4采用预紧铜环。当两个压电陶瓷2的极化方向互相垂直时，两个方向的信号分别引出，互不干扰，则可以测试两个互相垂直的方向的受力。压电陶瓷2上的导电片用于将信号引入利用本结构制成的传感器中的信号处理电路，将经过放大后的信号由传感器输出端引出。在极化方向互相垂直的两个压电陶瓷2中，两个压电陶瓷2的接地端连接在一起形成公共端，两个压电陶瓷2的信号端分别独立引出。当配重质量块3采用密度较大的含钨材料制成，底座1采用刚度较大的奥氏体不锈钢时，当底座1受到外力时，由于底座1刚度较大，而配重质量块3惯性较大，因此配重质量块3受到与底座1相同的运动，并受到与加速度方向相反的惯性力的作用。这样，配重质量块3就有一正比于加速度的应变力作用在压电陶瓷2上。由于压电陶瓷2具有压电效应，因此在它的表面上就产生交变电荷。

尽管这里参照本实用新型的解释性实施例对本实用新型进行了描述，上述实施例仅为本实用新型较佳的实施方式，本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。