一种压电加速度传感器及其制备方法与流程

本发明属于加速度传感器领域，涉及一种压电加速度传感器及其制备方法。

背景技术：

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，具有灵敏度高、工作频率范围宽、动态线性范围大、尺寸小、质量轻等特点，广泛应用于振动冲击和线性加速度测量，应用范围包含了航空航天、核能电力、船舶交通、生物医学等行业领域，成为最为普遍使用的加速度传感器。传统的压电加速度传感器通常由质量块、压电元件盒电路等部分组成。压电元件可以是单片，或多片压电陶瓷组成的叠堆。但现阶段的压电加速度传感器性能较低，导致核心换能元件的性能较低，不能满足大量程、高灵敏度、低横向灵敏度的应用要求。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种压电加速度传感器及其制备方法，该传感器具有灵敏度高、最大横向灵敏度小、抗冲击能力强、量程大等优点，具有良好的应用价值。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种压电加速度传感器，包括螺栓、质量块、绝缘片、压电片、电极片、填充物和底座；

所述压电片嵌有填充物，组成敏感结构；

所述敏感结构两端设有电极片，用于提取压电片产生的电荷；

所述电极片外侧设有绝缘片，为敏感结构与底座之间提供电学绝缘；

所述质量块和底座分别设置在绝缘片外侧；

所述质量块、绝缘片、电极片、压电片和底座由螺栓串联，形成多层夹心式结构，由螺栓提供纵向的预紧力。

进一步，所述压电片是由压电陶瓷或压电晶体经过切割加工而成的，或者是由压电材料直接注塑而成的，或者是压电纤维材料构成。

进一步，所述填充物是由有机聚合物与填充颗粒组成的混合物经高温固化而成的，或者是能够与压电陶瓷共烧的无机材料构成。

根据所述压电加速度传感器的制备方法，包括以下步骤：

s1：制备压电片，材料为压电陶瓷、压电晶体或压电纤维；将压电片排列成等间距平面阵列形式或等间距线列阵形式；

s2：根据设计需要，配制不同比例的有机聚合物与填充颗粒的混合物，注入浇注模具中环形排列的压电片，保证所有刀缝均填充满混合物；

或者，将填充物制备成固体形式，将填充物浸入成分相同的液体材料，并装入压电片，将压电片和填充物加温固化成一体；

s3：按照步骤1～2制作不同内径和外径的压电复合环+紧固套管结构，组合成圆片装结构，再将多层圆片层叠，中间嵌入电极片，组成压电堆；

s4、利用螺栓将质量块、绝缘片、电极片、压电堆和底座串联为一体，并施加一定的预紧力，形成压电加速度传感器。

本发明的有益效果在于：本发明压电元件的杨氏模量、泊松比、压电系数等参数对加速度传感器的性能有直接影响，通过多层嵌套的方式制作压电环及压电片状换能结构，代替传统的压电陶瓷片，提高了灵敏度，降低了最大横向灵敏度比，以满足大量程、高灵敏度、低横向灵敏度的应用要求。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为整体结构示意图；

图2为实施方式一压电复合结构组成示意图；

图3为实施方式一结构分解示意图；

图4为实施方式一结构示意图；

图5为实施方式二压电复合结构组成示意图；

图6为实施方式二结构分解示意图；

图7为实施方式二结构示意图。

附图标记：1-螺栓，2-质量块，3-绝缘片，4-电极片，5-压电片，6-填充物，7-底座。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，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装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图7，为一种压电加速度传感器，包括螺栓1、质量块2、绝缘片3、压电片5、电极片4、填充物6和底座7；

所述压电片嵌有填充物，组成敏感结构；

所述敏感结构两端设有电极片，用于提取压电片产生的电荷；

所述电极片外侧设有绝缘片，为敏感结构与底座之间提供电学绝缘；

所述质量块和底座分别设置在绝缘片外侧；

所述质量块、绝缘片、电极片、压电片和底座由螺栓串联，形成多层夹心式结构，由螺栓提供纵向的预紧力。

压电片可以是压电陶瓷、压电晶体经过切割加工而成，或者压电材料直接注塑而成，或者是压电纤维等材料。

填充物可以是有机聚合物+填充颗粒组成的混合物经高温固化而成，也可以是能够与压电陶瓷共烧的无机材料。

以切割形成压电片，浇注有机聚合物+填充颗粒混合物为例，具体介绍2种实施过程。

实施方式一：

s11：制备压电片，材料为压电陶瓷、压电晶体或压电纤维；将压电片排列成等间距平面阵列形式；

s12：根据设计需要，配制不同比例的有机聚合物与填充颗粒的混合物，注入浇注模具中环形排列的压电片，保证所有刀缝均填充满混合物；

或者，将填充物制备成固体形式，将填充物浸入成分相同的液体材料，并装入压电片，将压电片和填充物加温固化成一体；

s13：按照步骤11～12制作不同内径和外径的压电复合环+紧固套管结构，组合成圆片装结构，再将多层圆片层叠，中间嵌入电极片，组成压电堆；

s14、利用螺栓将质量块、绝缘片、电极片、压电堆和底座串联为一体，并施加一定的预紧力，形成压电加速度传感器。

实施方式二：

s21：制备压电片，材料为压电陶瓷、压电晶体或压电纤维；将压电片排列成等间距线列阵形式；

s22：根据设计需要，配制不同比例的有机聚合物与填充颗粒的混合物，注入浇注模具中环形排列的压电片，保证所有刀缝均填充满混合物；

或者，将填充物制备成固体形式，将填充物浸入成分相同的液体材料，并装入压电片，将压电片和填充物加温固化成一体；

s23：按照步骤21～22制作不同内径和外径的压电复合环+紧固套管结构，组合成圆片装结构，再将多层圆片层叠，中间嵌入电极片，组成压电堆；

s24、利用螺栓将质量块、绝缘片、电极片、压电堆和底座串联为一体，并施加一定的预紧力，形成压电加速度传感器。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。