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i、绝缘片ii、压电堆、电极片和底座；

所述压电堆两端设有电极片，用于提取压电柱产生的电荷；

所述绝缘片i和绝缘片ii设置在电极片外侧，用于为压电堆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i和绝缘片ii外侧；

所述质量块、绝缘片i、绝缘片ii、压电堆、电极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；

所述压电堆包括压电柱i、填充物i、紧固套管i、压电柱ii、填充物ii和紧固套管ii；

其中，所述压电柱i为圆周分布，与填充物i组成环形结构，嵌入紧固套管i之中，组成敏感结构i；

所述压电柱ii为圆周分布，与填充物ii组成环形结构，嵌入紧固套管ii之中，组成敏感结构ii；

所述敏感结构i嵌入敏感结构ii之中，形成压电堆。

进一步，所述压电柱i和压电柱ii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i和填充物ii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。

进一步，所述紧固套管i和紧固套管ii为敏感结构i和敏感结构ii提供径向紧固力，所述紧固套管i和紧固套管ii是由金属材料或具有一定强度的非金属材料制成；

进一步，在受热膨胀时，将敏感结构i和敏感结构ii分别嵌入紧固套管i和紧固套管ii，随着温度降低，施加径向紧固力，所述温度能够根据传感器工作温度调节。

根据所述压电加速度传感器的制备方法，包括以下步骤：

s1：制备压电柱，将压电柱排列成圆环形式，并置于浇注专用模具中，等待浇注；

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

s3：将浇注完成的压电柱放入加热设备，对浇注完成的环形复合材料上下面进行切割、研磨，使压电柱的截面露出，然后制备电极；

s4：将紧固套管加热，在高温环境下将压电复合环结构嵌入紧固套管中，随温度降低，紧固套管逐渐收缩，对压电复合环结构施加紧固力；

s5：按照步骤s1～s4制作不同内径和外径的压电复合环和紧固套管结构，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；

s6：利用螺栓将质量块、绝缘片i、电极片、压电堆、绝缘片ii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为浇注聚合物后的压电柱示意图；

图2为加上紧固套管后结构示意图；

图3为径向多层嵌套压电堆分解示意图；

图4为径向多层嵌套压电堆结构示意图；

图5为基于多层嵌套压电堆制作的加速度传感器分解示意图；

图6为基于多层嵌套压电堆制作的加速度传感器分解示意图。

附图标记：1-螺栓，2-质量块，3-绝缘片i，4-电极片，5-压电堆，6-绝缘片ii，7-底座，51-压电柱i，52-填充物i，53-紧固套管i，54-压电柱ii，55-填充物ii，56-紧固套管ii。

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6，为一种压电加速度传感器，包括螺栓1、质量块2、绝缘片i3、绝缘片ii6、压电堆5、电极片4和底座7；

所述压电堆两端设有电极片，用于提取压电柱产生的电荷；

所述绝缘片i和绝缘片ii设置在电极片外侧，用于为压电堆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i和绝缘片ii外侧；

所述质量块、绝缘片i、绝缘片ii、压电堆、电极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；

所述压电堆包括压电柱i51、填充物i52、紧固套管i53、压电柱ii54、填充物ii55和紧固套管ii56；

其中，所述压电柱i为圆周分布，与填充物i组成环形结构，嵌入紧固套管i之中，组成敏感结构i；

所述压电柱ii为圆周分布，与填充物ii组成环形结构，嵌入紧固套管ii之中，组成敏感结构ii；

所述敏感结构i嵌入敏感结构ii之中，形成压电堆。

压电柱i51和压电柱ii54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i52和填充物ii55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。

紧固套管i53和紧固套管ii56为内部的敏感结构提供径向紧固力，可以是金属材料或具有一定强度的非金属材料，在受热膨胀时，将敏感结构嵌入紧固套管，随温度降低，施加径向紧固力。该温度可根据传感器工作温度调节。

以切割形成压电柱，浇注有机聚合物+填充颗粒混合物为例，具体介绍一种实施过程：

s1：制备压电柱i51和压电柱ii54，材料可以是压电陶瓷、压电晶体或压电纤维等；将压电柱排列成圆环形式，并置于浇注专用模具中，等待浇注；

s2：根据设计需要，配制不同比例的有机聚合物+填充颗粒的混合物，典型材料如环氧树脂+玻璃微珠，注入浇注模具中环形排列的压电柱，保证所有刀缝均填充满填充物i52和填充物ii55；

s3：将浇注完成的压电柱放入加热设备，如高温烘箱，加热固化，然后脱模，对浇注完成的环形复合材料上下面进行切割、研磨，使压电柱的截面露出，然后制备电极；

s4：将紧固套管i53和紧固套管ii56加热，在高温环境下将压电复合环结构嵌入紧固套管中，随温度降低，紧固套管逐渐收缩，对压电复合环结构施加紧固力；

s5、按照步骤s1～s4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4，组成压电堆5；

s6：利用螺栓将质量块2、绝缘片i3、电极片4、压电堆5、绝缘片ii6和底座7等部件串联为一体，并施加一定的预紧力，形成本发明所描述的压电加速度传感器。

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。