改进型三角剪切标准加速度传感器的制作方法

本实用新型属于传感器技术领域，具体地说，尤其涉及一种负载能力强、测量精度高、产品性能稳定、结构设计制造容易的改进型三角剪切标准加速度传感器。

背景技术：

传感器的校准也称为标定，它是通过试验建立传感器的输入量与输出量之间的关系，同时也确定不同使用条件下的误差关系。振动测量中所使用的各类传感器，它的各项性能指标如灵敏度、线性度、频率响应特性等，对测量数据的精度和可靠性直接产生影响。因此，为了保证结果的正确性和统一性，根据国家计量检定规程(JJG134-2003,JJG297-1997，JJG233-2008)，必须定期对传感器进行校准，一般校准周期为一年。标准加速度传感器也应运而生，标准加速度传感器主要用于振动传感器的“比较法”校准。目前使用比较普遍的标准传感器为丹麦BK公司的8305和美国ENDEVCO公司的2270。BK公司的8305和美国ENDEVCO公司的2270这两款标准传感器的结构形式均为中心压缩型，国内一些厂家生产的标准加速度传感器大都也是采用中心压缩结构。

这种结构会带来一些问题：1)按照压电式加速度计国家计量检验规程JJG233-2008，当采用比较法校准传感器灵敏度时，通常采用背靠背的方式，即被校传感器刚性安装在标准传感器的上部。这种方法由于被校传感器有一定的重量，会影响标准传感器灵敏度的变化；当被校传感器重量小于100克时，校准精度在±1％。而被校传感器重量＞100克时，测试误差则随重量增加而增加。这主要是被校传感器的重量导致压缩结构的标准传感器由于基座应变引起灵敏度的变化。为了减小上述原因造成的误差，测试时往往需要增加负载块；由于该组件的安装谐振频率的影响，当校准传感器频响(测试频响＞2kHz)时，必须拆除此装置，才能保证频响测试的准确性。2)中心压缩型传感器对声场、磁场、瞬变温度等环境因素的敏感度比较大，容易引起较大的环境噪声，因而导致稳定性也相对较差。

专利申请号为2018204755733、申请日为2018.04.04、发明创造名称为抗恶劣环境的三角剪切式压电加速度计的中国专利，其公开了一种工作频率宽，幅值线性度小，最大横向灵敏度比小的三角剪切结构式加速度传感器，但该技术方案内部结构设计不合理，单一的压电片固定安装在敏感组件顶部正三棱柱结构的上表面，压电片感应惯性力灵敏度较差，从而导致整个产品测量精度较差；此外，在装配过程中，压电片上会产生应力，单一压电片结构设计其内部应力无法释放，该应力的存在会对压电效应产生的电荷的运动轨迹产生影响，从而造成同一批次产品特性差异大，灵敏度一致性差，产品稳定性能差。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对现有技术存在的不足，提供了一种负载能力强、测量精度高、产品性能稳定、结构设计制造容易的改进型三角剪切标准加速度传感器。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种改进型三角剪切标准加速度传感器，包括设有输出插座的基座、与所述基座固接的壳罩，所述基座上设有延伸至所述壳罩内部的正三棱柱，所述壳罩内设有沿垂直于所述正三棱柱中心轴线方向、并贴合所述正三棱柱外侧壁分布的压电元件组；

所述压电元件组包括多个依次层叠的压电元件；所述压电元件包括两片压电片，两所述压电片之间夹紧设有与之形成良好导电连接的导电片，多个所述导电片串联或并联连接后经引线与所述输出插座的芯线导电连接；

所述压电元件组外侧为与之紧贴的质量块，所述质量块、所述压电元件组由预紧环与所述正三棱柱紧固连接。

优选地，所述压电片为石英剪切片。

优选地，所述引线为镀银铜丝。

优选地，所述正三棱柱、所述基座、所述壳罩、所述输出插座均为金属材料。

优选地，所述正三棱柱采用模具工艺或者激光焊接工艺与所述基座构成一整体。

优选地，所述壳罩与所述基座采用激光焊接工艺固定连接。

优选地，所述预紧环为记忆合金环。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1.本实用新型测量精度高，产品性能稳定，灵敏度一致性程度高；层叠式结构设计能够使石英剪切片内部应力在层与层叠加间隙处得到释放，有效解决了单一压电片内部应力对电荷运动轨迹的影响，有效保证了产品测量精度、产品的稳定性能；

2.本实用新型负载能力大；本实用新型采用三角剪切结构，由预紧环将质量块与压电元件夹持在正三棱柱上，加速度传感器感受轴向振动时，压电元件承受切应力，压电元件与基座隔离，负载引起的基座应力变化不会影响到压电元件的变化；本实用新型不仅对非振动干扰信号，如基座应力变化、声场等影响有很好的隔离作用，对瞬态温度引起的基座变形也具有很好的隔离，有效补偿了瞬态温度对压电元件的影响；

3.本实用新型预紧环结构设计进一步提高产品性能的稳定性；采用预紧环作为紧固件，通过控制预紧环的温度，可以精确控制其收缩率，有效确保批量生产时产品灵敏度的一致性；

4.本实用新型装配工艺简化、稳定性好；传统中心压缩型结构，需要人工一一施加预紧力，无法控制每次施加预紧力的一致性，同时还需要后续处理以释放应力，同样存在同一批次产品特性差异较大的问题；采用预紧环方式，可以先期测量压电元件的压电常数、质量块的重量和尺寸，然后一批产品全部加上预紧环，同时送入加温装置同步施加预紧力；工艺简单、稳定性好，成本低，是从事振动测试、校准和检定等单位的值得信赖的标准传感器。

附图说明

图1是本实用新型结构示意图；

图2是本实用新型图1局部放大图；

图3是本实用新型参考灵敏度检定数据；

图4是标准传感器负载能力测试安装方式一示意图；

图5是标准传感器负载能力测试安装方式二示意图；

图6是本实用新型标准传感器负载能力测试数据对比表。

图中：1.输出插座；2.基座；3.壳罩；4.正三棱柱；5.压电片；6.导电片；7.质量块；8.预紧环；9.被测传感器；10.标准传感器；11.附加质量块。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进一步说明：

一种改进型三角剪切标准加速度传感器，包括设有输出插座1的基座2、与所述基座2固接的壳罩3，所述基座2上设有延伸至所述壳罩3内部的正三棱柱4，所述壳罩3内设有沿垂直于所述正三棱柱4中心轴线方向、并贴合所述正三棱柱4外侧壁分布的压电元件组；

所述压电元件组包括多个依次层叠的压电元件；所述压电元件包括两片压电片5，两所述压电片5之间夹紧设有与之形成良好导电连接的导电片6，多个所述导电片6串联或并联连接后经引线与所述输出插座1的芯线导电连接；

所述压电元件组外侧为与之紧贴的质量块7，所述质量块7、所述压电元件组由预紧环8与所述正三棱柱4紧固连接。

优选地，所述压电片5为石英剪切片。

优选地，所述引线为镀银铜丝。

优选地，所述正三棱柱4、所述基座2、所述壳罩3、所述输出插座1均为金属材料。

优选地，所述正三棱柱4采用模具工艺或者激光焊接工艺与所述基座2构成一整体。

优选地，所述壳罩3与所述基座2采用激光焊接工艺固定连接。

优选地，所述预紧环8为记忆合金环。

本实施例包括设有输出插座1的基座2、与基座2固接的壳罩3，基座2上设有延伸至壳罩3内部的正三棱柱4，壳罩3内设有沿垂直于正三棱柱4中心轴线方向、并贴合正三棱柱4外侧壁分布的压电元件组；压电元件组包括多个依次层叠的压电元件；压电元件包括两片石英剪切片，两石英剪切片之间夹紧设有与之形成良好导电连接的导电片6，多个导电片6串联或并联连接后经镀银铜丝与输出插座1的芯线导电连接。其中，正三棱柱4、所述基座2、所述壳罩3、所述输出插座1均为金属材料，正三棱柱4采用模具工艺或者激光焊接工艺与基座2构成一整体壳罩3与基座2采用激光焊接工艺固定连接。

本实施例与外部待测根据牛顿第二定律,F＝ma,当质量块7在受到上下加速度a的作用下，会产生惯性力F，惯性力F作用在压电元件上。压电元件采用的石英剪切片，在受到惯性力F作用后产生压电效应，也就是在压电元件表面会产生电荷Q；该电荷Q经镀银铜丝输出到输出插座1，由输出插座1传递至外界信号采集设备进行测量。Q＝d×F,其中d为压电元件固有特性，即压电常数。因此，压电元件输出的电荷量Q＝mad，由于d和m都是常数，因此Q与a成正比关系。通过测量Q的大小，即可测量出加速度a的大小。本实施例压电核心部件由多个依次层叠的压电元件构成，而每个压电元件又由石英剪切片和导电片6构成。层叠式结构设计能够使石英剪切片内部应力在层与层叠加间隙处得到释放，有效解决了单一压电片内部应力对电荷运动轨迹的影响，有效保证了产品测量精度，产品性能稳定，灵敏度一致性程度高；此外，石英晶体具有压电常数和介电系数稳定性好，机械强度高，无热释电现象，绝缘阻抗大等优点，最为特出的是稳定性高与绝缘阻抗大，因此本实施例选择石英晶体作为压电元件，最能满足标准加速度传感器对精度与稳定性的要求，进一步提高产品的测量精度。本实施例采用三角剪切结构，由预紧环将质量块与压电元件夹持在正三棱柱上，加速度传感器感受轴向振动时，压电元件承受切应力，压电元件与基座隔离，负载引起的基座应力变化不会影响到压电元件的变化；本实施例不仅对非振动干扰信号，如基座应力变化、声场等影响有很好的隔离作用，对瞬态温度引起的基座变形也具有很好的隔离，有效补偿了瞬态温度对压电元件的影响；本实施例产品性能稳定，灵敏度一致性程度高；采用预紧环作为紧固件，通过控制预紧环的温度，可以精确控制其收缩率，有效确保批量生产时产品灵敏度的一致性；本实施例装配工艺简化、稳定性好；传统中心压缩型结构，需要人工一一施加预紧力，无法控制每次施加预紧力的一致性，同时还需要后续处理以释放应力，同一批次产品特性差异较大；本实施例采用预紧环方式，可以先期测量敏感件的压电常数、质量块的重量和尺寸，然后一批产品全部加上预紧环，预紧环采用记忆合金，记忆合金是通过加温方式进行收缩，只要控制好温度就可以控制记忆合金的收缩率。因此无论是零件的精加工要求，还是装配要求都比较低，生产方便，组装后的产品灵敏度一致性程度高，产品性能稳定。

下面通过几组数据来对本实施例的基本性能做进一步了解。

首先是对产品的参考灵敏度及稳定性性能进行测量，说明书附图图3是某第一计量测试研究中心对本实施例样品灵敏度进行检定的数据。该测试条件为振动频率f＝160Hz,加速度a＝100m/s²。标准传感器年稳定度要求小于0.5％，由上述数据可见本实施例满足标准传感器年稳定性要求。

其次是横向灵敏度比，标准加速度传感器的横向灵敏度比要﹤2％；传统加速度传感器的横向灵敏度由于结构设计等方面的原因，一次达到这个指标很困难，需要经过多次反复调整和测试才能达到﹤2％这个指标。由此带来的装配难度和成本大幅上升，成品合格率也较低。本实施例结构设计巧妙，横向灵敏度一次装配基本都能达到﹤2％，有效降低了生产成本，成品合格率也很高。

接下来对本实施例的负载能力进行测试，选择丹麦BK8305和本实施例进行对比测试。被校传感器为市面传统剪切型结构的加速度传感器，该传感器自重30g；首先两标准传感器分别按照说明书附图图4所示的测试安装方式对被校传感器进行测量，图中9代表被测传感器，10代表标准传感器；然后再按照说明书附图图5所示的安装方式,配置一个200g的附加质量块进行测量，图5中9代表被测传感器，10代表标准传感器，11代表附加质量块。两标准传感器负载能力测试数据如说明书附图图6所示。从图6给出的数据表中可以看出，当本实施例作为标准传感器，被测传感器的重量达到230g，引起被测传感器灵敏度误差﹤0.18％；而BK8305作标准传感器，被测传感器的重量达到230克，被测传感器灵敏度误差﹤1.14％。由此可以看出本实施例灵敏度校准精度明显优于传统标准传感器。

综上所述，仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用来限定本实用新型实施的范围，凡依本实用新型权利要求范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本实用新型的权利要求范围内。