一种共振增强型压电传感器的制作方法

本实用新型涉及机械设备状态监测技术领域，尤其涉及一种共振增强型压电传感器。

背景技术：

目前在机械设备故障诊断和状态监测领域采用的主要传感器仍然以振动传感器为主，如压电式加速度传感器(也称加速度计或加速度传感器)，其功能是将机械振动转换成电信号。当压电式加速度传感器感受到振动信号时，其输出端会产生一个与振动加速度成正比的电荷量，既可以测量振动的加速度、速度和位移，也可以测量一些幅值较大的振动冲击信号。由于它体积小、重量轻、频带宽、可靠性高以及动态范围大，所以在振动测量领域中能够得到非常广泛的应用。

但是，对于重载荷、慢速的旋转设备，其故障信号表现为瞬态的、幅度较小的冲击信号，使用目前的振动传感器和测振仪是无法检测到的，包括轴承的润滑不良等状况，检测也是无法用振动分析的方法去完成。对于这些瞬态信号的检测，振动传感器存在的缺陷是很明显的，主要表现在以下几个方面：

1、常规的振动传感器是共振减弱型的，也就是说为了提取更多的频率信号，传感器设计的初衷是把余振吸收掉，因此振动分析仪主要是用于采集周期性信号，对于冲击能量有限的瞬态故障信号，难以捕捉到。

2、故障信号的频率成分非常复杂，难以通过振动分析仪的频带限制。而且对于太宽的频带进行分析，无论是硬件开销还是软件开销都是非常大的。

3、早期故障信号往往很小，很可能被外界噪声淹没。例如在工业设备实际运行环境中，环境噪声是非常嘈杂的，如果采用振动分析的方法，对于没有特征频率的瞬态信号，是很难从环境噪声中提取出来的。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种能够提高信号强度，减少环境噪音干扰，故障信号检出率高的共振增强型压电传感器。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：一种共振增强型压电传感器，包括相对设置的正极导电棒和负极导电棒，所述正极导电棒和所述负极导电棒之间夹装有压电陶瓷片，所述正极导电棒与所述负极导电棒夹装所述压电陶瓷片的一端外侧套装有电棒连接紧固套，所述电棒连接紧固套与所述正极导电棒及所述压电陶瓷片之间设有电绝缘装置，所述电棒连接紧固套与所述负极导电棒间隙配合连接。

作为优选的技术方案，所述电绝缘装置包括设于所述压电陶瓷片与所述电棒连接紧固套之间的电绝缘环，设于所述正极导电棒与所述电棒连接紧固套之间的电绝缘套，所述电绝缘套一端抵靠在所述电绝缘环上，所述电绝缘套另一端延伸至所述电棒连接紧固套的外侧。

作为优选的技术方案，所述正极导电棒、所述负极导电棒、所述压电陶瓷片的端面分别设置为圆形，且所述负极导电棒的端面直径大于所述压电陶瓷片的端面直径，所述负极导电棒超出所述压电陶瓷片的部分端面形成所述电绝缘环的绝缘环定位台。

作为优选的技术方案，所述正极导电棒与所述压电陶瓷片接触的一端设有绝缘套限位凸环，所述电绝缘套上设有与所述绝缘套限位台配合的绝缘套限位凹环。

作为对上述技术方案的改进，所述负极导电棒与所述压电陶瓷片接触的一端设有紧固套限位环台，所述电棒连接紧固套上设有与所述紧固套限位环台配合的紧固套限位环槽，所述电绝缘环和部分所述电绝缘套分别装配于所述紧固套限位环槽内。

作为对上述技术方案的改进，所述电棒连接紧固套套装所述正极导电棒的一端外周面设有夹装预紧斜面。

由于采用了上述技术方案，一种共振增强型压电传感器，包括相对设置的正极导电棒和负极导电棒，所述正极导电棒和所述负极导电棒之间夹装有压电陶瓷片，所述正极导电棒与所述负极导电棒夹装所述压电陶瓷片的一端外侧套装有电棒连接紧固套，所述电棒连接紧固套与所述正极导电棒及所述压电陶瓷片之间设有电绝缘装置，所述电棒连接紧固套与所述负极导电棒间隙配合连接；本实用新型的有益效果是：上述结构的传感器将冲击信号能量富集在30khz～40khz之间的频率上，提高了信号强度，尽可能减少了环境噪音的干扰，使得故障信号容易检出；另外使传感器输出信号形成衰减比较慢(持续20个周期以上)的共振增强信号，如果将信号在后端电路中转换为音频信号，就可以输出到耳机内被故障诊断工程师听到，能够使故障诊断工程师获取到被测设备的早期故障信号，便于及时分析、排除故障。

附图说明

以下附图仅旨在于对本实用新型做示意性说明和解释，并不限定本实用新型的范围。其中：

图1是本实用新型实施例的结构示意图；

图2是图1中a处的放大结构示意图；

图中：1-正极导电棒；2-负极导电棒；3-压电陶瓷片；4-电棒连接紧固套；5-电绝缘环；6-电绝缘套；7-夹装预紧斜面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，进一步阐述本实用新型。在下面的详细描述中，只通过说明的方式描述了本实用新型的某些示范性实施例。毋庸置疑，本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本实用新型的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。

如图1和图2所示，一种共振增强型压电传感器，包括相对设置的正极导电棒1和负极导电棒2，所述正极导电棒1和所述负极导电棒2之间夹装有压电陶瓷片3，所述正极导电棒1与所述负极导电棒2夹装所述压电陶瓷片3的一端外侧套装有电棒连接紧固套4，所述电棒连接紧固套4与所述正极导电棒1及所述压电陶瓷片3之间设有电绝缘装置，所述电棒连接紧固套4与所述负极导电棒2间隙配合连接。

本实施例中，所述正极导电棒1的主体部分为直径7mm、长35mm的圆柱体结构，所述负极导电棒2为直径7mm、长40mm的圆柱体结构，所述正极导电棒1、所述负极导电棒2和所述电棒连接紧固套4的材料均为304不锈钢，耐高温、耐腐蚀性好，对使用环境要求低；而所述压电陶瓷片3的优选尺寸为直径7mm，厚度1mm的圆片结构，材料为锆钛酸铅，利用所述电棒连接紧固套4将传感器的各个部件组装固定在一起。

具体地，所述电绝缘装置包括设于所述压电陶瓷片3与所述电棒连接紧固套4之间的电绝缘环5，设于所述正极导电棒1与所述电棒连接紧固套4之间的电绝缘套6，所述电绝缘套6一端抵靠在所述电绝缘环5上，所述电绝缘套6另一端延伸至所述电棒连接紧固套4的外侧，所述电绝缘环5设置为陶瓷绝缘环，所述电绝缘套6设置为塑料套。通过上述结构可以看出，所述电绝缘套6和所述电绝缘环5可以将所述正极导电棒1和所述负极导电棒2隔开，防止传感器内部短路。所述电棒连接紧固套4与所述负极导电棒2是直接接触的，因此两者之间是电导通的，同时所述负极导电棒2与所述压电陶瓷片3的一个端面电导通。

传感器在实际工作过程中，在所述电棒连接紧固套4内部巧妙构建了一个谐振系统，这个谐振系统的振子是所述压电陶瓷片3，该系统的回复力来自于所述电棒连接紧固套4将所述正极导电棒1、所述负极导电棒2和所述压电陶瓷片3的预紧力。在合适的预紧力下，当所述压电陶瓷片3产生微小位移δx时，回复力f近似等于-kδx。设定压电陶瓷片3的质量为m，则谐振频率为：

本实施例的所述压电陶瓷片3作为质量块，质量轻，有利于传感器结构形成谐振，成为拾取瞬态微弱冲击信号的基础，进而实现了故障信号的拾取和共振增强。

本实施例中，所述正极导电棒1、所述负极导电棒2、所述压电陶瓷片3的端面分别为圆形，且所述负极导电棒2的端面直径大于所述压电陶瓷片3的端面直径，所述负极导电棒2超出所述压电陶瓷片3的部分端面形成所述电绝缘环5的绝缘环定位台，使所述电绝缘环5与所述压电陶瓷片3和所述电棒连接紧固套4之间形成间隙配合。所述正极导电棒1与所述压电陶瓷片3接触的一端设有绝缘套限位凸环，所述电绝缘套6上设有与所述绝缘套限位凸环配合的绝缘套限位凹环，使所述正极导电棒1与所述电绝缘套6之间形成过盈配合。所述负极导电棒2与所述压电陶瓷片3接触的一端设有紧固套限位环台，所述电棒连接紧固套4上设有与所述紧固套限位环台配合的紧固套限位环槽，所述电绝缘环5和部分所述电绝缘套6分别装配于所述紧固套限位环槽内，使所述电棒连接紧固套4与所述负极导电棒2之间形成间隙配合。

在装配时，所述正极导电棒1、所述压电陶瓷片3和所述负极导电棒2之间施加一定的预紧力之后，再将所述电绝缘环5端部压紧，保持所述正极导电棒1、所述压电陶瓷片3和所述负极导电棒2之间的预紧力不变。在所述压电陶瓷片3的质量m不变的前提下，通过调节预紧力，来改变k值，可使共振频率f＝31khz左右。

本实施例在所述电棒连接紧固套4套装所述正极导电棒1的一端外周面设有夹装预紧斜面7。将所述电绝缘环5端部压紧后，为了保持所述正极导电棒1、所述压电陶瓷片3和所述负极导电棒2之间的预紧力不变，可以利用夹装工具夹住所述夹装预紧斜面7并向内挤压，使所述夹装预紧斜面7的内表面卡紧所述电绝缘套6的外周，达到预紧力保持的效果。

通过上述技术手段，本实施例具有以下优点：

1、用共振增强的方法将信号在30khz～40khz的频段上进行富集，使得信号强度比原来没有富集前增大6～7倍以上，这样可以比振动分析法提前3～6个月发现故障问题，且能够准确采集轴承故障早期的瞬态信号。

2、由于信号的频率集中到一个窄带频段上，比较容易做到增益稳定的放大信号。

3、由于共振增强后的故障信号是能量信号，主要是看能量值，不再携带频率信息，做检波处理之后会得到更加低频的信号，因此采用较低的采样率就可以实现信号采集。

4、采用本传感器dbm/dbc(峰值/地毯值)、hr/lr(高频次/低频次)对比方法可以分析轴承的润滑情况。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征及本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。