一體集成式振動傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種一體集成式振動傳感器，用于解決壓電陶瓷材料作為敏感元件的振動傳感器低頻靈敏度低、輸出阻抗高、易引入外部噪聲干擾等問題。本發(fā)明采用多片壓電陶瓷片疊加并聯(lián)構成壓電晶堆，通過增大壓電敏感元件靜態(tài)電容來降低輸出阻抗；壓電晶堆用螺桿緊固并施加一定的預緊力，提高壓電晶堆的彈性模量，從而提高其低頻響應靈敏度；信號調理電路與壓電晶堆通過金屬緊固件集成一體化安裝，提高二者公共接地端的聯(lián)接可靠性，并降低信號傳輸?shù)沫h(huán)路面積，提高了對外部環(huán)境干擾的抑制能力。
【專利說明】一體集成式振動傳感器

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種傳感器，具體涉及一種振動傳感器。

【背景技術】
[0002] 壓電陶瓷作為敏感元件的地震波傳感器，穩(wěn)定性、抗沖擊性能好。但壓電陶瓷材料 敏感元件固有特性是低頻響應靈敏度低而輸出阻抗高，對信號調理電路的阻抗匹配與頻率 響應相應要求較高，而且容易引入外部電噪聲干擾。


【發(fā)明內容】

[0003] 有鑒于此，本發(fā)明提供一種一體集成式振動傳感器，能夠解決壓電陶瓷材料作為 敏感元件的地震波傳感器低頻靈敏度低、輸出阻抗高、易引入外部噪聲干擾等問題。
[0004] 所述的一體集成式振動傳感器包括信號調理電路板、連接桿、慣性元件、壓電晶堆 和底座；所述壓電晶堆由N個壓電陶瓷片和（N-1)個接電片組成，N為大于等于2的偶數(shù)， 每兩個壓電陶瓷片之間放置一個接電片；所述連接桿、慣性元件和底座均具備導電性能。
[0005] 所述壓電晶堆位于慣性元件和底座之間，壓電晶堆中任意相鄰兩壓電陶瓷片均為 同極相對，其兩端與慣性元件和底座接觸部分的均為對應壓電陶瓷片的負極。
[0006] 所述壓電晶堆中，與壓電陶瓷片正極接觸的接電片分別與電纜固接，將壓電晶堆 的正極引出；與壓電陶瓷片負極接觸的接電片分別與另一根電纜固接，將壓電晶堆的負極 引出；通過連接桿將壓電晶堆、慣性元件和底座連為一體，其中連接桿與壓電晶堆間絕緣。
[0007] 所述信號調理電路板固接在慣性元件上，壓電晶堆的正極由電纜引出后與信號調 理電路板上信號調理電路的信號輸入端相連，壓電晶堆的負極由另一根電纜引出后與慣性 元件相連；所述信號調理電路板的公共接地端與慣性元件相連。
[0008] 所述信號調理電路包括正相放大器和位于正相放大器輸入端與輸出端之間的直 流負反饋網絡，其中正相放大器的輸入端即為信號調理電路的信號輸入端。
[0009] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方式，所述連接桿為螺桿，依次穿過質量元件和壓電晶堆 的中心孔后與底座上的螺紋孔配合，并為壓電晶堆提供預應力；所述螺桿與壓電晶堆之間 通過間隙配合實現(xiàn)絕緣。
[0010] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方式，所述信號調理電路板通過螺釘和空心金屬支柱緊固 在慣性元件上；所述空心金屬支柱作為導電體將信號調理電路板的公共接地端與慣性元件 相連。
[0011] 有益效果：
[0012] (1)由多個壓電陶瓷片并聯(lián)構成壓電晶堆，能夠增加靜態(tài)電容，降低輸出阻抗，便 于后續(xù)的阻抗匹配；壓電晶堆用螺桿緊固并施加一定的預緊力，能夠提高壓電晶堆的彈性 模量，從而提高其低頻響應靈敏度。
[0013] (2)將信號調理電路直接安裝在傳感器慣性質量元件上，取消了前端的信號傳輸 電纜，增加了慣性質量元件的有效質量，縮短了信號傳輸?shù)木嚯x并且提高了敏感元件與信 號調理電路公共接地端的可靠性，降低信號傳輸回路的環(huán)路面積，有利于抑制外部環(huán)境干 擾，并同時提高電路工作的穩(wěn)定性與可靠性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 圖1為集成式振動傳感器的結構示意圖；
[0015] 圖2為壓電晶堆連接示意圖；
[0016] 圖3為信號調理電路原理圖。
[0017] 其中：1_信號調理電路板、2-空心金屬支柱、3-預應力螺桿、4-質量塊、5-接電 片、6-壓電陶瓷圓片、7-電纜A、8-底座、9-電纜B

【具體實施方式】
[0018] 下面結合附圖并舉實施例，對本發(fā)明進行詳細描述。
[0019] 本實施例提供一種用于測量地震波信號的一體集成式振動傳感器，解決了壓電陶 瓷材料作為敏感元件的傳統(tǒng)地震波傳感器低頻靈敏度低、輸出阻抗高、易引入外部噪聲干 擾等問題
[0020] 該傳感器的具體結構如圖1所示，包括信號調理電路板1、空心金屬支柱2、螺桿 3、質量塊4、接電片5、壓電陶瓷片6、電纜A7、電纜B9和底座8。其中質量塊4為其慣性元 件，質量塊4、底座8和接電片5均由硬度較高、密度較大的金屬材料制成，并在表面進行精 密拋光處理；為提高接電片5的導電性能，在接電片5的表面應鍍上導電性能較好的金屬， 如金、銀等。
[0021] 本實施例中使用了六片介電常數(shù)與壓電系數(shù)較高的PMg-51壓電陶瓷圓片6,每兩 個壓電陶瓷圓片6之間放置一個接電片5,由此六片壓電陶瓷圓片6和五個接電片5層層 同軸疊加構成壓電晶堆。壓電晶堆的連接如圖2所示，六片壓電陶瓷圓片6從上至下排列 兩兩成對，第一片與第二片組成第一對，第三片與第四片組成第二對，第五片與第六片組成 第三對。每對壓電陶瓷圓片之間正極與正極相對，從而通過位于其中間的接電片相連，該位 置下的三個接電片的邊緣伸出壓電晶堆后與電纜A7焊接，由電纜A7將壓電晶堆的正極引 出。相鄰兩對之間負極與負極相對，通過位于其中間的接電片相連，該位置下的兩個接電片 的邊緣伸出壓電晶堆后與電纜B9焊接，由電纜B9將壓電晶堆的負極引出。由此在電氣連 接上六片壓電陶瓷圓片就構成了并聯(lián)關系，增大了傳感器的靜態(tài)電容Q，而壓電陶瓷類傳 感器的輸出阻抗Z與其靜態(tài)電容有關，靜態(tài)電容Q越大，輸出阻抗Z越低。六片壓電陶瓷 圓片并聯(lián)，其靜態(tài)電容Q增大到單片壓電陶瓷圓片的六倍，有效降低了傳感器的輸出阻抗， 有利于提高其低頻靈敏度并降低外部噪聲干擾的影響。
[0022] 每片壓電陶瓷圓片和接電片的中心均留有圓孔，由此形成壓電晶堆的中心孔。將 上述壓電晶堆放置在底座8與質量塊4之間，質量塊4上與壓電晶堆中心孔對應位置加工 有圓形通孔，底座8上與壓電晶堆中心孔對應位置加工有螺紋孔，由此通過預應力螺桿3將 質量塊4、壓電晶堆和底座8緊固在一起，預應力螺桿3與壓電晶堆之間通過間隙配合實現(xiàn) 絕緣。為提供一定的預應力，預應力螺桿3緊固過程中可以使用平墊片、彈性墊圈此類的輔 助器件，具體為：安裝過程中將預應力螺桿3上先套入彈性墊圈、平墊片，再穿過質量塊4以 及壓電晶堆上的通孔，緊固在底座8上的螺紋孔中。擰緊預應力螺桿3直至克服彈性墊圈 的彈力，使彈性墊圈壓平，這時，壓電晶堆上就存在一定的預應力。
[0023] 壓電晶堆的正極由電纜A7引出后與信號調理電路板1上信號調理電路的信號輸 入端相連，負極由電纜B9引出后與質量塊4相連。質量塊4的上表面加工有多個螺紋孔， 用螺釘將信號調理電路板1通過空心金屬支柱2緊固在質量塊4上，空心金屬支柱2作為 導電體將信號調理電路板1上裸露的公共接地端與質量塊4聯(lián)接。同樣，金屬材質的預應 力螺桿3也為質量塊4與底座8提供了電聯(lián)接。因此，信號調理電路板1的公共接地端與 壓電晶堆的負極、質量塊4和底座8在電信號上是連接在一起的。
[0024] 由于該地震波傳感器的壓電晶堆通過預應力螺桿3施加了預應力，壓電晶堆中壓 電陶瓷圓片與接電片緊密結合，由于各種材料的熱膨脹系數(shù)不同，有可能由于溫度變化引 起壓電陶瓷圓片細微的形變，從而產生緩慢變化的溫度蠕變信號，其頻率要低于地震波信 號頻率，這種信號是不希望的，因此采用一種帶有低頻信號負反饋的信號調理電路來放大 地震波段信號的同時來抑制這種頻率更低、緩慢變化的溫度蠕變信號。
[0025] 由此信號調理電路板1上的信號調理電路如圖3所示，包括正相放大器與直流反 饋網絡，其中運算放大器U1與外圍阻容器件構成正相放大器，運算放大器U2與外圍阻容器 件構成積分電路，起到直流負反饋的作用。
[0026] 其具體連接為：所述運算放大器U1選用低噪聲、低直流偏移的運放AD797,壓電晶 堆正極的輸出信號通過電纜A7接入運算放大器U1的正相輸入端；電阻R2和電容C1并聯(lián) 后一端接運算放大器U1的反相輸入端，另一端通過反饋電阻R3接入運算放大器U1的輸出 端，起到平衡直流偏移的作用；限流電阻R1接在反饋電阻R3與地之間。反饋電阻R3與限

【權利要求】
1. 一體集成式振動傳感器，其特征在于，包括信號調理電路板、連接桿、慣性元件、壓電 晶堆和底座；所述壓電晶堆由N個壓電陶瓷片和（N-1)個接電片組成，N為大于等于2的 偶數(shù)，每兩個壓電陶瓷片之間放置一個接電片；所述連接桿、慣性元件和底座均具備導電性 能； 所述壓電晶堆位于慣性元件和底座之間，壓電晶堆中任意相鄰兩壓電陶瓷片均為同極 相對，其兩端與慣性元件和底座接觸部分的均為對應壓電陶瓷片的負極； 所述壓電晶堆中，與壓電陶瓷片正極接觸的接電片分別與電纜固接，將壓電晶堆的正 極引出；與壓電陶瓷片負極接觸的接電片分別與另一根電纜固接，將壓電晶堆的負極引出； 通過連接桿將壓電晶堆、慣性元件和底座連為一體，其中連接桿與壓電晶堆間絕緣； 所述信號調理電路板固接在慣性元件上，壓電晶堆的正極由電纜引出后與信號調理電 路板上信號調理電路的信號輸入端相連，壓電晶堆的負極由另一根電纜引出后與慣性元件 相連；所述信號調理電路板的公共接地端與慣性元件相連； 所述信號調理電路包括正相放大器和位于正相放大器輸入端與輸出端之間的直流負 反饋網絡，其中正相放大器的輸入端即為信號調理電路的信號輸入端。
2. 如權利要求1所述的一體集成式振動傳感器，其特征在于，所述連接桿為螺桿，依次 穿過質量元件和壓電晶堆的中心孔后與底座上的螺紋孔配合，并為壓電晶堆提供預應力； 所述螺桿與壓電晶堆之間通過間隙配合實現(xiàn)絕緣。
3. 如權利要求1或2所述的一體集成式振動傳感器，其特征在于，所述信號調理電路板 通過螺釘和空心金屬支柱緊固在慣性元件上；所述空心金屬支柱作為導電體將信號調理電 路板的公共接地端與慣性元件相連。
【文檔編號】G01H11/08GK104266745SQ201410507389
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月28日 優(yōu)先權日:2014年9月28日
【發(fā)明者】付繼偉, 高偉, 汪小亞, 張恒, 程志 申請人:中國船舶重工集團公司第七一〇研究所