專利名稱：壓電聲敏傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種壓電傳感器，該傳感器主要用于檢測和監(jiān)測設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)部件發(fā)生故障時聲音信號的變化，從而獲取設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)完好狀況信息。
背景技術(shù)：
工業(yè)化大生產(chǎn)應(yīng)用著大量的機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備，對機(jī)械設(shè)備的日常維護(hù)是保證設(shè)備完好狀況進(jìn)而提高經(jīng)濟(jì)效益的一個很重要的因素。目前國外進(jìn)口設(shè)備和國內(nèi)比較關(guān)鍵的設(shè)備基本上引進(jìn)了先進(jìn)的傳感檢測技術(shù)和智能監(jiān)控系統(tǒng)，而國內(nèi)工礦企業(yè)廣泛應(yīng)用的大型往復(fù)式壓縮機(jī)、泵、減速機(jī)、車床等設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況主要靠有經(jīng)驗的師傅用“看、聽、摸”的方法進(jìn)行日常維護(hù)和故障診斷?！奥牎敝饕墙柚奥牥簟钡容o助工具憑經(jīng)驗對設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)完好狀況進(jìn)行判斷，判斷是定性的且受人為因素影響很大，不能進(jìn)行定量分析和實(shí)現(xiàn)對運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀況的數(shù)據(jù)化管理。
機(jī)械故障通常以機(jī)器部件的機(jī)械振動形式表達(dá)出來，趨近式電渦流傳感器、速度傳感器和加速度傳感器等傳感器通過測量機(jī)器的機(jī)械振動，將機(jī)械振動轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栯S后被測量整定以指示振動值，并可用于對機(jī)器的機(jī)械完好狀況進(jìn)行診斷。準(zhǔn)確地對轉(zhuǎn)軸、軸承、軸承箱、機(jī)殼等部件進(jìn)行測量和監(jiān)測可以對機(jī)器的機(jī)械狀態(tài)進(jìn)行描述，但是這些傳感器的缺點(diǎn)是容易受噪聲和振動源的影響、振動信息不是運(yùn)動部件的信息而是測量的機(jī)殼振動的間接信息、傳感器和機(jī)殼要求緊固固定且安裝精度要求較高等。另外這些類型的傳感器不適合做成便攜式的可移動使用的傳感器，對于像往復(fù)式壓縮機(jī)的氣閥故障、柱塞往復(fù)泵的進(jìn)排液閥故障信號等引起的振動信號的測量更易受噪聲信號的影響。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種通過拾取運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備零部件振動發(fā)出的聲音信號的變化并把聲音信號轉(zhuǎn)化為指示設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)完好狀況的電信號的傳感器。這種傳感器直接獲取的是運(yùn)轉(zhuǎn)零部件的振動信息，利用傳感器將聲音振動的信號轉(zhuǎn)化為電信號，借助這種電信號提供的有用信息便可以對設(shè)備的機(jī)械狀況進(jìn)行診斷。傳感器使用時只需要將它的拾音部件和待測設(shè)備外部緊密接觸就可以獲取內(nèi)部設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)信息，它可用來檢測往復(fù)式壓縮機(jī)的氣閥和運(yùn)轉(zhuǎn)零部件故障、柱塞往復(fù)泵的進(jìn)排液閥故障、滾動和滑動軸承故障、齒減速機(jī)齒輪嚙合故障等。這種檢測聲音信號的傳感器具有輸出線性好，分辨率高、響應(yīng)速度快、噪聲低、器件尺寸小，易于實(shí)現(xiàn)測量裝置小型化和實(shí)現(xiàn)便攜式移動使用的特點(diǎn)。
本實(shí)用新型提供的壓電聲敏傳感器，其特征在于包括拾音探頭1、絕緣座3、傳感器輸出線4、壓電元件5、基底電極6、絕緣座壓板7、電極引線8、導(dǎo)線固定板9，拾音探頭1通過和待測設(shè)備外部接觸拾取運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備內(nèi)部的聲音信號，絕緣座3和絕緣座壓板7把兩側(cè)粘結(jié)有基底電極6的壓電元件5夾在中間并使壓電元件5和基底電極6與拾音探頭1絕緣，壓電元件5和基底電極6用導(dǎo)電膠粘結(jié)，壓電元件5通過絕緣膠2粘接在拾音探頭的內(nèi)部直接用于測量拾音探頭1拾取的轉(zhuǎn)動設(shè)備內(nèi)部的聲音信號變化并轉(zhuǎn)化輸出為電信號，基底電極6上焊接有電極引線8與壓電元件5通過導(dǎo)電膠粘接，電極引線8把壓電元件5產(chǎn)生的電信號傳輸?shù)綄?dǎo)線固定板9上，傳感器輸出線4的一端連在導(dǎo)線固定板9上把壓電元件5產(chǎn)生的電信號輸出，按用途壓電聲敏傳感器的外形可制成圓柱體、圓錐體、立方體或圓錐體和圓柱體的組合體，可以做成移動便攜式或固定安裝使用的傳感器。
所述拾音探頭1，其拾取聲音信號與轉(zhuǎn)動設(shè)備接觸的部位到壓電元件5響應(yīng)到信號聲波所傳輸?shù)闹本€距離為聲匹配層的厚度，聲匹配層的厚度為待測聲音信號聲波波長的1/4；拾音探頭1的外部形狀可為球面、錐面或平面結(jié)構(gòu)，內(nèi)部為空腔結(jié)構(gòu)。
所述絕緣座3和絕緣座壓板7，和絕緣座壓板7過盈配合的絕緣座3帶有一個夾持固定壓電元件5和基底電極6的凹槽301、兩個用于引出電極引線8的圓弧形槽302和303，它緊密卡在拾音探頭1的空腔結(jié)構(gòu)內(nèi)；絕緣座壓板7是一個圓柱體。
所述壓電元件5為采用壓電材料PVDF(聚偏二氟乙烯)制成的壓電薄膜，其表面鍍有金屬層為壓電元件5的電極；PVDF壓電薄膜的厚度為90～250μm，薄膜厚度決定壓電聲敏傳感器的中心頻率和待測測信號一定情況下的傳感器輸出響應(yīng)；兩側(cè)粘有基底電極6的壓電元件5展平后粘接在拾音探頭1的空腔內(nèi)。
所述基底電極6是表面平整的金屬片，其形狀為圓環(huán)形；電極引線8焊接或粘結(jié)在其外圍的一側(cè)表面上；基底電極6和壓電元件5同心粘結(jié)在一起被夾持在絕緣座3和絕緣座壓板7之間的凹槽301內(nèi)。
所述電極引線8用外表面帶有絕緣材料的金屬線制成，其一端焊接或粘接在基底電極6上，另一端固定在導(dǎo)線固定板9上。
所述導(dǎo)線固定板9用絕緣材料制成，用來固定電極引線8和傳感器輸出線4。
傳感器輸出線4為雙絞屏蔽線，其一端和導(dǎo)線固定板9相連接，另一端引出作為傳感器的輸出信號線。
采用了上述結(jié)構(gòu)，可以制成輸出線性好、分辨率高、響應(yīng)速度快、噪聲低、器件尺寸小，易于實(shí)現(xiàn)測量裝置小型化和實(shí)現(xiàn)便攜式移動的壓電聲敏傳感器，做成的這種傳感器加上信號處理等電子部件可以方便的采集和處理信號，實(shí)現(xiàn)對往復(fù)式壓縮機(jī)的氣閥和運(yùn)轉(zhuǎn)零部件狀態(tài)、柱塞往復(fù)泵的進(jìn)排液閥狀態(tài)、滾動和滑動軸承狀態(tài)、減速機(jī)齒輪嚙合完好狀態(tài)的檢測和監(jiān)測。


圖1為拾音探頭為球面的移動便攜式壓電聲敏傳感器剖視圖；圖2為拾音探頭為錐面的移動便攜式壓電聲敏傳感器剖視圖；圖3為圖1和圖2局部剖視放大圖；圖4為拾音探頭為平面的固定安裝式壓電聲敏傳感器剖視圖；圖5(a)為絕緣座3的主視剖面圖；圖5(b)為絕緣座3的俯視圖；圖5(c)為絕緣座壓板7的剖視圖；圖6為基底電極6和電極引線8的主視圖；圖中拾音探頭1、絕緣膠2、絕緣座3、傳感器輸出線4、壓電元件5、基底電極6、絕緣座壓板7、電極引線8、導(dǎo)線固定板9、手持桿10、密封帽11，凹槽101，凸臺102，凸肩103，螺紋孔104，凹槽301，圓弧形槽302，圓弧形槽303。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳述。
本實(shí)用新型提供的壓電聲敏傳感器見圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6，包括拾音探頭1、絕緣膠2、絕緣座3、傳感器輸出線4、壓電元件5、基底電極6、絕緣座壓板7、電極引線8、導(dǎo)線固定板9、手持桿10、密封帽11等部件，拾音探頭1通過和待測設(shè)備外部接觸拾取運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備內(nèi)部的聲音信號，絕緣座3和絕緣座壓板7把兩側(cè)粘結(jié)有基底電極6的壓電元件5夾在中間并使壓電元件5和基底電極6與拾音探頭1絕緣，壓電元件5和基底電極6用導(dǎo)電膠粘結(jié)，壓電元件5通過絕緣膠2粘接在拾音探頭的內(nèi)部直接用于測量拾音探頭1拾取的轉(zhuǎn)動設(shè)備內(nèi)部的聲音信號變化并轉(zhuǎn)化輸出為電信號，基底電極6上焊接有電極引線8與壓電元件5通過導(dǎo)電膠粘接，電極引線8把壓電元件5產(chǎn)生的電信號傳輸?shù)綄?dǎo)線安全固定板9上，傳感器輸出線4的一端連在導(dǎo)線固定板9上把壓電元件5產(chǎn)生的電信號輸出，按用途壓電聲敏傳感器的外形可制成圓柱體、圓錐體、立方體或圓錐體和圓柱體的組合體，可以做成移動便攜式或固定安裝使用的傳感器。
本實(shí)用新型的裝配制作技術(shù)方案其步驟為見圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6，第一步，首先把絕緣座3嵌入到拾音探頭1的凹槽101內(nèi)，調(diào)整絕緣座3的位置使圓弧形槽302的槽底面比拾音探頭1的凸臺102的平面略低；第二步，在凸臺102的平面上均勻的涂抹上一層絕緣粘性膠2，把兩側(cè)粘有基底電極6的壓電元件5平鋪粘結(jié)在凸臺102上并使電極引線8分別穿過圓弧形槽302和303；第三步，把絕緣座壓板7卡入到絕緣座3的凹槽301內(nèi)并使之緊緊地把粘結(jié)有基底電極6的壓電元件5壓在拾音探頭1的凸臺102上；第四步，把電極引線8固定在導(dǎo)線固定板上，然后再把導(dǎo)線固定板9固定在拾音探頭1的凸肩103上；第五步，傳感器輸出線4為雙絞屏蔽線，其一端和導(dǎo)線固定板9相連接，另一端引出作為傳感器的輸出信號線穿過通孔105；引出線要用防掙脫密封帽11固定，一者起到密封作用防止水分或灰塵等進(jìn)入傳感器內(nèi)部，二者可以固定夾緊導(dǎo)線防止傳感器輸出線4從導(dǎo)線固定板9上脫落；第六步，移動式壓電聲敏傳感器手持桿10通過外螺紋擰入到拾音探頭1的螺紋孔104內(nèi)，擰緊后用密封膠密封；固定式壓電聲敏傳感器端蓋10直接通過密封膠和拾音探頭1密封固定。
所述拾音探頭1，如圖1、圖2、圖3、圖4所示，其拾取聲音信號與轉(zhuǎn)動設(shè)備接觸的部位到壓電元件5響應(yīng)信號聲波所傳輸?shù)闹本€距離為聲匹配層的厚度，聲匹配層的厚度為待測聲音信號聲波波長的1/4；拾音探頭1的外部形狀可為球面、錐面或平面結(jié)構(gòu)；拾音探頭1內(nèi)部為一個帶有凹槽101、凸臺102、凸肩103和內(nèi)螺紋104的空腔結(jié)構(gòu)；凸臺102表面粗糙度一般為Ra3.2～Ra6.3。
所述壓電元件5，如圖1、圖2、圖3、圖4所示，它采用壓電材料PVDF制成壓電薄膜，其表面經(jīng)極化鍍有金屬層，鍍層可以為金、銀、鋁等材料并作為壓電材料的電極；PVDF壓電薄膜的厚度為90～250μm，薄膜厚度決定壓電聲敏傳感器的中心頻率和待測測信號一定情況下的傳感器輸出響應(yīng)；兩側(cè)粘有基底電極6的壓電元件5展平后粘接在拾音探頭1的空腔內(nèi)。
所述絕緣座3和絕緣座壓板7，見圖1、圖2、圖3、圖4、圖5，和絕緣座壓板7過盈配合的絕緣座3帶有一個夾持固定壓電元件5和基底電極6的凹槽301、兩個用于引出電極引線8的圓弧形槽302和303，它緊密卡在拾音探頭1的空腔結(jié)構(gòu)內(nèi)；絕緣座壓板7是一個圓柱體。
所述基底電極6，如圖1、圖2、圖3、圖4、圖6所示，為表面平整其形狀為圓環(huán)形的金屬片；電極引線8焊接或粘結(jié)在其外圍的一側(cè)表面上；基底電極6和壓電元件5同心粘結(jié)在一起被夾持在絕緣座3和絕緣壓板7之間的凹槽301內(nèi)。
所述電極引線8，如圖1、圖2、圖3、圖4、圖6所示，用外表面帶有絕緣材料的金屬線制成，其一端焊接或粘接在基底電極6上，一端固定在導(dǎo)線固定板9上。
所述導(dǎo)線固定板9用絕緣材料制成，如圖1、圖2、圖3、圖4所示，其用途為固定電極引線8和傳感器輸出線4，它固定在拾音探頭1內(nèi)部的凸肩103的上。
傳感器輸出線4為雙絞屏蔽線，其一端和導(dǎo)線固定板9相連接，另一端引出作為傳感器的輸出信號線。
采用了上述結(jié)構(gòu)，可以制成輸出線性好、分辨率高、響應(yīng)速度快、噪聲低、器件尺寸小，易于實(shí)現(xiàn)測量裝置小型化和實(shí)現(xiàn)便攜式移動使用的壓電聲敏傳感器，做成的這種傳感器加上信號處理等電子部件可以方便的采集信號和處理信號，實(shí)現(xiàn)對往復(fù)式壓縮機(jī)的氣閥和運(yùn)轉(zhuǎn)部件狀態(tài)檢測、柱塞往復(fù)泵的進(jìn)排液閥狀態(tài)檢測、滾動和滑動軸承狀態(tài)檢測、齒輪箱齒輪嚙合完好狀態(tài)檢測，它不僅具有使用方便而且具有成本低廉易于推廣使用的特點(diǎn)。
采用這種壓電聲敏傳感器在某化工企業(yè)分別對往復(fù)式壓縮機(jī)的進(jìn)排氣閥、離心泵的軸承、隔膜柱塞泵的進(jìn)排液閥、減速機(jī)等進(jìn)行了現(xiàn)場信號的采集，實(shí)踐證明這種傳感器能夠比較靈敏的采集到源自運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備零部件的聲音信號，具有靈敏度高、噪音小、使用方便的特點(diǎn)。
權(quán)利要求1.壓電聲敏傳感器，其特征在于包括拾音探頭(1)、絕緣座(3)、傳感器輸出線(4)、壓電元件(5)、基底電極(6)、絕緣座壓板(7)、電極引線(8)、導(dǎo)線固定板(9)，拾音探頭(1)通過和待測設(shè)備外部接觸拾取運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備內(nèi)部的聲音信號，絕緣座(3)和絕緣座壓板(7)把兩側(cè)粘結(jié)有基底電極(6)的壓電元件(5)夾在中間并使壓電元件(5)和基底電極(6)與拾音探頭(1)絕緣，壓電元件(5)和基底電極(6)用導(dǎo)電膠粘結(jié)，壓電元件(5)通過絕緣膠(2)粘接在拾音探頭的內(nèi)部直接用于測量拾音探頭(1)拾取的轉(zhuǎn)動設(shè)備內(nèi)部的聲音信號變化并轉(zhuǎn)化輸出為電信號，基底電極(6)上固定有電極引線(8)與壓電元件(5)通過導(dǎo)電膠粘接，電極引線(8)把壓電元件(5)產(chǎn)生的電信號傳輸?shù)綄?dǎo)線固定板(9)上，其一端焊接或粘接在基底電極(6)上，另一端固定在導(dǎo)線固定板(9)上；傳感器輸出線(4)的一端連在導(dǎo)線固定板(9)上把壓電元件(5)產(chǎn)生的電信號輸出，按用途壓電聲敏傳感器的外形可制成圓柱體、圓錐體、立方體或圓錐體和圓柱體的組合體，可以做成移動便攜式或固定安裝使用的傳感器；所述拾音探頭(1)，其拾取聲音信號與轉(zhuǎn)動設(shè)備接觸的部位到壓電元件(5)響應(yīng)到信號聲波所傳輸?shù)闹本€距離為聲匹配層的厚度，聲匹配層的厚度為待測聲音信號聲波波長的1/4；拾音探頭(1)的外部形狀可為球面、錐面或平面結(jié)構(gòu)，內(nèi)部為空腔結(jié)構(gòu)；所述絕緣座(3)和絕緣座壓板(7)，和絕緣座壓板(7)過盈配合的絕緣座(3)帶有一個夾持固定壓電元件(5)和基底電極(6)的凹槽(301)、兩個用于引出電極引線(8)的圓弧形槽(302)和(303)，它緊密卡在拾音探頭(1)的空腔結(jié)構(gòu)內(nèi)；絕緣座壓板(7)是一個圓柱體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電聲敏傳感器，其特征在于，所述壓電元件(5)表面鍍有金屬層為壓電元件(5)的電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電聲敏傳感器，其特征在于，所述基底電極(6)是表面平整的金屬片，其形狀為圓環(huán)形；基底電極(6)和壓電元件(5)同心粘結(jié)在一起被夾持在絕緣座(3)和絕緣座壓板(7)之間的凹槽(301)內(nèi)。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種壓電傳感器?，F(xiàn)有往復(fù)式壓縮機(jī)、泵等設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)判斷是人為定性，不能進(jìn)行定量分析和數(shù)據(jù)化管理。該傳感器拾音探頭(1)拾取聲音信號，絕緣座(3)和絕緣座壓板(7)把兩側(cè)粘結(jié)有基底電極(6)的壓電元件(5)夾在中間并使壓電元件(5)和基底電極(6)與拾音探頭(1)絕緣，壓電元件(5)通過絕緣膠(2)粘接在拾音探頭的內(nèi)部直接用于測量拾音探頭(1)拾取聲音信號轉(zhuǎn)為輸出電信號，電極引線(8)把壓電元件(5)產(chǎn)生的電信號傳輸?shù)綄?dǎo)線固定板(9)上，一端連接基底電極(6)，一端固定在導(dǎo)線固定板(9)上；傳感器輸出線(4)上輸出電信號。本實(shí)用新型輸出線性好，分辨率高、響應(yīng)速度快、噪聲低、易小型化。
文檔編號G01H11/00GK2816765SQ20052010325
公開日2006年9月13日 申請日期2005年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月5日
發(fā)明者吳斌, 王慶鋒, 何存富, 馮喜旺, 李海濤, 李偉, 唐為軍 申請人:北京工業(yè)大學(xué)