本發(fā)明涉及傳感器技術領域，特別是涉及一種電荷輸出元件、裝配方法及壓電加速度傳感器。

背景技術：

壓電加速度傳感器又稱壓電加速度計，也屬于慣性式傳感器。壓電加速度傳感器的原理是利用壓電元件的壓電效應，在加速度計受振時，質量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。當被測振動頻率遠低于加速度計的固有頻率時，則力的變化與被測加速度成正比。

壓電加速度傳感器內設置有電荷輸出元件，現(xiàn)有技術中，電荷輸出元件的各部件間采用連接層連接，通過連接層連接的方式雖然能夠使得電荷輸出元件的各部件裝配結合，但是采用連接層連接方式對于連接層的品質及裝配操作要求極高，若連接層內含有雜質或者裝配時操作不當，則會導致電荷輸出元件各部件間連接強度低，使得電荷輸出元件的整體剛度不足，進而導致壓電加速度傳感器的頻響特性及諧振過低。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明實施例提供一種電荷輸出元件、裝配方法及壓電加速度傳感器，能夠保證電荷輸出元件的剛性，進而提升壓電加速度傳感器的頻響特性及諧振。

本發(fā)明實施例一方面提出了一種電荷輸出元件，包括：支架，包括連接部件；壓電元件，為環(huán)形結構體，套接在連接部件上，壓電元件上設置有第一形變槽，第一形變槽貫通壓電元件的側壁，以使壓電元件在環(huán)向上斷開；質量塊，為環(huán)形結構體，套接在壓電元件上；其中，壓電元件與連接部件及質量塊過盈配合。

根據(jù)本發(fā)明實施例的一個方面，質量塊上設置有貫通質量塊的側壁的第二形變槽，以使質量塊在環(huán)向上斷開，并且進一步設置套接在質量塊上的預緊環(huán)，預緊環(huán)與質量塊過盈配合。

根據(jù)本發(fā)明實施例的一個方面，第一形變槽為條形槽且沿著壓電元件的軸線方向延伸，第二形變槽為條形槽且沿著質量塊的軸線方向延伸。

根據(jù)本發(fā)明實施例的一個方面，壓電元件上在第一形變槽處形成兩個相對的第一槽切面，兩個相對的第一槽切面之間的距離不大于0.2mm，質量塊上在第二形變槽處形成兩個相對的第二槽切面，兩個相對的第二槽切面之間的距離不大于0.2mm。

根據(jù)本發(fā)明實施例的一個方面，預緊環(huán)、質量塊、壓電元件及支架的線膨脹系數(shù)依次減小。

根據(jù)本發(fā)明實施例的一個方面，壓電元件由壓電陶瓷或石英晶體構成，壓電元件包括相對的內環(huán)面及外環(huán)面，內環(huán)面及外環(huán)面上設置有導電層，壓電元件的內環(huán)面套接在連接部件上，質量塊套接在壓電元件的外環(huán)面上。

根據(jù)本發(fā)明實施例的一個方面，支架還包括支撐部件，連接部件具有柱狀結構，支撐部件為圍繞連接部件設置的盤類結構且位于連接部件的一端。

本發(fā)明實施例提供的電荷輸出元件，包括支架、壓電元件及質量塊，壓電元件與質量塊及支架之間過盈配合，無需連接層連接，即壓電元件、質量塊及支架之間為剛性接觸，連接強度高，能夠有效的提升電荷輸出元件的整體剛度，繼而提升壓電加速度傳感器的頻響特性及諧振。同時，在壓電元件上設置有使壓電元件在環(huán)向上斷開的第一形變槽，使得壓電元件具有更大的形變量，便于質量塊、壓電元件及支架之間的裝配，提高電荷輸出元件的裝配效率。

本發(fā)明實施例另一方面提出了一種電荷輸出元件的裝配方法，包括如下步驟：

a.將質量塊冷卻，使其形變收縮；

b.將形變收縮后的質量塊取出，并將預緊環(huán)套設在形變收縮后的質量塊上，質量塊形變恢復后與預緊環(huán)過盈配合；

c.將壓電元件冷卻，使其形變收縮；

d.將形變收縮后的壓電元件取出，并將組合后的預緊環(huán)與質量塊套設在形變收縮后的壓電元件上，壓電元件形變恢復后與質量塊過盈配合；

e.將支架冷卻，使其形變收縮；

f.將形變收縮后的支架取出，并將組合后的預緊環(huán)、質量塊及壓電元件套設在形變收縮后的支架的連接部件上，連接部件形變恢復后與壓電元件過盈配合。

根據(jù)本發(fā)明實施例的另一個方面，在步驟a、步驟c及步驟e中的質量塊、壓電元件及支架的冷卻溫度由配合時的最大過盈量、配合直徑及材料的線膨脹系數(shù)計算得到；在步驟a、步驟c及步驟e中的質量塊、壓電元件及支架的冷卻時間由質量塊、壓電元件及支架各自的綜合系數(shù)及最大壁厚計算得到。

本發(fā)明實施例又一方面提出了一種壓電加速度傳感器，包括：上述電荷輸出元件；底座，具有安裝面；連接器，與電荷輸出元件的壓電元件電連接；保護罩，環(huán)繞電荷輸出元件設置，連接在底座及連接器之間；其中，電荷輸出元件設置在底座的安裝面上。

根據(jù)本發(fā)明實施例的又一個方面，壓電加速度傳感器還包括電路板，電路板固定在質量塊上，壓電元件及連接器均與電路板電連接。

根據(jù)本發(fā)明實施例的又一個方面，壓電加速度傳感器還包括屏蔽罩，屏蔽罩扣接在支架上，壓電元件、質量塊及電路板均位于屏蔽罩內。

附圖說明

下面將參考附圖來描述本發(fā)明示例性實施例的特征、優(yōu)點和技術效果。

圖1是本發(fā)明一個實施例的電荷輸出元件的立體結構示意圖；

圖2是本發(fā)明一個實施例的電荷輸出元件的剖面結構示意圖；

圖3是本發(fā)明一個實施例的支架的結構示意圖；

圖4是本發(fā)明一個實施例的壓電元件的結構示意圖；

圖5是本發(fā)明另一個實施例的電荷輸出元件的剖面結構示意圖；

圖6是本發(fā)明另一個實施例的預緊環(huán)的結構示意圖；

圖7是本發(fā)明另一個實施例的質量塊的結構示意圖；

圖8是本發(fā)明一個實施例的壓電加速度傳感器的立體結構示意圖；

圖9是本發(fā)明一個實施例的壓電加速度傳感器的剖面結構示意圖。

其中：

1-電荷輸出元件；

10-支架；11-連接部件；12-支撐部件；13-定位凸起；

20-壓電元件；21-內環(huán)面；22-外環(huán)面；23-第一形變槽；24-第一槽切面；

30-質量塊；31-內環(huán)面；32-外環(huán)面；33-第二形變槽；34-第二槽切面；

40-預緊環(huán)；41-內環(huán)面；42-外環(huán)面；

2-底座；201-安裝面；

3-保護罩；

4-連接器；

5-電路板；

6-屏蔽罩；601-中心孔。

具體實施方式

下面將詳細描述本發(fā)明的各個方面的特征和示例性實施例。在下面的詳細描述中，提出了許多具體細節(jié)，以便提供對本發(fā)明的全面理解。但是，對于本領域技術人員來說很明顯的是，本發(fā)明可以在不需要這些具體細節(jié)中的一些細節(jié)的情況下實施。下面對實施例的描述僅僅是為了通過示出本發(fā)明的示例來提供對本發(fā)明的更好的理解。在附圖和下面的描述中，至少部分的公知結構和技術沒有被示出，以便避免對本發(fā)明造成不必要的模糊；并且，為了清晰，可能夸大了部分結構的尺寸。此外，下文中所描述的特征、結構或特性可以以任何合適的方式結合在一個或更多實施例中。

下述描述中出現(xiàn)的方位詞均為圖中示出的方向，并不是對本發(fā)明的電荷輸出元件的具體結構進行限定。在本發(fā)明的描述中，還需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術語“安裝”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接；可以是直接相連，也可以間接相連。對于本領域的普通技術人員而言，可視具體情況理解上述術語在本發(fā)明中的具體含義。

為了更好地理解本發(fā)明，下面結合圖1至圖7根據(jù)本發(fā)明實施例的電荷輸出元件進行詳細描述。

如圖1、圖2所示，本發(fā)明實施例提供了一種電荷輸出元件1，包括：支架10、壓電元件20及質量塊30，支架10包括連接部件11，壓電元件20為環(huán)形結構體，壓電元件20套接在連接部件11上，在壓電元件20上設置有第一形變槽23，第一形變槽23貫通壓電元件20的側壁，以使壓電元件20在環(huán)向上斷開；質量塊30為環(huán)形結構體，質量塊30套接在壓電元件20上，壓電元件20與連接部件11及質量塊30過盈配合。

具體的，如圖3所示，支架10為鉻材質，包括連接部件11及支撐部件12，連接部件11具有圓形柱狀結構且為實心體，支撐部件12為圍繞連接部件11設置的盤類結構且位于連接部件11的一端，在連接部件11的外壁面上沿著其周向設置有定位凸起13，定位凸起13所在高度高于支撐部件12所在高度。如圖4所示，壓電元件20由壓電陶瓷構成，壓電元件20為圓環(huán)形結構體，包括相對的內環(huán)面21及外環(huán)面22，內環(huán)面21及外環(huán)面22上設置有導電層，有助于壓電元件20電信號的傳輸，導電層可以為鍍金層。壓電元件20的內環(huán)面21套接在連接部件11上且下端抵靠在定位凸起13上，通過定位凸起13便于對壓電元件20的定位支撐，壓電元件20的內環(huán)面21的直徑小于連接部件11的直徑。第一形變槽23為條形槽且沿著壓電元件20的軸線方向延伸，壓電元件20上在第一形變槽23處形成兩個相對的第一槽切面24，兩個相對的第一槽切面24之間的距離為0.2mm，保證壓電元件20具有更大形變量的基礎上，便于加工及裝配。質量塊30為鎢合金材質，且為圓環(huán)形結構體，包括相對的內環(huán)面31及外環(huán)面32，質量塊30的內環(huán)面31套接在壓電元件20的外環(huán)面22上，且位于支撐部件12的上方并懸空設置，質量塊30的內環(huán)面31的直徑小于壓電元件20的外環(huán)面22的直徑，以使壓電元件20與質量塊30及連接部件11均過盈配合。

本發(fā)明實施例提供的電荷輸出元件1，其壓電元件20與質量塊30及支架10的連接部件11之間過盈配合，無需連接層連接，即，壓電元件20、質量塊30及支架10之間為剛性接觸，連接強度高，能夠提升電荷輸出元件1的整體剛度，繼而提升壓電加速度傳感器的頻響特性及諧振，同時，在壓電元件20上設置有使壓電元件20在環(huán)向上斷開的第一形變槽23，使得壓電元件20具有更大的形變量，便于質量塊30、壓電元件20及支架10之間的裝配，提高電荷輸出元件1的裝配效率。第一形變槽23為條形槽且沿著壓電元件20的軸線方向延伸，便于加工且能夠使得壓電元件20產生形變時減小對電荷輸出元件1整體性能的影響。

可以理解的是，第一形變槽23并不限于條形槽，在一些可選的實施例中，第一形變槽23可以為齒形槽或者不規(guī)則形槽；第一形變槽23并不限于沿著壓電元件20的軸線方向延伸，也可以與壓電元件20的軸線異面相交，只要保證第一形變槽23貫通壓電元件20的側壁，以使壓電元件20在環(huán)向上斷開，使壓電元件20具有更大的形變量即可；兩個相對的第一槽切面24之間的距離并不限于0.2mm，在一些可選的實施例中，還可以小于0.2mm，優(yōu)選為0.1mm，能夠更好的保證電荷輸出元件1的性能，同時能夠保證壓電元件20的形變量要求；壓電元件20并不限于采用壓電陶瓷，有一些實施例中，還可以采用單晶，如石英晶體；同時，壓電元件20、質量塊30并不僅限為圓環(huán)形結構體，在一些可選的實施例中，還可以采用多邊形環(huán)結構體，相應的，連接部件11可以為多邊形柱狀結構，只要能夠滿足電荷輸出元件1的使用要求均可。

作為一種可選的實施方式，如圖5、圖6所示，電荷輸出元件1還進一步包括預緊環(huán)40，預緊環(huán)40采用鈦合金材質且為圓環(huán)形結構體，包括相對的內環(huán)面41及外環(huán)面42，相應預緊環(huán)40的設置，如圖7所示，在質量塊30上進一步設置有第二形變槽33，第二形變槽33貫通質量塊30的側壁，以使質量塊30在環(huán)向上斷開，第二形變槽33為條形槽且沿著質量塊30的軸線方向延伸，質量塊30上在第二形變槽33處形成兩個相對的第二槽切面34，兩個相對的第二槽切面34之間的距離為0.2mm，在保證質量塊30具有更大形變量的基礎上，便于加工及裝配。預緊環(huán)40套接在質量塊30上，預緊環(huán)40的內環(huán)面41的直徑小于質量塊30的外環(huán)面32的直徑，以使預緊環(huán)40與質量塊30過盈配合。

通過設置預緊環(huán)40，并在質量塊30上相應設置第二形變槽33，能夠給質量塊30施加一定的預緊力，便于支架10、壓電元件20及質量塊30的裝配結合，并能夠提高支架10、壓電元件20及質量塊30之間的連接強度，提升電荷輸出元件1的整體剛度，繼而保證壓電加速度傳感器的頻響特性，第二形變槽33為條形槽且沿著質量塊30的軸線方向延伸，便于加工且能夠使得質量塊30產生形變時減小對電荷輸出元件1整體性能的影響。

可以理解的是，第二形變槽33并不限于條形槽，在一些可選的實施例中，第二形變槽33可以為齒形槽或者不規(guī)則形槽，同時第二形變槽33并不限于沿著質量塊30的軸線方向延伸，也可以與質量塊30的軸線異面相交，只要保證第二形變槽33貫通質量塊30的側壁，以使質量塊30在環(huán)向上斷開，使質量塊30具有更大的形變量即可；兩個相對的第二槽切面34之間的距離并不限于0.2mm，在一些可選的實施例中，還可以小于0.2mm，優(yōu)選為0.1mm，能夠更好的保證電荷輸出元件1的性能，同時能夠保證質量塊30的形變量要求；預緊環(huán)40的結構并不僅限為圓環(huán)形結構體，相應于質量塊30的結構，也可以對應采用多邊形環(huán)結構體。

由于本實施例的電荷輸出元件1的預緊環(huán)40、質量塊30、壓電元件20及支架10均采用不同的材質，因此具有不同的線膨脹系數(shù)，且預緊環(huán)40、質量塊30、壓電元件20及支架10相互之間采用過盈配合，即相互之間為剛性接觸，應用在高溫環(huán)境時能夠減少電荷輸出元件1應力的波動，使得電荷輸出元件1高溫特性好。在一個實施例中，預緊環(huán)40、質量塊30、壓電元件20及支架10的線膨脹系數(shù)優(yōu)選依次減小，在保證電荷輸出元件1具有更好的高溫特性的基礎上，能夠進一步提高電荷輸出元件1的裝配效率。

本發(fā)明實施例還提供了一種電荷輸出元件1的裝配方法，用于對上述實施例的電荷輸出元件1進行裝配，具體操作步驟如下：

a.將質量塊30置于冷卻液中進行冷卻，使質量塊30形變收縮；

b.將形變收縮后的質量塊30取出，并將預緊環(huán)40套設在形變收縮后的質量塊30上，由于質量塊30形變收縮，尺寸相應減小，此時，預緊環(huán)40及質量塊30之間為間隙配合形式，便于裝配，將質量塊30及預緊環(huán)40放置在常溫環(huán)境中，使得質量塊30形變恢復以與預緊環(huán)40過盈配合；

c.將壓電元件20置于冷卻液冷卻，使壓電元件20形變收縮；

d.將形變收縮后的壓電元件20取出，并將組合后的預緊環(huán)40與質量塊30套設在形變收縮后的壓電元件20上，由于壓電元件20形變收縮，尺寸相應減小，此時，質量塊30與壓電元件20之間為間隙配合，便于裝配，將預緊環(huán)40、質量塊30及壓電元件20放置在常溫環(huán)境中，使得壓電元件20形變恢復以與質量塊30過盈配合；

e.將支架10置于冷卻液中冷卻，使支架10形變收縮；

f.將形變收縮后的支架10取出，并將組合后的預緊環(huán)40、質量塊30及壓電元件20套設在形變收縮后的支架10的連接部件11上，由于支架10形變收縮，尺寸相應減小，此時，支架10的連接部件11與壓電元件20間隙配合，將預緊環(huán)40、質量塊30、壓電元件20及支架10放置在常溫環(huán)境中，使得連接部件11形變恢復后與壓電元件20過盈配合，完成電荷輸出元件1的裝配。

本發(fā)明實施例提供的電荷輸出元件1的裝配方法，通過冷裝工藝對電荷輸出元件1的預緊環(huán)40、質量塊30、壓電元件20及支架10進行裝配，無需其他連接層即可完成對電荷輸出元件1的裝配，相對于現(xiàn)有技術中通過連接層的裝配結合的形式，效率更高，安裝周期短。同時，由于預緊環(huán)40、質量塊30、壓電元件20及支架10采用過盈配合形式，能夠提升電荷輸出元件1的整體剛度，繼而提升壓電加速度傳感器的頻響特性及諧振。

可以理解的是，對于上述實施例中對質量塊30、壓電元件20及支架10的冷卻并不限于采用冷卻液冷卻的方式，在一些可選的實施中，還可以根據(jù)需要選用干冰、制冷設備等對質量塊30、壓電元件20及支架10進行冷卻；同時，對于被冷卻產生形變收縮的質量塊30、壓電元件20及支架10形變恢復時，并不限于放置在常溫環(huán)境中，有一些實施例中，還可以將其放置在溫度高于冷卻液溫度的環(huán)境中或者其他溫度環(huán)境中，只要能夠使得被冷卻的質量塊30、壓電元件20及支架10形變恢復即可。

作為一種可選的實施方式，在步驟a、步驟c及步驟e中對于質量塊30、壓電元件20及支架10的冷卻溫度由配合時的最大過盈量、配合直徑及材料的線膨脹系數(shù)計算得到。具體的計算公式為：

在公式(1)中，t為冷卻溫度；σ為配合時最大過盈量，可以理解，所說的配合時最大過盈量在本實施例即相應為：預緊環(huán)40與質量塊30配合時的最大過盈量、質量塊30與壓電元件20配合時的最大過盈量或壓電元件20與支架10的連接部件11配合時的最大過盈量；ε為材料的線膨脹系數(shù)，即為被冷卻部件相應材料的線膨脹系數(shù)，可以理解，所說的被冷卻部件在本實施例中即相應為質量塊30、壓電元件20或支架10；d為配合直徑，即被包容部件的外徑，可以理解，所說的被包容件在本實施例中即相應為質量塊30、壓電元件20或支架10。具體實施時，σ及d可以根據(jù)電荷輸出元件1的預緊環(huán)40、質量塊30、壓電元件20及支架10的尺寸計算得出，ε可查表獲得。

在步驟a、步驟c及步驟e中的質量塊30、壓電元件20及支架10的冷卻時間由質量塊30、壓電元件20及支架10各自的綜合系數(shù)及最大壁厚計算得到。具體的計算公式為：

t＝αδ+6(2)

在公式(2)中，δ為最大壁厚，即被冷卻部件的最大壁厚，可以理解，所說的被冷卻部件在本實施例中即相應為質量塊30、壓電元件20或支架10，由于支架10的連接部件11為實心結構，連接部件11最大壁厚為橫斷面的半徑；α為綜合系數(shù)，即為被冷卻部件同材料有關的綜合系數(shù)，可查表獲得，可以理解，所說的被冷卻部件在本實施例中即相應為質量塊30、壓電元件20或支架10。

通過上述方式計算獲得電荷輸出元件1的質量塊30、壓電元件20或支架10的冷凍溫度及冷凍時間，能夠更合理的配置冷卻方式及相應的冷卻時間點，進一步提高電荷輸出元件1的裝配效率。

本實施例提供的裝配方法是對于圖5所示實施例的電荷輸出元件1(有預緊環(huán)40并在質量塊30上設置有第二形變槽33)的裝配。對于圖1、圖2所示實施例的電荷輸出元件1(沒有預緊環(huán)40，同時在質量塊30上不設置第二形變槽33)的裝配方法同上，相應省略步驟a、步驟b對于質量塊30的冷卻以及預緊環(huán)40與質量塊30的裝配過程即可。

如圖8、圖9所示，本發(fā)明實施例還提供了一種壓電加速度傳感器，包括底座2、保護罩3、連接器4及上述任一實施例的電荷輸出元件1，底座2具有安裝面201；電荷輸出元件1的支撐部件12固定設置在底座2的安裝面201上，保護罩3為圓形套類結構且環(huán)繞電荷輸出元件1設置。保護罩3連接在底座2及連接器4之間，具體保護罩3的一端與底座2卡接固定，另一端與連接器4卡接固定，連接器4與電荷輸出元件1的壓電元件20電連接。使用時，通過底座2與待測設備連接，通過底座2將待測設備的振動傳遞至電荷輸出元件1，電荷輸出元件1將待測設備的振動轉換并通過連接器4與外界設備進行信號傳輸，以完成對待檢測設備的檢測。

本發(fā)明實施例提供的壓電加速度傳感器，由于采用了整體剛度較高的電荷輸出元件1，能夠有效的提升壓電加速度傳感器的頻響特性及諧振，且高溫特性好，能夠保證檢測結果的準確性。

作為一種可選的實施方式，壓電加速度傳感器還包括電路板5，電路板5固定在質量塊30上，此時，壓電元件20及連接器4均與電路板5電連接，通過設置電路板5，能夠將壓電元件20受力后產生的微弱的電信號進行處理，使得壓電加速度傳感器構成電壓輸出型壓電加速度傳感器，以滿足使用要求。同時，在支架10上扣接有屏蔽罩6，屏蔽罩6為一端開口的筒狀結構，屏蔽罩6的開口端扣接在支架10上，具體與支架10的支撐部件12卡接配合，壓電元件20、質量塊30及電路板5均位于屏蔽罩6內，本實施例中，壓電元件20的外環(huán)面22通過質量塊30與電路板5的一個接線端子電連接。壓電元件20的內環(huán)面21通過支架10以及屏蔽罩6與電路板5的另一個接線端子電連接。上述兩個接線端子的極性相反，屏蔽罩6上與其開口端相對應的頂部上設置有中心孔601，從電路板5的接線端子上引出的導線的一端由該中心孔穿出并與屏蔽罩6的外表面電連接。通過設置屏蔽罩6，能夠避免外界對電荷輸出元件1及電路板5產生信號干擾，進一步保證壓電加速度傳感器的檢測結果的準確性，同時便于壓電元件20與電路板5電連接。

雖然已經參考優(yōu)選實施例對本發(fā)明進行了描述，但在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，可以對其進行各種改進并且可以用等效物替換其中的部件。尤其是，只要不存在結構沖突，各個實施例中所提到的各項技術特征均可以任意方式組合起來。本發(fā)明并不局限于文中公開的特定實施例，而是包括落入權利要求的范圍內的所有技術方案。