專利名稱：差動壓電式三維加速度傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種三維加速度傳感器，尤其涉及一種差動壓電式三維加速度傳感器。
背景技術：
三維加速度傳感器在各個領域都有廣泛的應用。尤其在軸承故障診斷領域，據統計，旋轉機械設備中的很多故障均與滾動軸承有著密切的聯系，其中，70 %的機械故障由振動故障引起，而30%的振動故障是有滾動軸承引起的。當軸承出現缺陷時，輕則系統功能降低或是失去，重則發生嚴重甚至災難性的事故。因此，對軸承振動狀態進行監測有利于發現軸承早期故障、預防安全事故以及降低經濟損失。振動信號通常是通過加速度傳感器獲取的。而軸承振動信號的獲取大多是基于一維加速度傳感器或二維加速度傳感器獲取的振動信號，但它們并不能完全表達軸承各向的振動狀態，采用多個加速度傳感器獲取軸承各向的振動狀態需要更大的安裝空間和更高的安裝條件。然而，目前的三維壓電式加速度傳感器存在結構復雜、體積大、輸出靈敏度低和安裝要求高等缺點。
發明內容
本發明旨在解決現有技術中存在的技術問題，特別創新地提出了一種差動壓電式三維加速度傳感器，結構簡單、尺寸小，并且采用壓電片實現了三維加速度的差動式精確測量。為了實現本發明的上述目的，本發明提供了 一種差動壓電式三維加速度傳感器，其特征在于包括基座(I)、質量塊(7)和壓電片(4)，所述基座(I)和質量塊(7)均為正方體且該質量塊(7)套裝在該基座(I)內，所述質量塊(7)的四個側面上分別設置有一個凸臺(9)且在每一凸臺(9)上分別貼有一個壓電片(4)，其中在該質量塊(7)左側面的凸臺上貼有第三壓電片(4-3)，在該質量塊(7)右側面的凸臺上貼有第四壓電片(4-4)，在該質量塊(7)前側面的凸臺上貼有第五壓電片(4-5)，在該質量塊(7)后側面的凸臺上貼有第六壓電片(4-6)；在該質量塊(7)上側貼有第一壓電片(4-1)，在該質量塊(7)的下側貼有第二壓電片(4-2)；所述第一壓電片(4-1)、第二壓電片(4-2)用于對Z軸方向上的加速度進行差動式測量；所述第三壓電片(4-3)、第四壓電片(4-4)用于對X軸方向上的加速度進行差動式測量；所述第五壓電片(4-5)、第六壓電片(4-6)用于對Y軸方向上的加速度進行差動式測量。本發明的結構簡單、尺寸小，并且在質量塊的六個側面上均貼有壓電片，使得三維各方向上的固有頻率和輸出靈敏度相等，降低了三維各方向的耦合影響，實現了三維加速度的差動式精確測量；在質量塊的四個側面上分別設置一個凸臺，為信號輸出線的引出提供了方便，進一步降低了信號輸出線之間的耦合影響，提高了三維加速度差動式測量的精確度。該差動壓電式三維加速度傳感器還包括三個差分放大電路，其中所述第一壓電片(4-1)、第二壓電片(4-2)與第一差分放大電路(12)連接，第三壓電片(4-3)、第四壓電片(4-4)與第二差分放大電路(13)連接,第五壓電片(4-5)、第六壓電片(4-6)與第三差分放大電路(14)連接。本發明采用差分放大電路，不僅可以提高三維加速度傳感器輸出的靈敏度，而且可以提高三維加速度傳感器輸出的信噪比。 該差動壓電式三維加速度傳感器還包括穩壓供電電路，用于分別向該第一差分放大電路(12)、第二差分放大電路(13)和第三差分放大電路(14)提供電源。在該質量塊(7)的四個側面，對應的凸臺(9)與壓電片(4)之間設置有導電盤
(6);在該質量塊(7)的上側與該第一壓電片(4-1)之間，該質量塊(7)的下側與該第二壓電片(4-2)之間分別設置有導電盤(6)；所述導電盤(6)分別與對應的信號輸出線(5)連接。本發明采用導電盤，進一步提高了三維加速度差動式測量的精確度。在所述質量塊(7)上的壓電片⑷形狀相同且相對的壓電片⑷對稱設置，進一步提高了三維加速度差動式測量的精確度。該差動壓電式三維加速度傳感器還包括預緊板(3)且該基座(I)的上側為開口，該預緊板(3)蓋在該基座(I)的上側，將該質量塊(7)壓緊至該基座(I)內。本發明采用預緊板，將質量塊壓緊至基座內，便于對基座內的器件進行維護。在所述基座(I)的四個側面以及該預緊板(3)上分別開設有引線孔(10)，與各導電盤(6)連接的信號輸出線(5)分別從對應的引線孔(10)穿出，連接至航空接頭(8)，減小了三維各方向上信號輸出線之間分布電容的影響，進一步提高了三維加速度差動式測量的精確度。該差動壓電式三維加速度傳感器還包括傳感器外殼(2)且所述基座(I)的下側形成一凸臺，該傳感器外殼(2)罩在該基座(I)上。所述三個差分放大電路中每一差分放大電路均由差分放大器(Di)、第一電容(Cl)、第二電容(C2)、第三電容(C3)和電阻(R)組成，其中該差分放大器(Di)的正電源(P7)端通過該第一電容(Cl)接地，負電源(P4)端通過該第二電容(C2)接地，基準電壓(P5)端接地，并且該差分放大器(Di)的第一增益調節電阻接入端(Pl)分別通過該第三電容(C3)、電阻(R)連接第二增益調節電阻接入端(P8)；所述第一壓電片(4-1)、第二壓電片(4-2)依次連接第一差分放大電路(12)中差分放大器的同相輸入端(Pl)、反相輸入端(P2),所述第一差分放大電路(12)中差分放大器的輸出端用于輸出Z軸方向上經差分放大處理后的加速度；所述第三壓電片(4-3)、第四壓電片(4-4)依次連接第二差分放大電路(13)中差分放大器的同相輸入端(PD、反相輸入端(P2)，所述第二差分放大電路(13)中差分放大器的輸出端用于輸出X軸方向上經差分放大處理后的加速度；所述第五壓電片(4-5)、第六壓電片(4-6)依次連接第三差分放大電路(14)中差分放大器的同相輸入端(PD、反相輸入端(P2)，所述第三差分放大電路(14)中差分放大器的輸出端用于輸出Y軸方向上經差分放大處理后的加速度。
所述該穩壓供電電路(11)由第一穩壓模塊(LMl)、第二穩壓模塊(LM2)、第一二極管(Dl)、第二二極管(D2)、第四電容(C4)、第五電容(C5)、第六極性電容(C6)、第七極性電容(C7)、第八電容(CS)和第九電容(C9)組成，其中所述第一二極管(Dl)的正極用于接入直流電源VCC1，該第一二極管(Dl)的負極連接該第一穩壓模塊(LMl)的輸入端(Vin)并且通過該第四電容(C4)接地；所述第二二極管(D2)的負極用于輸入直流電源VCC2，該第二二極管(D2)的正極連接該第二穩壓模塊(LM2)的輸入端Vin并且通過該第五電容(C5)接地；所述第一穩壓模塊(LMl)、第二穩壓模塊(LM2)的接地端(GND)接地；所述第一穩壓模塊(LMl)的輸出端連接該第六極性電容(C6)的正極，該第六極性電容(C6)的負極接地，并且該第一穩壓模塊(LMl)通過該第八電容(CS)接地；所述第二穩壓模塊(LM2)的輸出端連接該第七極性電容(C7)的負極，該第七極性電容(C7)的正極接地，并且該第二穩壓模塊(LM2)通過該第九電容(C9)接地；所述第一穩壓模塊(LMl)的輸出端連接各差分放大電路中差分放大器的正電源端，所述第二穩壓模塊(LM2)的輸出端連接各差分放大電路中差分放大器的負電源端。綜上所述，由于采用了上述技術方案，本發明的有益效果是1、本發明的結構簡單、尺寸小，并且在質量塊的六個側面上均貼有壓電片，使得三維各方向上的固有頻率和輸出靈敏度相等，降低了三維各方向的耦合影響，實現了三維加速度的差動式精確測量；在質量塊的四個側面上分別設置一個凸臺，為信號輸出線的引出提供了方便，進一步降低了信號輸出線之間的耦合影響，提高了三維加速度差動式測量的精確度；2、本發明采用差分放大電路，不僅可以提高三維加速度傳感器輸出的靈敏度，而且可以提高三維加速度傳感器輸出的信噪比；3、本發明采用導電盤，進一步提高了三維加速度差動式測量的精確度；4、本發明采用預緊板，將質量塊壓緊至基座內，便于對基座內的器件進行維護；5、本發明在所述基座的四個側面以及該預緊板上分別開設有引線孔，減小了三維各方向上信號輸出線之間分布電容的影響，進一步提高了三維加速度差動式測量的精確度。本發明的附加方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。
本發明的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中圖1是本發明的主視圖；圖2是本發明的俯視圖；圖3是質量塊的主視圖；圖4是質量塊的側視圖；圖5是質量塊的俯視圖； 圖6是基座的王視圖7是基座的俯視圖；圖8是本發明的第一實施例中差分放大電路和穩壓供電電路的電路圖。
具體實施例方式下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。在本發明的描述中，需要理解的是，術語“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底” “內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。在本發明的描述中，除非另有規定和限定，需要說明的是，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是機械連接或電連接，也可以是兩個元件內部的連通，可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，對于本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語的具體含義。如圖1 2所示，該差動壓電式三維加速度傳感器包括基座1、傳感器外殼2、預緊板3、壓電片4、信號輸出線5、導電盤6、質量塊7和航空接頭8，該基座I和質量塊7均為正方體且該質量塊7套裝在基座I內。結合圖3 5可見，該質量塊7的四個側面上分別設置有一個凸臺9且在每一凸臺9上分別貼有一個壓電片4，其中在質量塊7左側面的凸臺上貼有第三壓電片4-3，在質量塊7右側面的凸臺上貼有第四壓電片4-4，在質量塊7前側面的凸臺上貼有第五壓電片4-5，在質量塊7后側面的凸臺上貼有第六壓電片4-6。此外，在質量塊7上側貼有第一壓電片4-1，在質量塊7的下側貼有第二壓電片4-2。質量塊7上對應壓電片受力時，相對壓電片表面會產生極性相反的電荷，根據壓電片上的電荷情況即可分別對X軸、Y軸和Z軸方向上的加速度進行差動式測量，其中第一壓電片4-1、第二壓電片4-2用于對Z軸方向上的加速度進行差動式測量；第三壓電片4-3、第四壓電片4-4用于對X軸方向上的加速度進行差動式測量；第五壓電片4-5、第六壓電片4-6用于對Y軸方向上的加速度進行差動式測量。在本發明的第一實施例中，該質量塊7的四個側面上的凸臺為圓形，各壓電片為大小相同的圓形且相對壓電片對稱設置。較佳地，在質量塊7各面上的壓電片均設置在對應面的中間位置。在質量塊7的四個側面，對應的凸臺與其壓電片之間設置有導電盤6，且在質量塊7的上側與第一壓電片4-1之間，以及質量塊4的下側與第二壓電片4-2之間分別設置有導電盤6,各導電盤6分別與對應的信號輸出線5連接。該基座I的上側為開口且下側形成一凸臺，該預緊板3蓋在基座I的上方，將該質量塊7壓緊至基座I內。如圖6、7所示，該基座I的四個側面以及該預緊板3上分別開設有引線孔10。與各導電盤6連接的信號輸出線5分別從對應的引線孔10穿出，連接至航空接頭8。該航空接頭8與差分放大電路連接，使得第一壓電片4-1、第二壓電片4-2與第一差分放大電路12連接，第三壓電片4-3、第四壓電片4-4與第二差分放大電路13連接，第五壓電片4-5、第六壓電片4-6與第三差分放大電路14連接,穩壓供電電路分別向第一差分放大電路12、第二差分放大電路13和第三差分放大電路14提供電源。在本發明的第一實施例中，如圖8所示，第一差分放大電路12、第二差分放大電路13和第三差分放大電路14均由差分放大器D1、第一電容Cl、第二電容C2、第三電容C3和電阻R組成，其中該差分放大器Di的正電源端P7通過第一電容Cl接地，負電源端P4通過第二電容C2接地，基準電壓端P5接地并且該差分放大器Di的第一增益調節電阻接入端Pl分別通過第三電容C3、電阻R3連接第二增益調節電阻接入端P8。第一壓電片4-1、第二壓電片4-2依次連接第一差分放大電路12中差分放大器的同相輸入端P1、反相輸入端P2,該第一差分放大電路12中差分放大器的輸出端用于輸出Z軸方向上經差分放大處理后的加速度；第三壓電片4-3、第四壓電片4-4依次連接第二差分放大電路13中差分放大器的同相輸入端P1、反相輸入端P2,該第二差分放大電路13中差分放大器的輸出端用于輸出X軸方向上經差分放大處理后的加速度；第五壓電片4-5、第六壓電片4-6依次連接第三差分放大電路14中差分放大器的同相輸入端P1、反相輸入端P2,該第三差分放大電路14中差分放大器的輸出端用于輸出Y軸方向上經差分放大處理后的加速度。在本實施例中，該穩壓供電電路11由第一穩壓模塊LM1、第二穩壓模塊LM2、第一二極管D1、第二二極管D2、第四電容C4、第五電容C5、第六極性電容C6、第七極性電容C7、第八電容C8和第九電容C9組成，其中第一二極管Dl的正極用于接入直流電源VCC1，第一二極管Dl的負極連接第一穩壓模塊LMl的輸入端Vin并且通過第四電容C4接地，第二二極管D2的負極用于接入直流電源VCC2，第二二極管D2的正極連接第二穩壓模塊LM2的輸入端Vin并且通過第五電容C4接地。該第一穩壓模塊LMl、第二穩壓模塊LM2的接地端GND接地；第一穩壓模塊LMl的輸出端連接第六極性電容C6的正極，該第六極性電容C6的負極接地，并且該第一穩壓模塊LMl通過第八電容C8接地；第二穩壓模塊LM2的輸出端連接第七極性電容C7的負極，該第七極性電容的正極接地，并且該第二穩壓模塊LM2通過第九電容C9接地。該第一穩壓模塊LMl的輸出端連接各差分放大電路中差分放大器的正電源端，用于分別向對應的差分放大器提供+5V的電壓；第二穩壓模塊LM2的輸出端連接各差分放大電路中差分放大器的負電源端，用于分別向對應的差分放大器提供-5V的電壓。在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。盡管已經示出和描述了本發明的實施例，本領域的普通技術人員可以理解在不脫離本發明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的范圍由權利要求及其等同物限定。
權利要求
1.一種差動壓電式三維加速度傳感器，其特征在于包括基座(I)、質量塊(7)和壓電片(4)，所述基座(I)和質量塊(7)均為正方體且該質量塊(7)套裝在該基座(I)內，所述質量塊(7)的四個側面上分別設置有一個凸臺(9)且在每一凸臺(9)上分別貼有一個壓電片(4)，其中在該質量塊(7)左側面的凸臺上貼有第三壓電片(4-3)，在該質量塊(7)右側面的凸臺上貼有第四壓電片(4-4)，在該質量塊(7)前側面的凸臺上貼有第五壓電片(4-5)，在該質量塊(7)后側面的凸臺上貼有第六壓電片(4-6)； 在該質量塊(7)上側貼有第一壓電片(4-1)，在該質量塊(7)的下側貼有第二壓電片(4-2)； 所述第一壓電片(4-1)、第二壓電片(4-2)用于對Z軸方向上的加速度進行差動式測量；所述第三壓電片(4-3)、第四壓電片(4-4)用于對X軸方向上的加速度進行差動式測量；所述第五壓電片(4-5)、第六壓電片(4-6)用于對Y軸方向上的加速度進行差動式測量。
2.根據權利要求1所述的差動壓電式三維加速度傳感器，其特征在于還包括三個差分放大電路，其中所述第一壓電片(4-1)、第二壓電片(4-2)與第一差分放大電路(12)連接，第三壓電片(4-3)、第四壓電片(4-4)與第二差分放大電路(13)連接，第五壓電片(4-5)、第六壓電片(4-6)與第三差分放大電路(14)連接。
3.根據權利要求2所述的差動壓電式三維加速度傳感器，其特征在于還包括穩壓供電電路，用于分別向該第一差分放大電路(12)、第二差分放大電路(13)和第三差分放大電路(14)提供電源。
4.根據權利要求1 3中任何一項所述的差動壓電式三維加速度傳感器，其特征在于在該質量塊(7)的四個側面，對應的凸臺(9)與壓電片(4)之間設置有導電盤(6);在該質量塊(7)的上側與該第一壓電片(4-1)之間，該質量塊(7)的下側與該第二壓電片(4-2)之間分別設置有導電盤(6)； 所述導電盤(6)分別與對應的信號輸出線(5)連接。
5.根據權利要求4所述的差動壓電式三維加速度傳感器，其特征在于在所述質量塊(7)上的壓電片⑷形狀相同且相對的壓電片⑷對稱設置。
6.根據權利要求5所述的差動壓電式三維加速度傳感器，其特征在于還包括預緊板(3)且該基座(I)的上側為開口，該預緊板(3)蓋在該基座(I)的上側，將該質量塊(7)壓緊至該基座(I)內。
7.根據權利要求6所述的差動壓電式三維加速度傳感器，其特征在于在所述基座(I)的四個側面以及該預緊板⑶上分別開設有引線孔(10)，與各導電盤(6)連接的信號輸出線(5)分別從對應的引線孔(10)穿出，連接至航空接頭(8)。
8.根據權利要求7所述的差動壓電式三維加速度傳感器，其特征在于還包括傳感器外殼(2)且所述基座(I)的下側形成一凸臺，該傳感器外殼(2)罩在該基座(I)上。
9.根據權利要求2所述的差動壓電式三維加速度傳感器，其特征在于所述三個差分放大電路中每一差分放大電路均由差分放大器(Di)、第一電容(Cl)、第二電容(C2)、第三電容(C3)和電阻(R)組成，其中該差分放大器(Di)的正電源(P7)端通過該第一電容(Cl)接地，負電源(P4)端通過該第二電容(C2)接地，基準電壓(P5)端接地，并且該差分放大器(Di)的第一增益調節電阻接入端(Pl)分別通過該第三電容(C3)、電阻(R)連接第二增益調節電阻接入端(P8)； 所述第一壓電片(4-1)、第二壓電片(4-2)依次連接第一差分放大電路(12)中差分放大器的同相輸入端(Pl)、反相輸入端(P2),所述第一差分放大電路(12)中差分放大器的輸出端用于輸出Z軸方向上經差分放大處理后的加速度； 所述第三壓電片(4-3)、第四壓電片(4-4)依次連接第二差分放大電路(13)中差分放大器的同相輸入端(Pl)、反相輸入端(P2),所述第二差分放大電路(13)中差分放大器的輸出端用于輸出X軸方向上經差分放大處理后的加速度； 所述第五壓電片(4-5)、第六壓電片(4-6)依次連接第三差分放大電路(14)中差分放大器的同相輸入端(Pl)、反相輸入端(P2),所述第三差分放大電路(14)中差分放大器的輸出端用于輸出Y軸方向上經差分放大處理后的加速度。
10.根據權利要求3所述的差動壓電式三維加速度傳感器，其特征在于所述穩壓供電電路(11)由第一穩壓模塊(LMl)、第二穩壓模塊(LM2)、第一二極管(Dl)、第二二極管(D2)、第四電容(C4)、第五電容(C5)、第六極性電容(C6)、第七極性電容(C7)、第八電容(CS)和第九電容(C9)組成，其中所述第一二極管(Dl)的正極用于接入直流電源VCC1，該第一二極管(Dl)的負極連接該第一穩壓模塊(LMl)的輸入端(Vin)并且通過該第四電容(C4)接地； 所述第二二極管(D2)的負極用于輸入直流電源VCC2，該第二二極管(D2)的正極連接該第二穩壓模塊(LM2)的輸入端Vin并且通過該第五電容(C5)接地； 所述第一穩壓模塊(LMl)、第二穩壓模塊(LM2)的接地端(GND)接地； 所述第一穩壓模塊(LMl)的輸出端連接該第六極性電容(C6)的正極,該第六極性電容(C6)的負極接地，并且該第一穩壓模塊(LMl)通過該第八電容(CS)接地； 所述第二穩壓模塊(LM2)的輸出端連接該第七極性電容(C7)的負極，該第七極性電容(C7)的正極接地，并且該第二穩壓模塊(LM2)通過該第九電容(C9)接地； 所述第一穩壓模塊(LMl)的輸出端連接各差分放大電路中差分放大器的正電源端，所述第二穩壓模塊(LM2)的輸出端連接各差分放大電路中差分放大器的負電源端。
全文摘要
本發明提出了一種差動壓電式三維加速度傳感器，屬于三維加速度傳感器領域。該傳感器包括基座、質量塊和壓電片，基座和質量塊均為正方體且該質量塊套裝在基座內，質量塊的四個側面上分別設置有一個凸臺且在每一凸臺上分別貼有一個壓電片，其中在該質量塊左側面、右側面、前側面和后側面的凸臺上依次貼有第三壓電片、第四壓電片、第五壓電片和第六壓電片；在該質量塊上側貼有第一壓電片，在該質量塊的下側貼有第二壓電片；第一壓電片、第二壓電片連接第一差分放大電路，第三壓電片、第四壓電片連接第二差分放大電路，第五壓電片、第六壓電片連接第三差分放大電路。本發明的結構簡單、尺寸小，并且采用壓電片實現了三維加速度的差動式精確測量。
文檔編號G01P15/18GK103018488SQ20121051931
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月6日 優先權日2012年12月6日
發明者邵毅敏, 鮮敏, 吳勝利 申請人:重慶大學