[發明專利]一種圈梁結構高性能壓電加速度計

有效

• 申請號: 201911228474.0
• 申請日: 2019-12-04
• 公開（公告）號: CN110849469B
• 公開（公告）日: 2021-09-14
• 發明（設計）人: 李智;楊士莪
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G01H11/08
• 分類號: G01H11/08;G01P15/09
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠知識產權代理有限公司 23211
• 代理人: 王海婷

本發明提供了一種圈梁結構高性能壓電加速度計，包括圈梁結構、壓電元件、上外殼和下外殼，圈梁結構包括一體設置的環形梁、多個彈性梁臂和中心基板，中心基板設置在環形梁的中心處，多個彈性梁臂均勻布置在環形梁內，中心基板為正N邊形基板，在中心基板的每個側面上配合一彈性梁臂，且每個彈性梁的另一端與環形梁內壁固定連接，在中心基板的上下表面各配合一同形狀的中心質量塊，在每個彈性梁臂的上下表面均設置壓電元件，上外殼和下外殼圍合成容納圈梁結構的空腔，上外殼和下外殼夾緊所述的環形梁設置。本發明利用梁的彎曲模態，提升靈敏度；高對稱性不但提升帶寬而不損失性能，又提高了抗扭轉力及抗干擾能力。

技術領域

本發明屬于振動傳感器領域，尤其是涉及一種圈梁結構高性能壓電加速度計。

背景技術

加速度計是一類基于質量-彈簧-阻尼系統的慣性傳感器。當系統發生振動時，質量會在彈簧上施加載荷，因此通過測量彈性體形變，即可獲得加速度信息。按照敏感元件，加速度計又分為壓電式、壓阻式或電容式等，其中以壓電加速度計的應用最為廣泛。壓電加速度計利用有源材料的壓電效應，將壓電元件與彈性體結合，當慣性質量受到機械作用力時，通過彈性體形變，施加在壓電元件上的力也隨之變化，從而使其表面產生電荷，通過測量電荷的變化得到機械力的變化規律。壓電加速度計不僅在航空航天、汽車工業、石油勘探、地震監測等多個傳統領域均有著廣泛的應用，且近年來在水下傳感領域也在逐漸顯露其重要作用。

矢量傳感器是一類可以獲取聲或振動信息的傳感器，多用于拾取水下聲矢量信號。它的出現為水下聲系統的發展提供了新的思路，一如矢量聲吶。壓電加速度計作為核心敏感器件，其性能直接決定了矢量傳感器的品質。目前，矢量傳感器多采用商用加速度計進行集成設計，已無法滿足水下聲系統對其日漸增高的性能需求。對于商用加速度計來說，為考慮通用性，一般的設計為寬頻帶且大動態范圍，但相應的靈敏度較低且自噪聲較高；或是針對某些領域的特殊需求進行設計，如甚低頻地震計或超高溫加速度計等。而矢量傳感器以水下聲信號為拾取對象，對內置加速度計的要求顯然也不同。經遠距離傳播后的水下聲信號，被傳感器接收時一般信號強度弱，信噪比低，因而需要內置加速度計提供高信噪比輸出，即具有甚低的自噪聲和較高的靈敏度。另外，慣性式矢量傳感器在水中以中性浮力狀態工作，由于水下流的存在，隨流擺動時會產生額外的干擾，因而需要內置加速度計對流具有一定的抗性；再次，為使矢量傳感器小型化，需要內置加速度計具有較小尺寸以便于集成。而這些特性幾乎無法從同一款商用加速度計中獲得，急需發明一種專用的高性能壓電加速度計以滿足矢量傳感器的需求。

發明內容

有鑒于此，本發明旨在提出一種圈梁結構高性能壓電加速度計，利用梁的彎曲模態，更有利于提升靈敏度；高對稱性不但可以在小尺寸內提升帶寬而不損失性能，又提高了抗扭轉力能力，更加適用于慣性式矢量傳感器，提升了其抗干擾能力。

為達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的：

一種圈梁結構高性能壓電加速度計，包括圈梁結構、壓電元件、上外殼和下外殼，所述的圈梁結構包括一體設置的環形梁、多個彈性梁臂和中心基板，所述的中心基板設置在環形梁的中心處，多個所述的彈性梁臂均勻布置在環形梁內，所述的中心基板為正N邊形基板，在中心基板的每個側面上配合一彈性梁臂，且每個彈性梁的另一端與環形梁內壁固定連接；

在中心基板的上下表面各配合一同形狀的中心質量塊，在每個彈性梁臂的上下表面均設置壓電元件，所述的上外殼和下外殼正對設置，所述的上外殼和下外殼圍合成容納圈梁結構的空腔，上外殼和下外殼夾緊所述的環形梁設置。

進一步的，所述圈梁結構包括三個彈性梁臂為三臂圈梁，對應的中心基板為正三角形基板，中心質量塊為正三角形塊。

進一步的，所述圈梁結構包括四個彈性梁臂為十字圈梁，對應的中心基板為正方形基板，中心質量塊為正方形塊。

進一步的，所述環形梁與上外殼和下外殼連接，形成介于固定和簡支之間的邊界。

進一步的，所述環形梁與上外殼和下外殼連接，形成簡支邊界。