专利名称：差动压电式三维加速度传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种三维加速度传感器，尤其涉及一种差动压电式三维加速度传感器。
背景技术：
三维加速度传感器在各个领域都有广泛的应用。尤其在轴承故障诊断领域，据统计，旋转机械设备中的很多故障均与滚动轴承有着密切的联系，其中，70 %的机械故障由振动故障引起，而30%的振动故障是有滚动轴承引起的。当轴承出现缺陷时，轻则系统功能降低或是失去，重则发生严重甚至灾难性的事故。因此，对轴承振动状态进行监测有利于发现轴承早期故障、预防安全事故以及降低经济损失。振动信号通常是通过加速度传感器获取的。而轴承振动信号的获取大多是基于一维加速度传感器或二维加速度传感器获取的振动信号，但它们并不能完全表达轴承各向的振动状态，采用多个加速度传感器获取轴承各向的振动状态需要更大的安装空间和更高的安装条件。然而，目前的三维压电式加速度传感器存在结构复杂、体积大、输出灵敏度低和安装要求高等缺点。

发明内容
本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种差动压电式三维加速度传感器，结构简单、尺寸小，并且采用压电片实现了三维加速度的差动式精确测量。为了实现本发明的上述目的，本发明提供了 一种差动压电式三维加速度传感器，其特征在于包括基座(I)、质量块(7)和压电片(4)，所述基座(I)和质量块(7)均为正方体且该质量块(7)套装在该基座(I)内，所述质量块(7)的四个侧面上分别设置有一个凸台(9)且在每一凸台(9)上分别贴有一个压电片(4)，其中在该质量块(7)左侧面的凸台上贴有第三压电片(4-3)，在该质量块(7)右侧面的凸台上贴有第四压电片(4-4)，在该质量块(7)前侧面的凸台上贴有第五压电片(4-5)，在该质量块(7)后侧面的凸台上贴有第六压电片(4-6)；在该质量块(7)上侧贴有第一压电片(4-1)，在该质量块(7)的下侧贴有第二压电片(4-2)；所述第一压电片(4-1)、第二压电片(4-2)用于对Z轴方向上的加速度进行差动式测量；所述第三压电片(4-3)、第四压电片(4-4)用于对X轴方向上的加速度进行差动式测量；所述第五压电片(4-5)、第六压电片(4-6)用于对Y轴方向上的加速度进行差动式测量。本发明的结构简单、尺寸小，并且在质量块的六个侧面上均贴有压电片，使得三维各方向上的固有频率和输出灵敏度相等，降低了三维各方向的耦合影响，实现了三维加速度的差动式精确测量；在质量块的四个侧面上分别设置一个凸台，为信号输出线的引出提供了方便，进一步降低了信号输出线之间的耦合影响，提高了三维加速度差动式测量的精确度。该差动压电式三维加速度传感器还包括三个差分放大电路，其中所述第一压电片(4-1)、第二压电片(4-2)与第一差分放大电路(12)连接，第三压电片(4-3)、第四压电片(4-4)与第二差分放大电路(13)连接,第五压电片(4-5)、第六压电片(4-6)与第三差分放大电路(14)连接。本发明采用差分放大电路，不仅可以提高三维加速度传感器输出的灵敏度，而且可以提高三维加速度传感器输出的信噪比。 该差动压电式三维加速度传感器还包括稳压供电电路，用于分别向该第一差分放大电路(12)、第二差分放大电路(13)和第三差分放大电路(14)提供电源。在该质量块(7)的四个侧面，对应的凸台(9)与压电片(4)之间设置有导电盘
(6);在该质量块(7)的上侧与该第一压电片(4-1)之间，该质量块(7)的下侧与该第二压电片(4-2)之间分别设置有导电盘(6)；所述导电盘(6)分别与对应的信号输出线(5)连接。本发明采用导电盘，进一步提高了三维加速度差动式测量的精确度。在所述质量块(7)上的压电片⑷形状相同且相对的压电片⑷对称设置，进一步提高了三维加速度差动式测量的精确度。该差动压电式三维加速度传感器还包括预紧板(3)且该基座(I)的上侧为开口，该预紧板(3)盖在该基座(I)的上侧，将该质量块(7)压紧至该基座(I)内。本发明采用预紧板，将质量块压紧至基座内，便于对基座内的器件进行维护。在所述基座(I)的四个侧面以及该预紧板(3)上分别开设有引线孔(10)，与各导电盘(6)连接的信号输出线(5)分别从对应的引线孔(10)穿出，连接至航空接头(8)，减小了三维各方向上信号输出线之间分布电容的影响，进一步提高了三维加速度差动式测量的精确度。该差动压电式三维加速度传感器还包括传感器外壳(2)且所述基座(I)的下侧形成一凸台，该传感器外壳(2)罩在该基座(I)上。所述三个差分放大电路中每一差分放大电路均由差分放大器(Di)、第一电容(Cl)、第二电容(C2)、第三电容(C3)和电阻(R)组成，其中该差分放大器(Di)的正电源(P7)端通过该第一电容(Cl)接地，负电源(P4)端通过该第二电容(C2)接地，基准电压(P5)端接地，并且该差分放大器(Di)的第一增益调节电阻接入端(Pl)分别通过该第三电容(C3)、电阻(R)连接第二增益调节电阻接入端(P8)；所述第一压电片(4-1)、第二压电片(4-2)依次连接第一差分放大电路(12)中差分放大器的同相输入端(Pl)、反相输入端(P2),所述第一差分放大电路(12)中差分放大器的输出端用于输出Z轴方向上经差分放大处理后的加速度；所述第三压电片(4-3)、第四压电片(4-4)依次连接第二差分放大电路(13)中差分放大器的同相输入端(PD、反相输入端(P2)，所述第二差分放大电路(13)中差分放大器的输出端用于输出X轴方向上经差分放大处理后的加速度；所述第五压电片(4-5)、第六压电片(4-6)依次连接第三差分放大电路(14)中差分放大器的同相输入端(PD、反相输入端(P2)，所述第三差分放大电路(14)中差分放大器的输出端用于输出Y轴方向上经差分放大处理后的加速度。
所述该稳压供电电路(11)由第一稳压模块(LMl)、第二稳压模块(LM2)、第一二极管(Dl)、第二二极管(D2)、第四电容(C4)、第五电容(C5)、第六极性电容(C6)、第七极性电容(C7)、第八电容(CS)和第九电容(C9)组成，其中所述第一二极管(Dl)的正极用于接入直流电源VCC1，该第一二极管(Dl)的负极连接该第一稳压模块(LMl)的输入端(Vin)并且通过该第四电容(C4)接地；所述第二二极管(D2)的负极用于输入直流电源VCC2，该第二二极管(D2)的正极连接该第二稳压模块(LM2)的输入端Vin并且通过该第五电容(C5)接地；所述第一稳压模块(LMl)、第二稳压模块(LM2)的接地端(GND)接地；所述第一稳压模块(LMl)的输出端连接该第六极性电容(C6)的正极，该第六极性电容(C6)的负极接地，并且该第一稳压模块(LMl)通过该第八电容(CS)接地；所述第二稳压模块(LM2)的输出端连接该第七极性电容(C7)的负极，该第七极性电容(C7)的正极接地，并且该第二稳压模块(LM2)通过该第九电容(C9)接地；所述第一稳压模块(LMl)的输出端连接各差分放大电路中差分放大器的正电源端，所述第二稳压模块(LM2)的输出端连接各差分放大电路中差分放大器的负电源端。综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是1、本发明的结构简单、尺寸小，并且在质量块的六个侧面上均贴有压电片，使得三维各方向上的固有频率和输出灵敏度相等，降低了三维各方向的耦合影响，实现了三维加速度的差动式精确测量；在质量块的四个侧面上分别设置一个凸台，为信号输出线的引出提供了方便，进一步降低了信号输出线之间的耦合影响，提高了三维加速度差动式测量的精确度；2、本发明采用差分放大电路，不仅可以提高三维加速度传感器输出的灵敏度，而且可以提高三维加速度传感器输出的信噪比；3、本发明采用导电盘，进一步提高了三维加速度差动式测量的精确度；4、本发明采用预紧板，将质量块压紧至基座内，便于对基座内的器件进行维护；5、本发明在所述基座的四个侧面以及该预紧板上分别开设有引线孔，减小了三维各方向上信号输出线之间分布电容的影响，进一步提高了三维加速度差动式测量的精确度。本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。


本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中图1是本发明的主视图；图2是本发明的俯视图；图3是质量块的主视图；图4是质量块的侧视图；图5是质量块的俯视图； 图6是基座的王视图7是基座的俯视图；图8是本发明的第一实施例中差分放大电路和稳压供电电路的电路图。
具体实施例方式下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底” “内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。如图1 2所示，该差动压电式三维加速度传感器包括基座1、传感器外壳2、预紧板3、压电片4、信号输出线5、导电盘6、质量块7和航空接头8，该基座I和质量块7均为正方体且该质量块7套装在基座I内。结合图3 5可见，该质量块7的四个侧面上分别设置有一个凸台9且在每一凸台9上分别贴有一个压电片4，其中在质量块7左侧面的凸台上贴有第三压电片4-3，在质量块7右侧面的凸台上贴有第四压电片4-4，在质量块7前侧面的凸台上贴有第五压电片4-5，在质量块7后侧面的凸台上贴有第六压电片4-6。此外，在质量块7上侧贴有第一压电片4-1，在质量块7的下侧贴有第二压电片4-2。质量块7上对应压电片受力时，相对压电片表面会产生极性相反的电荷，根据压电片上的电荷情况即可分别对X轴、Y轴和Z轴方向上的加速度进行差动式测量，其中第一压电片4-1、第二压电片4-2用于对Z轴方向上的加速度进行差动式测量；第三压电片4-3、第四压电片4-4用于对X轴方向上的加速度进行差动式测量；第五压电片4-5、第六压电片4-6用于对Y轴方向上的加速度进行差动式测量。在本发明的第一实施例中，该质量块7的四个侧面上的凸台为圆形，各压电片为大小相同的圆形且相对压电片对称设置。较佳地，在质量块7各面上的压电片均设置在对应面的中间位置。在质量块7的四个侧面，对应的凸台与其压电片之间设置有导电盘6，且在质量块7的上侧与第一压电片4-1之间，以及质量块4的下侧与第二压电片4-2之间分别设置有导电盘6,各导电盘6分别与对应的信号输出线5连接。该基座I的上侧为开口且下侧形成一凸台，该预紧板3盖在基座I的上方，将该质量块7压紧至基座I内。如图6、7所示，该基座I的四个侧面以及该预紧板3上分别开设有引线孔10。与各导电盘6连接的信号输出线5分别从对应的引线孔10穿出，连接至航空接头8。该航空接头8与差分放大电路连接，使得第一压电片4-1、第二压电片4-2与第一差分放大电路12连接，第三压电片4-3、第四压电片4-4与第二差分放大电路13连接，第五压电片4-5、第六压电片4-6与第三差分放大电路14连接,稳压供电电路分别向第一差分放大电路12、第二差分放大电路13和第三差分放大电路14提供电源。在本发明的第一实施例中，如图8所示，第一差分放大电路12、第二差分放大电路13和第三差分放大电路14均由差分放大器D1、第一电容Cl、第二电容C2、第三电容C3和电阻R组成，其中该差分放大器Di的正电源端P7通过第一电容Cl接地，负电源端P4通过第二电容C2接地，基准电压端P5接地并且该差分放大器Di的第一增益调节电阻接入端Pl分别通过第三电容C3、电阻R3连接第二增益调节电阻接入端P8。第一压电片4-1、第二压电片4-2依次连接第一差分放大电路12中差分放大器的同相输入端P1、反相输入端P2,该第一差分放大电路12中差分放大器的输出端用于输出Z轴方向上经差分放大处理后的加速度；第三压电片4-3、第四压电片4-4依次连接第二差分放大电路13中差分放大器的同相输入端P1、反相输入端P2,该第二差分放大电路13中差分放大器的输出端用于输出X轴方向上经差分放大处理后的加速度；第五压电片4-5、第六压电片4-6依次连接第三差分放大电路14中差分放大器的同相输入端P1、反相输入端P2,该第三差分放大电路14中差分放大器的输出端用于输出Y轴方向上经差分放大处理后的加速度。在本实施例中，该稳压供电电路11由第一稳压模块LM1、第二稳压模块LM2、第一二极管D1、第二二极管D2、第四电容C4、第五电容C5、第六极性电容C6、第七极性电容C7、第八电容C8和第九电容C9组成，其中第一二极管Dl的正极用于接入直流电源VCC1，第一二极管Dl的负极连接第一稳压模块LMl的输入端Vin并且通过第四电容C4接地，第二二极管D2的负极用于接入直流电源VCC2，第二二极管D2的正极连接第二稳压模块LM2的输入端Vin并且通过第五电容C4接地。该第一稳压模块LMl、第二稳压模块LM2的接地端GND接地；第一稳压模块LMl的输出端连接第六极性电容C6的正极，该第六极性电容C6的负极接地，并且该第一稳压模块LMl通过第八电容C8接地；第二稳压模块LM2的输出端连接第七极性电容C7的负极，该第七极性电容的正极接地，并且该第二稳压模块LM2通过第九电容C9接地。该第一稳压模块LMl的输出端连接各差分放大电路中差分放大器的正电源端，用于分别向对应的差分放大器提供+5V的电压；第二稳压模块LM2的输出端连接各差分放大电路中差分放大器的负电源端，用于分别向对应的差分放大器提供-5V的电压。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
权利要求
1.一种差动压电式三维加速度传感器，其特征在于包括基座(I)、质量块(7)和压电片(4)，所述基座(I)和质量块(7)均为正方体且该质量块(7)套装在该基座(I)内，所述质量块(7)的四个侧面上分别设置有一个凸台(9)且在每一凸台(9)上分别贴有一个压电片(4)，其中在该质量块(7)左侧面的凸台上贴有第三压电片(4-3)，在该质量块(7)右侧面的凸台上贴有第四压电片(4-4)，在该质量块(7)前侧面的凸台上贴有第五压电片(4-5)，在该质量块(7)后侧面的凸台上贴有第六压电片(4-6)； 在该质量块(7)上侧贴有第一压电片(4-1)，在该质量块(7)的下侧贴有第二压电片(4-2)； 所述第一压电片(4-1)、第二压电片(4-2)用于对Z轴方向上的加速度进行差动式测量；所述第三压电片(4-3)、第四压电片(4-4)用于对X轴方向上的加速度进行差动式测量；所述第五压电片(4-5)、第六压电片(4-6)用于对Y轴方向上的加速度进行差动式测量。
2.根据权利要求1所述的差动压电式三维加速度传感器，其特征在于还包括三个差分放大电路，其中所述第一压电片(4-1)、第二压电片(4-2)与第一差分放大电路(12)连接，第三压电片(4-3)、第四压电片(4-4)与第二差分放大电路(13)连接，第五压电片(4-5)、第六压电片(4-6)与第三差分放大电路(14)连接。
3.根据权利要求2所述的差动压电式三维加速度传感器，其特征在于还包括稳压供电电路，用于分别向该第一差分放大电路(12)、第二差分放大电路(13)和第三差分放大电路(14)提供电源。
4.根据权利要求1 3中任何一项所述的差动压电式三维加速度传感器，其特征在于在该质量块(7)的四个侧面，对应的凸台(9)与压电片(4)之间设置有导电盘(6);在该质量块(7)的上侧与该第一压电片(4-1)之间，该质量块(7)的下侧与该第二压电片(4-2)之间分别设置有导电盘(6)； 所述导电盘(6)分别与对应的信号输出线(5)连接。
5.根据权利要求4所述的差动压电式三维加速度传感器，其特征在于在所述质量块(7)上的压电片⑷形状相同且相对的压电片⑷对称设置。
6.根据权利要求5所述的差动压电式三维加速度传感器，其特征在于还包括预紧板(3)且该基座(I)的上侧为开口，该预紧板(3)盖在该基座(I)的上侧，将该质量块(7)压紧至该基座(I)内。
7.根据权利要求6所述的差动压电式三维加速度传感器，其特征在于在所述基座(I)的四个侧面以及该预紧板⑶上分别开设有引线孔(10)，与各导电盘(6)连接的信号输出线(5)分别从对应的引线孔(10)穿出，连接至航空接头(8)。
8.根据权利要求7所述的差动压电式三维加速度传感器，其特征在于还包括传感器外壳(2)且所述基座(I)的下侧形成一凸台，该传感器外壳(2)罩在该基座(I)上。
9.根据权利要求2所述的差动压电式三维加速度传感器，其特征在于所述三个差分放大电路中每一差分放大电路均由差分放大器(Di)、第一电容(Cl)、第二电容(C2)、第三电容(C3)和电阻(R)组成，其中该差分放大器(Di)的正电源(P7)端通过该第一电容(Cl)接地，负电源(P4)端通过该第二电容(C2)接地，基准电压(P5)端接地，并且该差分放大器(Di)的第一增益调节电阻接入端(Pl)分别通过该第三电容(C3)、电阻(R)连接第二增益调节电阻接入端(P8)； 所述第一压电片(4-1)、第二压电片(4-2)依次连接第一差分放大电路(12)中差分放大器的同相输入端(Pl)、反相输入端(P2),所述第一差分放大电路(12)中差分放大器的输出端用于输出Z轴方向上经差分放大处理后的加速度； 所述第三压电片(4-3)、第四压电片(4-4)依次连接第二差分放大电路(13)中差分放大器的同相输入端(Pl)、反相输入端(P2),所述第二差分放大电路(13)中差分放大器的输出端用于输出X轴方向上经差分放大处理后的加速度； 所述第五压电片(4-5)、第六压电片(4-6)依次连接第三差分放大电路(14)中差分放大器的同相输入端(Pl)、反相输入端(P2),所述第三差分放大电路(14)中差分放大器的输出端用于输出Y轴方向上经差分放大处理后的加速度。
10.根据权利要求3所述的差动压电式三维加速度传感器，其特征在于所述稳压供电电路(11)由第一稳压模块(LMl)、第二稳压模块(LM2)、第一二极管(Dl)、第二二极管(D2)、第四电容(C4)、第五电容(C5)、第六极性电容(C6)、第七极性电容(C7)、第八电容(CS)和第九电容(C9)组成，其中所述第一二极管(Dl)的正极用于接入直流电源VCC1，该第一二极管(Dl)的负极连接该第一稳压模块(LMl)的输入端(Vin)并且通过该第四电容(C4)接地； 所述第二二极管(D2)的负极用于输入直流电源VCC2，该第二二极管(D2)的正极连接该第二稳压模块(LM2)的输入端Vin并且通过该第五电容(C5)接地； 所述第一稳压模块(LMl)、第二稳压模块(LM2)的接地端(GND)接地； 所述第一稳压模块(LMl)的输出端连接该第六极性电容(C6)的正极,该第六极性电容(C6)的负极接地，并且该第一稳压模块(LMl)通过该第八电容(CS)接地； 所述第二稳压模块(LM2)的输出端连接该第七极性电容(C7)的负极，该第七极性电容(C7)的正极接地，并且该第二稳压模块(LM2)通过该第九电容(C9)接地； 所述第一稳压模块(LMl)的输出端连接各差分放大电路中差分放大器的正电源端，所述第二稳压模块(LM2)的输出端连接各差分放大电路中差分放大器的负电源端。
全文摘要
本发明提出了一种差动压电式三维加速度传感器，属于三维加速度传感器领域。该传感器包括基座、质量块和压电片，基座和质量块均为正方体且该质量块套装在基座内，质量块的四个侧面上分别设置有一个凸台且在每一凸台上分别贴有一个压电片，其中在该质量块左侧面、右侧面、前侧面和后侧面的凸台上依次贴有第三压电片、第四压电片、第五压电片和第六压电片；在该质量块上侧贴有第一压电片，在该质量块的下侧贴有第二压电片；第一压电片、第二压电片连接第一差分放大电路，第三压电片、第四压电片连接第二差分放大电路，第五压电片、第六压电片连接第三差分放大电路。本发明的结构简单、尺寸小，并且采用压电片实现了三维加速度的差动式精确测量。
文档编号G01P15/18GK103018488SQ20121051931
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月6日 优先权日2012年12月6日
发明者邵毅敏, 鲜敏, 吴胜利 申请人:重庆大学