[发明专利]压电换能器

说明书

一种用于测量力的压电换能器包括：基底元件；预加载元件；预加载部件的至少一个有效主地震质量聚集体，当被加速时能够产生力；主压电陶瓷元件，包括第一压电陶瓷；预加载部件的至少一个补偿地震质量聚集体，当被加速时能够产生补偿力；补偿压电陶瓷元件，包括第二压电陶瓷。第一压电陶瓷具有小于第二压电陶瓷的热灵敏度漂移。主压电陶瓷元件相对于要被测量的力取向，补偿压电陶瓷元件相对于补偿力取向，使得主电荷和补偿电荷在极性上是相反的。

技术领域

本发明涉及一种压电换能器，尤其涉及一种加速度换能器。

背景技术

加速度换能器是一种具有附加的所谓地震质量的力换能器。在被加速时，地震质量的惯性产生力，并且由加速度换能器来测量该力。该力是被测变量。由于地震质量是常数，因此所测量的力正比于加速度。加速度被定义为速度对时间的变化率。

压电换能器由在受到力时产生电荷的压电材料构成。电荷正比于所施加的力并且能够利用电极直接测量。压电换能器提供几微秒的快速响应时间和100dB量级的宽测量范围的优点。因此，利用压电换能器来测量关于机器和结构的动态振荡和振动。

US3673442A公开了一种压电换能器。该压电换能器使用石英晶体作为压电材料。其包括五个石英晶片，每个石英晶片被布置在两个电极之间，因此形成晶体盘片和电极的堆叠。待测量的力沿着压电换能器的支撑轴作用。夹紧轴套沿着朝向底座的纵向轴连接该堆叠和地震质量。通过这种做法，该压电换能器沿着纵向轴具有高刚度，并且石英晶片与电极紧密地机械接触。紧密机械接触最小化或者消除了石英晶片与电极之间的任何微间隙，并且因此确保了压电换能器的明确定义的电容。

石英晶体的一个缺点是相对低的压电灵敏度，尤其与作为压电材料的压电陶瓷相比较时，更是如此。压电灵敏度被定义为压电换能器输出的变化与被测变量的值的变化之比。由压电材料的压电电荷系数确定压电换能器输出的变化。对于被测变量的给定值，压电电荷系数越大，压电换能器输出越强。诸如PbZrO₃和PbTiO₃混合物的压电陶瓷(也被称为锆钛酸铅混合陶瓷(PZT))展示出比石英晶体的压电电荷系数高达数百倍的压电电荷系数。需要一种具有高压电灵敏度的压电换能器。

然而，PZT强烈地取决于温度并且示出高的热灵敏度漂移。热灵敏度漂移被定义为以+20℃的压电灵敏度为基准，在压电材料的操作温度范围的极限之内压电灵敏度的变化。用以+20℃的压电灵敏度为基准的压电灵敏度的百分数表示热灵敏度漂移。通常地，操作温度范围覆盖-54℃到+260℃。PZT具有若干百分比数量级的高的热灵敏度漂移，而石英晶体具有上述1/10的热灵敏度漂移。热灵敏度漂移在压电换能器输出中是非线性的，这意味着压电灵敏度在操作温度范围的高端比在操作温度范围的低端高出几个百分数。在力测量期间，压电换能器的温度通常是未知的，使得PZT关于温度的非线性成为在压电换能器中使用PZT的严重缺点。可以通过使用特殊校准设备来用实验方法确定压电换能器输出关于温度的非线性。然而，压电换能器的校准是耗费时间的，并且校准设备是昂贵的。为了获得压电换能器输出关于温度的高线性，低的热灵敏度漂移是期望的。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有高压电灵敏度和低热灵敏度漂移的压电换能器。