[发明专利]石英音叉与压电双晶复合的差分谐振式电压传感器

说明书

本发明提出了一种石英音叉与压电双晶复合的差分谐振式电压传感器，包括2个音叉谐振器、压电双晶片、底座和门振荡电路，所述2个音叉谐振器沿压电双晶片长度方向对称设置在压电双晶片的上下表面，所述压电双晶片固定在底座上，所述音叉谐振器为双端固定音叉，包含两个音叉振梁，每个音叉振梁的四个面上交替设置正负电极，且在音叉振梁长度的0.224倍和0.776倍的位置处使该面设置的电极反向，所述2个音叉谐振器的正负电极与门振荡电路连接。本发明的输出为数字频率信号，不需要复杂的检测电路，不需要进行A/D转换。

技术领域

本发明属于电压传感器技术领域，具体为一种石英音叉与压电双晶复合的差分谐振式电压传感器。

背景技术

目前常用的电压测量装置包括电阻分压器、电容分压器、电磁式电压互感器以及霍尔式电压传感器等。其中，电阻分压器可用于交直流电压的测量，但由于焦耳热效应，会导致电压测量的不准确性并产生额外的功耗；电容分压器和电磁式电压互感器常用于交流电压的测量，但在遭受过电压时易损坏，危及设备及系统的正常运行；霍尔式电压传感器应用霍尔效应的磁平衡原理，把原边高电压成比例转化为副边低电压，广泛应用于电压的隔离测量，但其原边需要匹配一个内置或外置电阻，而该电阻随着测量的电压量程增大，需要的阻值和功率也相应增大，甚至需要加散热片，使得霍尔式电压传感器的适用范围受限。

目前，一些新型的电压传感器也得到了发展。例如基于电光晶体的Pockels效应、Kerr效应等原理的光学电压传感器因体积小、抗电磁干扰能力强等优点受到了广泛关注；使用压电材料和光纤复合的光学电压传感器将逆压电效应引起的晶体形变转化为对光信号的调制，通过检测被调制的光信号，实现对外加电压的测量。但上述光学电压传感器均需要工作光源，且光源强度、光谱的稳定性还会影响传感器的性能。此外，还有频率输出的电压传感器，例如日本的Yuuki Wada等人借鉴谐振陀螺传感器利用静电力调控谐振频率的原理，通过外加电压作用下静电力引起MEMS硅谐振器横向位移产生的频移来测量电压，在0-420V范围内谐振频率变化可达2.5kHz(参考文献：Wada Y,Nobunaga N,Kumagai S,etal.MEMS Resonator-Based Insulated Voltage Sensor Withstanding Higher Voltage[J].Electrical Engineering in Japan,2018,203(1):239-244.)。但这种传感器的输出频率与被测电压之间为非线性关系，在实际应用中容易受到限制。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种石英音叉与压电双晶复合的差分谐振式电压传感器。

实现本发明目的的技术方案为：一种石英音叉与压电双晶复合的差分谐振式电压传感器，包括2个音叉谐振器、压电双晶片、底座和门振荡电路，所述2个音叉谐振器沿压电双晶片长度方向对称设置在压电双晶片的上下表面，所述压电双晶片固定在底座上，所述音叉谐振器为双端固定音叉，包含两个音叉振梁，每个音叉振梁的四个面上交替设置正负电极，且在音叉振梁长度的0.224倍和0.776倍的位置处使该面设置的电极反向，所述2个音叉谐振器的正负电极与门振荡电路连接。

优选地，所述音叉谐振器包括石英音叉，所述石英音叉两端各设有一个支撑端部，所述支撑端部上设置音叉焊盘。

优选地，所述2个音叉谐振器的正负电极通过音叉焊盘与门振荡电路连接。

优选地，所述压电双晶片包括两个长条形压电片和一个支撑片，所述支撑片设置在两个长条形压电片之间，且两个长条形压电片表面均镀有金属电极。

优选地，所述两个长条形压电片均沿厚度方向极化，且粘接到支撑片上时，两个压电片的极化方向相反。

优选地，所述音叉谐振器选用氮化铝、硅或石英材料设计音叉结构以及音叉激振焊盘。

优选地，音叉谐振器与压电双晶片之间使用垫片隔开。