[发明专利]测量加速度或机械力的方法和装置

说明书

发明领域

本发明涉及使用压电元件的传感器，所说压电元件根据其所承受的机械作用产生一个电输出信号。本发明具体应用于加速度传感器，其根据加速度产生电输出信号。

发明背景技术

机械测力计常常用于机械力的静态和动态测量。所测量的力可能引起在一个或多个测量元件中电荷、电压、电流或阻抗的变化。

在测量机械振动或加速度时，已知使用测震加速度计，其中采用压电材料来产生电荷。对于这种加速度计，已知在压电元件或物质上设置一个测震质量，其也设置在底座上。因此，当该加速度计受到加速度作用时，惯性力引起陶瓷元件中的应变，陶瓷元件基于压电效应产生电输出信号。

当频率基本低于整个加速度计系统自然共振频率的振动作用在底座上时，测震质量被强迫跟随振动，从而在压电元件上作用一个正比于测震质量和加速度的力。进而，作用在压电元件上的惯性力在该元件上产生电荷，所说电荷量正比于该加速度。

当压电元件在振动过程中受到压力作用时，这种加速度计就是压力型，而当压电元件在振动过程中受到剪切力作用时，这种加速度计就是剪切力型。压力型加速度计的结构最为简单，但是由于陶瓷压电材料在极化轴方向是热电性质的，并且是从垂直于该轴的电极上取得信号的，所以压力型加速度计对于温度瞬变太敏感。与此相反，由于剪切力型加速度计的信号是从平行于极化轴的电极上取得的，所以剪切力型加速度计对于温度的敏感度较低。

已知利用一种“弯曲”型加速度计可以获得较高的灵敏度。在这种加速度计中，从测震质量产生的力作用并使所谓的“弯曲元件”弯曲，这种弯曲元件在两层沿其厚度方向极化的压电材料之间夹有一层导电材料。因此，当该元件在垂直于该元件纵轴的一个平面内弯曲时，在两层中的一层产生压缩应力，而在另一层产生张应力。当弯曲元件的长度显著大于该元件厚度时，则在每一层中产生的电荷量大于如果相同的测震质量直接作用以使压电材料受到压力或剪切力所获得的电荷量。

但是，弯曲元件的缺点是它是热电性质的，因为设置在垂直于极化轴的表面上。弯曲元件的另一个缺点是由于压电材料构成机械结构的主要部分，因此当试图使这种结构最佳化时产生某些问题。

发明概要

所以，本发明的一个主要目的是提供一种方法和一种传感器，其中减少或避免了压电材料的热电效应。根据本发明的原理，这是通过利用压电材料的剪切力灵敏度，同时将测震质量的作用力放大而实现的。

本发明的原理表示在图1中。在图1中，表示了两个测量臂1、2，它们的一端都利用两个铰链4、5固定在一个相对刚性的底座3上，它们的另一端固定在一个压电元件6的相对设置的表面上，所说压电元件沿测量臂1、2的纵向极化。

当图1所示系统在距离铰链轴L处受到垂直于测量臂1、2纵轴的一个力P作用时，在固定点产生M＝P×L的力矩。铰链4、5只能够传递剪切力或压力；因此，铰链无法传递力矩M，但是将产生两个力臂为h的力偶P_f3、P_f2，其中P_f1、P_f2和力臂h满足以下方程：

   P×L＝P_f1×h＝P_f2×h     或

   P_f1＝P_f2＝P×L/h

因此，垂直于测量臂纵轴的作用力P被转换为作用在测量臂纵向的力偶P_f1、P_f1、力P_f1、P_f2为力P的L/h倍，并且在压电元件上施加一个机械应力。

从上面的讨论应当理解，根据本发明的原理，通过将一个测震质量的重心设置在距铰链轴L处，可以构成一个灵敏度为采用相同的测震质量直接作用在压电元件上构成的加速度计灵敏度的L/h倍的加速度计，同时获得较低的动态温度灵敏度，而这本来是剪切力型加速度计的特征。

所以本发明的一个主要目的是提供利用一个传感器或一个加速度计测量加速度或机械力的一种改进方法，其中加速度产生惯性力，在加速度计中至少一个压电元件受到基本平行于压电元件极化轴的剪切力作用。根据本发明的原理，这种剪切力是由机械力或惯性力的基本垂直于压电元件极化轴的分量形成的。

当一个剪切力或多个剪切力作用在压电元件上时，在该元件的表面上产生电荷，从而在所说压电元件两端产生电压。可以利用这些电荷或电压确定机械力分量或由于该剪切力作用而产生的加速度分量。