一种冲击加速度与力复合传感器及其使用方法与流程

本发明涉及复合传感器，特别是涉及一种冲击加速度与力复合传感器及其使用方法。

背景技术：

1、在工业冲击测试、结构力学试验、装备可靠性检测及车载动态监测等领域，冲击作用力与冲击加速度是评价结构承载性能、动态响应特性及设备运行状态的关键参数。

2、由于现有独立的力传感器与加速度传感器分别完成数据采集，分体式的安装结构不仅占用空间大、装配工序繁琐、集成度低，而且不同传感器之间容易出现采样时序不一致、安装位置偏移、信号传输延迟等问题，难以真实还原冲击过程中力与加速度的动态耦合关系，检测同步性与测试准确度较差，因此，目前多采用复合传感器。

3、现有的力-加速度复合传感器采用分层并列布设结构，两个检测单元之间容易产生耦合干扰，测量结果易互相串扰，影响测试精度，且多采用常规直筒式受力结构，承受冲击载荷时应力集中现象明显，无法高效地将轴向冲击载荷转化为稳定的剪切作用力，应力分布不均匀，造成传感器灵敏度不高、冲击力检测线性度差；另外，现有复合传感器的受冲击膜片缺少针对性的受力优化设计，冲击载荷作用下受力不均衡，微弱冲击信号感知能力不足，形变一致性较差，长期冲击载荷作用下耐久性能受限。

技术实现思路

1、为解决上述背景技术中存在的现有力-加速度复合传感器，采用分层并列布设结构，测试精度差，且多采用常规直筒式受力结构，承受冲击载荷时应力集中现象明显，造成传感器灵敏度不高、冲击力检测线性度差的技术问题，本发明提供了一种冲击加速度与力复合传感器及其使用方法。

2、本发明技术方案如下：

3、本发明提供了一种冲击加速度与力复合传感器，包括沿轴向依次连接的膜片、外壳和底座，底座上设有力芯体，外壳内设有m形中心座，m形中心座的上端与膜片接触，m形中心座的下端与力芯体接触，m形中心座的上端中心位置处可拆卸安装有加速度芯体，加速度芯体朝向远离膜片的方向悬置，外壳上安装有双芯接嘴，双芯接嘴通过线缆与力芯体和加速度芯体连接。采用轴向串联的一体化传力架构，膜片、m形中心座与力芯体沿轴向依次接触传力，加速度芯体内置集成于m形中心座的上端中心，两个检测单元共用同一传力路径且功能分区明确，可有效降低不同检测单元间的耦合干扰与信号串扰，显著提升测量精度，m形中心座受到轴向冲击时，可将轴向冲击载荷均匀转化为下端的径向剪切作用力并作用于力芯体，应力分布更均匀，大幅提升力检测的灵敏度与线性度；同时m形结构形变一致性好，可将膜片传递的冲击载荷均匀传递至加速度芯体，保证加速度检测的准确性与重复性。

4、优选的，m形中心座的剖面呈m形，m形中心座的上端外径小于其下端外径，m形中心座的上端开设有第一螺纹孔，可使轴向冲击载荷沿斜面平缓向下扩散并高效转化为径向剪切力，传力过渡平滑无突变，应力分布更均匀；上端开设第一螺纹孔，为加速度芯体提供可拆卸的安装接口，装配便捷，连接牢固可靠，便于后期维护更换。

5、优选的，m形中心座的外壁为斜面结构，m形中心座的外壁上设有若干变形槽，若干变形槽呈十字形排布，十字形排布的变形槽一方面便于线缆的穿设，另一方面提高m形中心座的应变变形能力。

6、优选的，加速度芯体包括加速度芯体螺栓，加速度芯体螺栓与第一螺纹孔螺纹连接，加速度芯体螺栓上沿其轴向依次套设有压电陶瓷、第一电极片和第一绝缘片，压电陶瓷靠近于m形中心座的上端，加速度芯体螺栓螺纹连接有旋紧螺帽，旋紧螺帽位于第一绝缘片的下方，采用螺栓叠装式压电加速度检测结构，结构紧凑，通过旋紧螺帽可调节压电陶瓷的预紧力，使压电元件工作在最优受力状态，加速度检测灵敏度高、频响特性好；多层电极与绝缘片间隔布置，信号输出稳定，抗电磁干扰能力强。

7、优选的，加速度芯体螺栓包括同轴设置的第一螺纹段、第二螺纹段和第三凸台，第一螺纹段和第二螺纹段相对固定设置在第三凸台的两侧，第一螺纹段的长度短于第二螺纹段，第一螺纹段与第一螺纹孔螺纹连接，第二螺纹段上套设压电陶瓷、第一电极片和第一绝缘片并与旋紧螺帽螺纹连接，第三凸台形成轴向定位基准，短的第一螺纹段用于与m形中心座紧固连接，保证连接刚度；长的第二螺纹段适配多片元件的叠装与预紧调节，预紧力控制便捷，可保证压电元件受力均匀，提升检测一致性与稳定性。

8、优选的，力芯体包括依次叠放粘贴的第二绝缘片、第二电极片和石英片，第二绝缘片放置在底座上，石英片与m形中心座的下端接触，采用石英力敏元件配合电极片与绝缘片的叠层结构，剪切力作用下电荷输出稳定、线性度好，力检测精度高；叠层结构装配简单，绝缘隔离可靠，可有效隔绝底座与外界的电磁干扰，保证力检测信号质量。

9、优选的，底座的上端面设有安装槽，第二绝缘片放置在安装槽内，底座的下端开设有第二螺纹孔，底座的侧面固定设有环形沉台，第二螺纹孔便于传感器整体安装固定，环形沉台提供安装定位基准，保证安装垂直度，适配不同测试平台的安装需求。

10、优选的，膜片的上端中心位置处固定设有第一凸台，第一凸台为弧形凸台；膜片的下端中心位置处固定设有第二凸台，第二凸台为圆形凸台，第二凸台与m形中心座的上端接触，上端弧形的第一凸台可优化冲击受力形态，对冲击载荷形成导向汇聚，有效提升微弱冲击信号的感知能力；下端圆形第二凸台与m形中心座上端对接触力，传力对中准确，避免偏载，保证m形中心座均匀形变，进一步提升检测的一致性与精度。

11、一种复合传感器使用方法，包括组装复合传感器并通过底座安装在受冲击平台面，当复合传感器受到纵向冲击力时，由膜片受力传递至m形中心座，m形中心座产生纵向形变，使加速度芯体产生加速度冲击信号并输出；同时，m形中心座产生应变变形后，其下端产生往外侧的剪切力，并作用于石英片的表面，形成电荷信号输出。依托同一m形传力结构实现冲击加速度与冲击力的同步检测，传力路径统一，两个参数检测同步性好，m形中心座同时承担加速度冲击传递与剪切力转换功能，单构件实现双检测力传导，结构精简，检测结果耦合干扰小，测量精度高；可同步输出冲击加速度与冲击力两种信号，完整反映冲击工况的动态特性，适用于材料冲击测试、设备状态监测等多种场景。

12、优选的，组装过程为：

13、在第一电极片和第二电极片的侧端焊接信号导线，将压电陶瓷、第一电极片、第一绝缘片依次套于加速度芯体螺栓上，并通过旋紧螺帽预紧固定，将加速度芯体螺栓旋紧到m形中心座上端，将第二绝缘片嵌入于底座上端面，并将第二电极片和石英片依次贴于第二绝缘片上；

14、将m形中心座的下端贴于石英片上，然后将外壳装至底座上并固定，将膜片盖于m形中心座的上端，并将膜片与外壳固定；

15、将信号导线焊接到双芯接嘴上，并将双芯接嘴固定安装在外壳上。

16、采用由内到外、分层依次装配的工艺，装配路径清晰，各部件对中精度高，预紧力可控，可保证两个检测单元的初始受力状态一致，提升传感器出厂性能的一致性；信号导线统一汇集焊接至双芯接嘴，输出接口集成度高，布线规整，便于现场接线使用与维护。

17、通过以上技术方案可以看出，本发明的优点在于：

18、采用轴向串联的一体化传力架构，膜片、m形中心座与力芯体沿轴向依次接触传力，加速度芯体内置集成于m形中心座的上端中心，两个检测单元共用同一传力路径且功能分区明确，可有效降低不同检测单元间的耦合干扰与信号串扰，显著提升测量精度，m形中心座受到轴向冲击时，可将轴向冲击载荷均匀转化为下端的径向剪切作用力并作用于力芯体，应力分布更均匀，大幅提升力检测的灵敏度与线性度；同时m形结构形变一致性好，可将膜片传递的冲击载荷均匀传递至加速度芯体，保证加速度检测的准确性与重复性。