一種震動傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種震動傳感器，其特征在于所述的震動傳感器是一種震聲耦合式震動傳感器，將震動波轉(zhuǎn)為聲波，再由傳聲器將聲波轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞敵觯凰龅膫鞲衅靼ㄒ粋€密閉空腔，空腔上面連接彈性膜片，該彈性膜片中心位置上連接有配重質(zhì)量體，配重質(zhì)量體通過膜支架間接連接到彈性膜片上，以達到控制接觸面積的目的，密閉空腔底面則由傳聲器及印刷電路板密封，傳聲器指向密閉空腔內(nèi)部，密閉空腔配以外殼。本發(fā)明解決了以往低頻震動傳感器體積大，重量重，以及MEMS加速度計對低頻信號接收能力差等技術難題，較好的解決了傳感器體積、重量與低頻信號接收能力之間的矛盾。
【專利說明】
一種震動傳感器
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種震動傳感器，特別是涉及一種感知頻率低、體積小、重量輕的聲耦合式震動傳感器。
【背景技術】
[0002]在傳感器網(wǎng)絡的應用以及研究領域中，通常采用動圈式地聽器或者MEMS加速度計探測震動波，以實現(xiàn)對震源目標的監(jiān)測。不論是機械診斷，還是安防領域，亦或者地震監(jiān)測領域都需要監(jiān)測震源。特別是安防領域，由于土壤介質(zhì)的低通特性，遠處的運動目標所產(chǎn)生的地震波在到達傳感器處時，地震波的高頻分量被大幅度的衰減，由于動圈式地聽器能夠探測到更低頻率的地震波，所以通常采用動圈式地聽器來探測地面機動目標產(chǎn)生的地震波。
[0003]在傳感器網(wǎng)絡的實際應用中，通常要求傳感器節(jié)點擁有較長的電池壽命，較輕的重量和較小的體積，以方便實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡的布設和維護。根據(jù)這些要求，上面提及的動圈式地聽器或MEMS加速度計都存在各自的不足之處。主要是動圈式地聽器的體積以及質(zhì)量都較大。而MEMS加速度計的低頻響應特性較差，難以滿足工程設計要求，另外高性能的MEMS加速度計則價格較高，不利于批量生產(chǎn)。
[0004]由于聲波與震動總是相輔相成，如果存在聲傳播介質(zhì)，則震動源在產(chǎn)生震動波的同時不可避免的會產(chǎn)生聲波，而傳聲器具有體積小，重量輕，探測頻率低等特點。當存在適當?shù)慕Y構件時，如能夠相對高效地將震動波轉(zhuǎn)變?yōu)槁暡?，則既可用傳聲器間接地探測震動波，實現(xiàn)震動傳感器的功能。據(jù)發(fā)明人所知目前這方面已公開的，或與本發(fā)明工作機制相似或相近的震動傳感器鮮有報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種震動傳感器，所述的震動傳感器為聲耦合式震動傳感器。用于解決現(xiàn)有震動傳感器低頻響應特征與傳感器體積和重量之間的矛盾，也即提供一種低頻響應優(yōu)于MEMS加速度計，而體積和重量小于動圈式地聽器的震動傳感器。
[0006]本發(fā)明所述震動傳感器主要由彈性膜片、配重質(zhì)量體、薄壁管、傳聲器及其電路板構成。所述薄壁管要求其剛性較好，外形不一定是圓柱形，視具體需求而定，通常要求其長度較短，以便于放大震動波。如果薄壁管足夠堅硬耐用，那么薄壁管就可以作為外殼的一部分，外加上蓋下蓋就能構成外殼，如果薄壁管僅用于構成密閉空腔的側面，那么為了提高傳感器的穩(wěn)定性，需要配合外殼。以上兩種情況，分別對應于傳感器單獨使用和集成到其它系統(tǒng)中的情況。所述彈性膜片要求其彈性較好且具有一定的氣密性，彈性膜片上連接有配重質(zhì)量體，彈性膜片覆蓋于薄壁管的上開口。所述配重質(zhì)量體體積不定，較大的配重質(zhì)量體可以通過支架間接連接到彈性膜片上。所述傳聲器及其電路板應能夠密封薄壁管的下開口，傳聲器敏感面指向密閉空腔內(nèi)部，能夠探測到管內(nèi)部的聲壓變化。所述彈性膜片、薄壁管、傳聲器及其電路板構成密閉空腔，該密閉空腔即為本發(fā)明提供的震動傳感器的主體。
[0007]實際實施時，構成密閉空腔側面的薄壁管可由外殼代替，構成外殼的一部分。彈性膜片、電路板與外殼的內(nèi)壁相接，三者所包圍的空間即為所述密封空腔。
[0008]所述密閉空腔，可留有小孔，用于平衡空腔內(nèi)外的氣壓。所述配重質(zhì)量體能夠捕獲震動波，帶動膜片壓縮密閉空腔內(nèi)的空氣，形成交變的聲壓。所述聲壓可以被傳聲器探測到并轉(zhuǎn)換為電信號輸出。
[0009]優(yōu)選的，配重質(zhì)量體與彈性膜片之間有限位臺階，用于防止配重質(zhì)量體的振動位移超過彈性膜片的彈性形變量。
[0010]優(yōu)選的，配重質(zhì)量體外部可配有外殼，用于限制質(zhì)量體的振動位移以及保護震動傳感器免受不必要的干擾，這是因為配重質(zhì)量體是連接在彈性膜片上的，如配重質(zhì)量體受到撞擊則會帶動膜片產(chǎn)生可探測的聲壓，這將引入干擾。
[0011]優(yōu)選的，密閉空腔外可配以外殼，或構成外殼的一部分，實現(xiàn)防塵、防水、抗沖擊等目的，這是因為密閉空腔的下底面是由印刷電路板密封的，如需要震動傳感器單獨使用，則需要保護印刷電路板。
[0012]優(yōu)選的，傳聲器可以選擇MEMS聲傳感器，聲孔朝向密閉空腔內(nèi)，也可以選擇駐極體麥克風，相比MEMS聲傳感器，駐極體麥克風雖然體積較大，但是價格低廉，探測信號的最低頻率更低。
[0013]由此可見，本發(fā)明所述的一種震動傳感器，其特征在于:
[0014](I)傳感器震動時將震動波轉(zhuǎn)變?yōu)槁暡?，并將聲波轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞敵觥?br>[0015](2)傳感器主體為一個密閉的空腔，空腔側面為剛性輕質(zhì)材料如塑料或者金屬構成，空腔上面由彈性膜片密封，底面由傳聲器及其所在的印刷電路板密封。
[0016](3)所述密閉空腔可留有小孔，用于平衡空腔內(nèi)外的氣壓。
[0017](4)所述彈性膜片具有一定的氣密性，可以壓縮腔體內(nèi)的空氣，彈性膜片中心位置上連接有配重質(zhì)量體。
[0018](5)所述配重質(zhì)量體體積可大可小，根據(jù)具體設計需求，較大體積的配重質(zhì)量體可以放置在膜支架上，并通過膜支架連接到彈性膜片上。
[0019](6)所述彈性膜片的厚度、楊氏彈性模量、直徑以及所述配重質(zhì)量體需要特殊設計，使得彈性膜片能夠支撐起配重質(zhì)量體，使得腔體內(nèi)因震動波產(chǎn)生的聲壓響應能夠滿足某種設計要求。
[0020](7)傳聲器可能配有必要的電子元件及印刷電路板，其敏感面指向腔體內(nèi)部，能夠探測到腔體內(nèi)的聲壓變化。
[0021](8)可能還有其他配件，用于包裹配重質(zhì)量體和傳聲器，便于質(zhì)量體震動以及提高震動傳感器的穩(wěn)定性和易用性。
[0022]綜上所述，本發(fā)明所述的震動傳感器，其特征在于所述的震動傳感器是一種震聲耦合式震動傳感器，將震動波轉(zhuǎn)為聲波，再由傳聲器將聲波轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞敵?所述的傳感器主要由彈性膜片、配重質(zhì)量體、薄壁管、傳聲器及其印刷電路板構成的；所述的傳感器包括一個由彈性膜片、薄壁管、傳聲器及其印刷電路板構成的密閉空腔，密閉空腔上面連接彈性膜片，該彈性膜片中心位置上連接有配重質(zhì)量體，配重質(zhì)量體通過膜支架間接連接到彈性膜片上，以達到控制接觸面積的目的，密閉空腔底面則由傳聲器及印刷電路板密封，傳聲器敏感面指向密閉空腔內(nèi)部，密閉空腔配以外殼或構成外殼的一部分。
[0023]本發(fā)明的有益效果是:
[0024](I)以小于動圈式地聽器的體積及重量的密閉空腔構成震動傳感器，探測低頻震動波。如常用的動圈式地聽器，其重量可達到54克，直徑2厘米，高3厘米。本發(fā)明的提供的一種實施方案在直徑和高度相近的情況下，可以將重量降低至34克。
[0025](2)配重質(zhì)量體可以是目標應用系統(tǒng)中質(zhì)量較大的部件，如電池，如此則只需增加一個體積較小，重量較輕的密閉空腔就可以獲得動圈式地聽器相近的低頻震動波探測能力。
[0026](3)通過降低配重質(zhì)量體的體積，降低彈性膜片的楊氏彈性模量以及厚度，從而可以縮小密閉空腔整體的體積及重量，實現(xiàn)對低頻震動波的探測，如選擇乳膠薄膜配合駐極體麥克風，理論上可以探測到8Hz左右的震動波，低于動圈式地聽器的典型值10Hz?？梢赃x擇MEMS傳聲器或者駐極體麥克風，微調(diào)膜片和配置質(zhì)量提可以探測到8Hz以下的震動波。
[0027](4)MEMS加速度計的探測頻率，最低探測頻率典型值為10Hz ;本發(fā)明的提供的一種實施方案，其探測信號的最低頻率可以低至50Hz ο相比MEMS加速度計，本發(fā)明提供的震動傳感器的探測距離將更遠。
[0028](5)相比常用的動圈式地聽器和MEMS加速度計，本發(fā)明提供的震動傳感器，所采用的材料更廉價，且結構簡單，故總體造價更低。
【附圖說明】
[0029]圖1是本發(fā)明的一種實現(xiàn)結構之截面圖。
[0030]圖2是本發(fā)明的一種實現(xiàn)結構之仰視圖。
[0031 ]圖3是本發(fā)明的一種實現(xiàn)結構之俯視圖。
[0032]附圖符號說明:
[0033]1.上蓋;2.配重質(zhì)量體;3.下蓋;4.膜支架;5.壓環(huán);6.彈性膜片；7.印刷電路板;8.上磁鐵;9.下磁鐵;10.密閉空腔。
【具體實施方式】
[0034]下面結合具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。應理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的具體實現(xiàn)方式。此外應理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領域技術人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍。
[0035]如圖1所示，彈性膜片6，下蓋3以及印刷電路板7—起構成一個密閉空腔10，配重質(zhì)量體2通過膜支架4連接到彈性膜片6的中心位置，膜支架4與彈性膜片6由上磁鐵8和下磁鐵9通過互相吸引而固定。印刷電路板7上焊接有MEMS聲傳感器(傳聲器)，其聲孔穿過印刷電路板7朝向密閉空腔。
[0036]如圖1所示，壓環(huán)5—方面用于固定彈性膜片6，另一方面起到了限位臺階的作用，限制配重質(zhì)量體2向下運動的距離，起到保護彈性膜片的作用;上蓋I與下蓋3相接，構成一個完整的外殼，可提高傳感器的穩(wěn)定性。
[0037]如圖1所示，上蓋I一方面可以起到密封傳感器的作用，另一方面可以限制配重質(zhì)量體2的左右晃動及其向上運動的距離，起到保護彈性膜片的作用。
[0038]如圖2所示，下蓋上開有小孔，用于引出圖1中的印刷電路板7上焊接的傳聲器信號傳出所需的導線。
[0039]如圖3所示，上蓋上開有小孔，用于引出充當圖1中配重質(zhì)量體2的電池的電源線。同時該圖也給出了傳感器的直徑，其值為27毫米。
[0040]本實施方式中，上蓋I和下蓋3由鋁合金構成，膜支架4和壓環(huán)5由PVC材料制作成，配重質(zhì)量體2為一顆圓柱形的鋰電池，彈性膜片6為一種用于醫(yī)用聽診器的玻璃纖維膜片，印刷電路板7上焊接有MEMS傳聲器型號為INMP504。
[0041]本發(fā)明所述的震動傳感器自底向上的裝配過程為:先固定下蓋3，使開口朝上；印刷電路板7的引線穿過下蓋3的小孔，使印刷電路板固定在下蓋3中；放置下磁鐵9在電路板7上;平鋪彈性膜片6于下蓋3的臺階上；用壓環(huán)5壓緊彈性膜片6，可選用膠水固定;上磁鐵8固定在膜支架4的凹槽內(nèi)，配重質(zhì)量體2固定在膜支架4上，并放置膜支架到彈性膜片6的中心位置，因上磁鐵8和下磁鐵9會互相吸引，起到連接彈性膜片6和膜支架4的作用;配重質(zhì)量體2的引線穿過上蓋I，使上蓋I蓋在配重質(zhì)量體2上方并與下蓋3相接。
[0042]—種選擇是選用卡扣方式使上蓋I與下蓋3固定。當震動傳感器隨震動波振動時，圖1中的配重質(zhì)量體2帶動彈性膜片6壓縮密閉空腔中的空氣，產(chǎn)生的壓力變化被印刷電路板7上的MEMS傳聲器探測到并以電信號的形式輸出。若選用膠水方式使上蓋I和下蓋3固定，則不需要上、下磁鐵。
【主權項】
1.一種震動傳感器，其特征在于所述的震動傳感器是一種震聲耦合式震動傳感器，將震動波轉(zhuǎn)為聲波，再由傳聲器將聲波轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞敵?所述的傳感器主要由彈性膜片、配重質(zhì)量體、薄壁管、傳聲器及其印刷電路板構成的；所述的傳感器包括一個由彈性膜片、薄壁管、傳聲器及其印刷電路板構成的密閉空腔，密閉空腔上面連接彈性膜片，該彈性膜片中心位置上連接有配重質(zhì)量體，配重質(zhì)量體通過膜支架間接連接到彈性膜片上，以達到控制接觸面積的目的，密閉空腔底面則由傳聲器及印刷電路板密封，傳聲器敏感面指向密閉空腔內(nèi)部，密閉空腔配以外殼或構成外殼的一部分。2.按權利要求1所述的傳感器，其特征在于配重質(zhì)量體與彈性膜片之間設有限位臺階，用于防止配重質(zhì)量體的振動位移超過彈性膜片的彈性形變量。3.按權利要求1所述的傳感器，其特征在于: ①密閉空腔側面的薄壁管的外形不一定是圓柱形或由外殼的一部分代替； ②密閉空腔留有小孔，用于平衡空腔內(nèi)外的氣壓； ③配重質(zhì)量體能捕獲振動波，帶動彈性膜片壓縮密閉空腔內(nèi)的空氣，形成交變聲壓，聲壓可以被傳聲器探測到并轉(zhuǎn)換為電信號輸出。 ④配重質(zhì)量體外部配有外殼，用于限制配重質(zhì)量體的振動位移以及保護震動傳感器免受不必要的干擾。4.按權利要求1所述的傳感器，其特征在于印刷電路板上焊接有MEMS聲傳感器或駐極體麥克風。5.按權利要求4所述的傳感器，其特征在于選擇MEMS聲傳感器則聲孔朝向密閉空腔內(nèi)，探測信號的最低頻率低至50Hz;選擇駐極體麥克風則探測信號的最低頻率更低，探測到8Hz的震動波。6.按權利要求1所述的傳感器，其特征在于所述的傳感器還包括屬于外殼一部分的上蓋和下蓋以及上磁鐵與下磁鐵。7.按權利要求6所述的傳感器，其特征在于: ①所述的外殼由上蓋和下蓋相接構成； ②膜支架與彈性膜片由上磁鐵和下磁鐵通過相互吸引而固定； ③下蓋上開有小孔，用于引出印刷電路板上焊接的傳聲器所需的導線； ④上蓋上開有小孔，引出作為配重質(zhì)量體的電池的電源線。8.按權利要求4、6或7所述的震動傳感器，其特征在于: ①傳聲器的型號為INMP504; ②上蓋與下蓋相接是選用膠水或卡扣方式;如采用膠水連接則就不需要上、下磁鐵。9.按權利要求1-7中任一項所述的傳感器，其特征在于: ①上蓋和下蓋由招合金構成； ②膜支架由PVC構成； ③配重質(zhì)量體為圓柱形鋰電池； ④彈性膜片為用于醫(yī)用聽診器的玻璃纖維膜片。10.裝配如權利要求1所述的傳感器的方法，其特征在于所述的震動傳感器自底向上的裝配過程為:先固定下蓋，使開口朝上；印刷電路板的引線穿過下蓋的小孔，使印刷電路板固定在下蓋中；放置磁鐵在電路板上;平鋪膜片于下蓋的臺階上；用壓環(huán)壓緊彈性膜片，可選用膠水固定;上磁鐵固定在膜支架的凹槽內(nèi)，配重質(zhì)量體固定在膜支架上，并放置膜支架到彈性膜片的中心位置，因上磁鐵和下磁鐵會互相吸引，起到連接彈性膜片和膜支架的作用;配重質(zhì)量體的引線穿過上蓋，使上蓋蓋在配重質(zhì)量體上方并與下蓋相接。
【文檔編號】G01V1/18GK105891878SQ201610243859
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月19日
【發(fā)明人】李寶清, 周乾偉, 劉華巍, 袁曉兵, 尹乃玉
【申請人】中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所, 浙江工業(yè)大學