具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图图1至图6，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。

在一个实施例中，如图1至图5所示，剪切式振动-超声复合传感器包括，

金属匹配层2，其包括设在下表面的绝缘层1和设在上表面的支撑柱14，所述金属匹配层2经由所述绝缘层1接触待测对象，

第一厚向压电元件15，其包括紧贴所述上表面的第一负极面和相对于所述第一负极面的第一正极面，

第二厚向压电元件3，其包括经由导电胶紧贴所述第一正极面的第二正极面和相对于所述第二正极面的第二负极面，所述第一正极面和第二正极面共同连接超声信号输出接口11以输出超声信号，

背衬块4，其具有紧贴所述第二负极面的第一表面和相对于所述第一表面的第二表面，所述第二表面设有金属外壳5，

振动基座13，其可拆卸连接所述支撑柱14，

第一切向压电元件6，其具有贴合所述振动基座13一侧的第一负极表面和相对于所述第一负极表面的第一正极表面，所述第一正极表面贴附第一质量块8，

第二切向压电元件16，其具有贴合所述振动基座13相对于一侧的另一侧的第二负极表面和相对于所述第二负极表面的第二正极表面，所述第二正极表面贴附第二质量块17，所述第一质量块8和第二质量块17分别连接振动信号输出接口12以输出振动信号。

所述的一种剪切式振动-超声复合传感器的优选实施例中，所述金属匹配层2的声阻抗Z_m为：或其中，Z_p为第一厚向压电元件15和第二厚向压电元件3的声阻抗，Z_t为被测对象的声阻抗。

所述的一种剪切式振动-超声复合传感器的优选实施例中，所述金属匹配层2的厚度为复合传感器中心频率对应声波长的四分之一。

如图1所述，所述的一种剪切式振动-超声复合传感器的优选实施例中，所述金属外壳5为喇叭状结构。

所述的一种剪切式振动-超声复合传感器的优选实施例中，所述剪切式振动-超声复合传感器还包括，

传感器壳体9，其套设于所述金属匹配层2，

第一绝缘弹簧7，其一端连接第一质量块8，另一端连接所述传感器壳体9内壁一侧，

第二绝缘弹簧18，其一端连接第二质量块17，另一端连接所述传感器壳体9内壁相对于一侧的另一侧。

所述的一种剪切式振动-超声复合传感器的优选实施例中，所述传感器壳体9可拆卸连接所述金属匹配层2，所述传感器壳体9设有可拆卸连接的盖子10以及导出所述振动信号输出接口12和超声信号输出接口11的通道。

所述的一种剪切式振动-超声复合传感器的优选实施例中，所述金属匹配层2为中心对称结构，所述支撑柱14位于其中心轴线上，所述第一厚向压电元件15、第二厚向压电元件3和背衬块4套设于所述支撑柱14上。

所述的一种剪切式振动-超声复合传感器的优选实施例中，所述金属外壳5与所述第一负极面、第二负极面、第一负极表面、第二负极表面等电位。

所述的一种剪切式振动-超声复合传感器的优选实施例中，所述第一正极表面与第一质量块8等电位，所述第二正极表面与第二质量块17等电位。

在一个实施例中，剪切式振动-超声复合传感器自下而上为压缩式结构和剪切式结构，压缩式结构包括金属匹配层2、第一厚向压电元件15和第二厚向压电元件3、背衬块4，剪切式结构包括振动基座13、第一切向压电元件6和第二切向压电元件16、第一质量块8、第一绝缘弹簧7、第二质量块17和第二绝缘弹簧18。进一步包括传感器壳体9和引线。其中，压缩式结构用于检测超声信号，剪切式结构用于检测振动加速度的信号。

在一个实施例中，通过导电胶将第一厚向压电元件15的第一负极面与金属匹配层2的上表面紧密粘合；通过导电胶将第一厚向压电元件15的第一正极面与第二厚向压电元件3的第二正极面紧密粘合；通过导电胶将第二厚向压电元件3的第二负极面与背衬块4的下表面，即第一表面紧密粘合，并在背衬面，即第二表面涂抹导电胶保证背衬块4的金属外壳5与第二厚向压电元件3的第二负极面实现等电位连接；通过焊接信号线将第一厚向压电元件15和第二厚向压电元件3正极的侧面引出端与超声信号输出接口11连接，实现超声信号的输出；通过螺纹结构将振动基座13与金属匹配层2的支撑柱14紧密连接；通过导电胶将第一切向压电元件6和第二切向压电元件16的第一负极表面和第二负极表面分别与振动基座13的两侧外表面紧密粘合；通过导电胶将两个切向压电元件的第一正极表面和第二正极表面分别与两个质量块紧密粘合，两个质量块经信号线连接至振动信号接口，实现振动信号的输出；将整个部件装入传感器壳体9，在质量块外侧卡扣与金属外壳5之间固定安装绝缘弹簧，两条信号输出线分别通过外壳侧方的小孔引出，并用金属盖子10密封传感器。

在一个实施例中，所述第一厚向压电元件15和/或第二厚向压电元件3为厚向振动模式的压电元件片，且两个厚向压电元件“背靠背”放置，实现两个正极相接，提高复合传感器检测超声信号的灵敏度；第一切向压电元件6和/或第二切向压电元件16为切向振动模式的压电元件片，且两个切向压电元件的正极相连，提高复合传感器检测振动信号的灵敏度。所述切向垂直于所述厚向。

在一个实施例中，所述金属匹配层2的材料由被测物的声阻抗和厚向压电元件的声阻抗共同决定，一般为但不仅限于陶瓷、金属或金属氧化物元件；此外，其测量面涂抹薄绝缘层1，不仅可以保护声匹配层，还可以避免复合传感器工作过程中的地回路干扰。

在一个实施例中，如图2所示，所述背衬块4由金属外壳5和背衬组成。金属外壳5呈喇叭状，下宽上窄，下方为空心，用以填充背衬，尺寸与压电元件接触面的尺寸近似；上方留有圆孔，便于穿过支撑柱14进行背衬的安装。

在一个实施例中，所述金属匹配层2与振动基座13为螺纹紧密连接，且均为金属导体，实现金属匹配层2与振动基座13的电气连接。

在一个实施例中，所述第一质量块8和/或第二质量块17由金属良导体制成，一般为但不仅限于黄铜、钨、金等密度较大的良导体金属。质量块本身具有一定的质量，在剪切式振动传感器部分中构成惯性系统。质量块接触面尺寸与切向压电元件电极面的尺寸近似；外侧为实心凸起的卡扣，用以固定支撑绝缘弹簧。

在一个实施例中，所述弹簧为绝缘弹簧，可施加预紧力，使质量块产生的惯性力能够很好地施加于切向压电元件上，避免切向压电元件与质量块之间产生过大的相对滑动。绝缘弹簧的绝缘特性可以保证质量块与金属外壳5之间不存在电气连接。

在一个实施例中，本发明中针对金属匹配层2的材料选择及厚度尺寸应遵循以下原则：针对不同的应用和检测对象，金属匹配层2的材料选择是不同的，选择合理的匹配层材料对于提高传感器的性能是十分重要的，应选择声透率高、阻抗匹配的材料制作匹配层。已知压电元件和被测对象的声阻抗分别为Z_p、Z_t，则金属匹配层2声阻抗Z_m应由公式计算获得：但对于检测、成像应用的宽频换能器，匹配层的声阻抗计算公式如下：此外，金属匹配层2的厚度应基于超声学中的四分之一波长公式来确定，即匹配层的厚度应为传感器中心频率对应声波长的四分之一。

在一个实施例中，如图1所示，背衬块4由金属外壳5和背衬组成，金属外壳5由金属制作，形状如喇叭，这种设计可以更好地吸收投射过压电元件的声波，避免二次回波干扰传感器的输出信号。背衬使用环氧树脂与钨粉混合形成，以达到阻尼的作用，二者的配比直接与传感器的频率响应有关，不同频谱宽度的传感器对配比量要求不同。按照相应的配比调配好背衬并将其浇注在金属外壳5内，待其凝固后磨平抛光，即可完成背衬块4的制作。

在一个实施例中，当复合传感器检测振动信号时，由于剪切式结构的特殊性，振动基座、质量块运动状态存在差异，第一切向压电元件6和第二切向压电元件16两极面会受到剪切力作用，元件的两极面产生极性相反的电荷，该电荷量与剪切力的大小成正比，因而可以反映振动加速度情况。压电元件具有介电性，单个压电片可以看作一个等效平板电容器，可得

Q＝d_ijF_g＝d_ij·ma，

其中C为等效电容，Q为电荷量；K＝4πkd为常数，k为静电常数，ε为介电常数，d为电容平板间距即切向压电元件厚度；dij为压电元件的压电系数，m为惯性件质量，a为加速度大小。因此可得切向压电元件的电荷灵敏度Sq的表达式为：

S_q＝d₃₁mn，

式中，d₃₁为压电元件的切向压电系数，m为惯性件质量，n为压电片数。由式可知，质量块是决定剪切式复合传感器灵敏度大小的主要因素之一，惯性件质量越大，剪切式复合传感器灵敏度越高，但增大惯性件质量会导致复合传感器体积的增加、固有频率和频宽的减小。因此针对质量块而言，为了减小结构的尺寸，最好的就是相同体积下，可以提供更大的质量。质量块通常采用高密度的金属或合金等金属良导体制成，一般为但不仅限于黄铜、钨、金等密度较大的金属。质量块接触面尺寸与切向压电元件电极面的尺寸近似；外侧为实心凸起的卡扣，用以固定支撑绝缘弹簧。

在一个实施例中，超声信号实质是振动频率高于20kHz的机械波，当复合传感器检测超声信号时，在第一厚向压电元件15与第二厚向压电元件3在超声波机械力的作用下会产生极化现象，即压电晶体在机械振动的影响下产生形变，此时在厚向压电元件的两极面上分别聚集电荷量相等的正负电荷，且机械力T与电荷量Q成正比，满足关系式Q＝d₃₃·T，其中，d₃₃为厚向压电系数。如果把传感器看成一个电容器，电容器的电容为C，那么通过复合传感器超声检测的输出电压为：

通常情况下电容C的值在测量时仅会有极小的变化，认为是定值，上式表明复合传感器超声检测的输出电压与检测的超声信号幅值成正比。

在一个实施例中，在超声的检测频率下，剪切式结构受限于第一谐振频率和结构特殊性，在超出4kHz的情况下，切向压电元件的输出误差较大，工作效果不佳，因此超声检测时以厚向压电元件的输出为准。

如图3至图5所示，剪切式振动-超声复合传感器组装实施过程为：首先将金属匹配层2的下表面附着一层薄绝缘材料，并打磨平整，从而消除传感器工作中的地回路干扰，并保护声匹配层。通过导电胶将第一厚向压电元件15的第一负极面与金属匹配层2的上表面紧密粘合，置于真空箱中抽真空并高温固化；通过导电胶将第一厚向压电元件15的第一正极面与第二厚向压电元件3的第二正极面紧密粘合，置于真空箱中抽真空并高温固化；通过导电胶将第二厚向压电元件3的第二负极面与背衬块4的下表面紧密粘合，并在背衬面涂抹导电胶保证背衬块4的金属外壳5与压电元件负极面实现等电位；通过焊接信号线将两片厚向压电元件正极的侧面引出端与超声信号输出接口11连接，实现超声信号的输出；通过螺纹结构将振动基座13与金属匹配层2的支撑柱14紧密连接；通过导电胶将两个切向压电元件的负极面分别与振动基座13的两侧外表面紧密粘合，置于真空箱中抽真空并高温固化；通过导电胶将两个切向压电元件的正极面分别与两个质量块紧密粘合，并保证正极面与金属质量块等电位；通过信号线连接两个切向压电元件的正极，并共同连接至振动信号输出接口12；将整个部件装入传感器壳体9，两条信号输出线19、20分别通过外壳侧方的小孔引出，并在质量块的外侧卡扣与金属外壳5之间固定安装弹性适中的绝缘弹簧，以施加合适的预紧力；最后用金属盖子10密封传感器。在一个实施例中，厚向压电陶瓷包括第一厚向压电元件15、第二厚向压电元件3，切向压电陶瓷包括第一切向压电元件6、第二切向压电元件16。

本发明的背衬块可以很好地吸收投射过压电元件的声波，避免二次回波干扰；所提出的剪切式结构，可以有效降低噪声、基座应变等干扰信号对传感器的测量的影响，因此该复合传感器可以提高传感器灵敏度、抗干扰性的同时准确获得设备同一位置的超声、振动加速度信号，从而实现设备的多物理量、高精度检测。

如图6所示，一种测量装置包括，

所述的剪切式振动-超声复合传感器，

信号调理器，其连接所述振动信号输出接口12和超声信号输出接口11，

示波器，其连接所述信号调理器。

在一个实施例中，首先在被测对象上尽量选择表面平整的测量点21，将被测点21擦洗干净；在被测点处均匀涂抹耦合剂22，并将复合传感器固定在被测点处，使其绝缘层1表面与被测处紧密接触；复合传感器的两条信号输出线接入信号调理器23的两个通道，对输出信号进行放大、滤波等处理；最后通过示波器24采集输出信号。

最后应该说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。