CN105424978A - 一种基于挠曲电效应的高g值加速度传感器及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于挠曲电效应的高g值加速度传感器及测量方法，该传感器包括相固连的基体和绝缘刚性圆柱壳体，两个挠曲电材料圆台相对的置于绝缘刚性圆柱壳体内，通过绝缘刚性圆柱壳体上盖给其一定的预紧力，挠曲电材料圆台的上下表面涂有电极，电极与电荷放大器输入端相连，电荷放大器输出端与信号处理、显示、存储模块相连；测量高g值加速度时，基体存在高g值的加速度，通过绝缘刚性圆柱壳体传递给挠曲电材料圆台，挠曲电材料圆台受惯性力发生变形产生应变梯度，产生极化电荷，经电极传递至电荷放大器，经处理实时的显示基体运动高g值的加速度变化情况；本发明无需对挠曲电材料圆台供电，具有无外加质量块、量程宽、适用频带宽、实时性良好、直接测量、结构简单等特点。

Description

一种基于挠曲电效应的高g值加速度传感器及测量方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种基于挠曲电效应的高g值加速度传感器及测量方法。

背景技术

现有的加速度测量技术中，大多采用压电式、压阻式、电容式、伺服式。加速度的实时监测在军事、生活中有着重要的应用，如：汽车中根据测量的加速度值判断是否开启安全气囊，超重力环境的模拟，地震波检测、卫星的天体的姿态调整。

现有的基于压电材料的压电式加速度传感器在测量加速度的装置中得到了广泛的应用。但压电式加速度传感器需在压电晶体上放置一个质量块，并且为了隔离试件的任何应变传送到压电元件上去，一般要加厚基座或选用由刚度较大的材料来制造，壳体和基座的重量差不多占传感器重量的一半，实际有效部件所占重量较小，且压电材料作为一种含重金属材料，其材料本身也对环境有潜在威胁，并且压电式加速度传感器不能测量零频率的信号。而压阻式加速度传感器的敏感芯体为半导体材料，受温度影响较大；电容式加速度传感器对电缆电容的影响较大、量程有限。

挠曲电存在于所有电介质中，其原理早在上世纪60年代就已被提出并在一定范围内得到了极大的发展，含压电效应的材料电极化的简化描述方程为：

$P_i=e_{ijk}{\mathrm{\σ}}_{jk}+{\mathrm{\μ}}_{ijkl}\frac{\∂{\mathrm{\ϵ}}_{jk}}{\∂x_l}---\left(5\right)$

其中P_i,e_ijk,σ_jk,ε_jk,μ_ijkl,x_l分别为极化程度，压电常数、应力、应变、挠曲电系数和梯度方向，等式右边第一项是因应力导致的压电效应，第二项是因应变梯度导致的梯度方向的挠曲电效应，由于在中心对称晶体中不存在压电效应，因此只有第二项存在，即

$P_i={\mathrm{\μ}}_{ijkl}\frac{\∂{\mathrm{\ϵ}}_{jk}}{\∂x_l}---\left(1\right)$

由上述公式可以看出，在材料、试件等条件一定的情况下，分子对称晶体的极化电荷输出与其应变梯度成正比，而极化电荷与电压存在一定的关系，因此，本发明采用了通过应变梯度实现电荷输出的原理，测量由极化电荷产生的电压，从而对基体加速度变化情况进行实时监测。

通常而言，挠曲电现象与尺寸的数量级密切相关，尺寸数量级越小，其挠曲电现象越在极化中起决定性作用。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于挠曲电效应的高g值加速度传感器及测量方法，无需对挠曲电材料圆台供电，具有无外加质量块、量程宽、适用频带宽、实时性良好、重量轻、直接测量、精度高、结构简单等特点。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于挠曲电效应的高g值加速度传感器，包括基体1和绝缘刚性圆柱壳体4，所述基体1为运动体本身，基体1与刚性圆柱壳体4固结，绝缘刚性圆柱壳体4的上盖能够移动和锁止，两个挠曲电材料圆台2相对的置于绝缘刚性圆柱壳体4内，通过绝缘刚性圆柱壳体4上盖给两个相对的挠曲电材料圆台2一定的预紧力，挠曲电材料圆台2的上下表面涂有电极3，电极3与电荷放大器5的输入端相连，电荷放大器5的输出端与信号处理、显示、存储模块6相连接。

在测量不同加速度时，所述挠曲电材料圆台2的大小和采用的挠曲电材料不同。

所述挠曲电材料圆台2、绝缘刚性圆柱壳体4尺寸较小，对基体1自身运动影响很小。

所述挠曲电材料圆台2为介电常数大于1的分子结构具有中心对称性的材料。如PVDF、聚四氟乙烯或钛酸锶钡。

所述基体1、绝缘刚性圆柱壳体4采用的材料刚度很大。

所述电极3厚度小于挠曲电材料圆台2高度至少一个数量级。

上述基于挠曲电效应的高g值加速度传感器的测量方法，基体1以高g值加速度振动时，基体1通过与基体1固结的绝缘刚性圆柱壳体4传递给挠曲电材料圆台2，挠曲电材料圆台2受惯性力产生挠曲变形，挠曲电材料圆台2在其挠度方向产生应变梯度，由于挠曲电原理，该无源的挠曲电材料圆台2在其表面产生极化电荷，经电极3传递至电荷放大器5并由其线性转换为相应的电压信号，电压信号经电荷放大器5的输出端传递至信号处理、显示、存储模块6，信号处理、显示、存储模块6进行数据处理并显示基体高g值的加速度。

其中信号处理、显示、存储模块6内部的数据处理主要基于以下方法：

中心对称晶体即挠曲电材料中不存在压电效应，材料电极化简单描述为：

$P_i={\mathrm{\μ}}_{ijkl}\frac{\∂{\mathrm{\ϵ}}_{jk}}{\∂x_l}---\left(1\right)$

其中P_i,ε_jk,μ_ijkl,x_l分别为极化程度、应变、挠曲电系数和梯度方向；对于已知的材料，其挠曲电系数已知。

而电极化可描述为电荷与电荷分布面积的比，即

$\frac{Q_i}{A}={\mathrm{\μ}}_{ijkl}\frac{\∂{\mathrm{\ϵ}}_{jk}}{\∂x_l}---\left(2\right)$

其中Q_i,A分别是电荷量和电极对应的面积；

因此极化电荷的值与应变梯度为比例关系，即通过极化电荷便可知道对应的应变梯度。

由于基体1存在加速度，通过绝缘刚性圆柱壳体4传递给挠曲电材料圆台2，使挠曲电材料圆台2产生挠曲变形，即加速度与挠曲变形存在一定的关系：

$a={\mathrm{k\μ}}_{ijkl}\frac{\∂{\mathrm{\ϵ}}_{jk}}{\∂x_l}---\left(4\right)$

其中a，k,ε_jk，μ_ijkl，x_l分别为基体运动加速度、与材料有关的比例系数，应变、挠曲电系数和梯度方向；

挠曲电材料圆台2在表面上产生极化电荷，通过电极3输出，经过计算可显示基体加速度的变化情况。

本发明和现有技术相比，具有如下优点：

1)基于挠曲电效应的高g值加速度传感器无需对挠曲电材料圆台单独供电，减少了***对电源的需求。

2)基于挠曲电效应的高g值加速度传感器，实时性好，量程宽，频带宽。

3)基于挠曲电效应的高g值加速度传感器无需质量块，结构简单，使用方便。

4)基于挠曲电效应的高g值加速度传感器受电缆影响很小。

5)基于挠曲电效应的高g值加速度传感器受温度变化影响很小。

总之，本发明能够避免传统测量加速度时需要对测量元件单独供电、易受电缆长度、温度变化的影响，需外加质量块等缺点，本发明无需对挠曲电材料圆台供电，具有无外加质量块、量程宽、适用频带宽、实时性良好、重量轻、直接测量、精度高、结构简单等优点。

附图说明

附图为本发明传感器结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。

如附图所示，本发明一种基于挠曲电效应的高g值加速度传感器，包括基体1和绝缘刚性圆柱壳体4，所述基体1为运动体本身，基体1与刚性圆柱壳体4固结，绝缘刚性圆柱壳体4的上盖可移动和锁止，两个挠曲电材料圆台2相对的置于绝缘刚性圆柱壳体4内，通过绝缘刚性圆柱壳体4上盖给两个相对的挠曲电材料圆台2一定的预紧力，挠曲电材料圆台2的上下表面涂有电极3，电极3与电荷放大器5的输入端相连，电荷放大器5的输出端与信号处理、显示、存储模块6相连接。

作为本发明的优选实施方式，在测量不同加速度时，所述挠曲电材料圆台2的大小和采用的挠曲电材料不同。

作为本发明的优选实施方式，所述挠曲电材料圆台2、绝缘刚性圆柱壳体4尺寸较小，对基体1自身运动影响很小。

作为本发明的优选实施方式，所述挠曲电材料圆台2为介电常数大于1的分子结构具有中心对称性的材料，如PVDF、聚四氟乙烯或钛酸锶钡等。

作为本发明的优选实施方式，所述基体1、绝缘刚性圆柱壳体4采用的材料刚度很大。

如图所示，本发明的测量方法为：基体1以高g值加速度振动时，基体1通过与基体1固结的绝缘刚性圆柱壳体4传递给挠曲电材料圆台2，挠曲电材料圆台2受惯性力产生挠曲变形，挠曲电材料圆台2在其挠度方向产生应变梯度，由于挠曲电原理，该无源的挠曲电材料圆台2在其表面产生极化电荷，经电极3传递至电荷放大器5并由其线性转换为相应的电压信号，电压信号经电荷放大器5的输出端传递至信号处理、显示、存储模块6，信号处理、显示、存储模块6进行数据处理并显示基体高g值的加速度。

其中信号处理、显示、存储模块6内部的数据处理主要基于以下方法：

中心对称晶体(即挠曲电材料)中不存在压电效应，材料电极化的简单描述为：

$P_i={\mathrm{\μ}}_{ijkl}\frac{\∂{\mathrm{\ϵ}}_{jk}}{\∂x_l}---\left(1\right)$

其中P_i,ε_jk,μ_ijkl,x_l分别为极化程度、应变、挠曲电系数和梯度方向。对于已知的材料，其挠曲电系数已知。

而电极化可描述为电荷与电荷分布面积的比，即

$\frac{Q_i}{A}={\mathrm{\μ}}_{ijkl}\frac{\∂{\mathrm{\ϵ}}_{jk}}{\∂x_l}---\left(2\right)$

其中Q_i,A分别是电荷量和对应电极的面积。

因此极化电荷的值与应变梯度为比例关系，即通过极化电荷便可知道对应的应变梯度。

由于基体1存在加速度，通过绝缘刚性圆柱壳体4传递给挠曲电材料圆台2，使挠曲电材料圆台2产生挠曲变形，即加速度与挠曲变形存在一定的关系：

$a={\mathrm{k\μ}}_{ijkl}\frac{\∂{\mathrm{\ϵ}}_{jk}}{\∂x_l}---\left(4\right)$

其中a，k,ε_jk，μ_ijkl，x_l分别为基体运动加速度、与材料有关的比例系数，应变、挠曲电系数和梯度方向。

挠曲电材料圆台2在表面上产生极化电荷，通过电极3输出，经过计算可显示基体加速度的变化情况。

Claims (9)

1.一种基于挠曲电效应的高g值加速度传感器，其特征在于：包括基体(1)和绝缘刚性圆柱壳体(4)，所述基体(1)为运动体本身，基体(1)与绝缘刚性圆柱壳体(4)固结，绝缘刚性圆柱壳体(4)的上盖能够移动和锁止，两个挠曲电材料圆台(2)相对的置于绝缘刚性圆柱壳体(4)内，通过绝缘刚性圆柱壳体(4)上盖给两个相对的挠曲电材料圆台(2)一定的预紧力，挠曲电材料圆台(2)的上下表面涂有电极(3)，电极(3)与电荷放大器(5)的输入端相连，电荷放大器(5)的输出端与信号处理、显示、存储模块(6)相连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于挠曲电效应的高g值加速度传感器，其特征在于：在测量不同加速度时，所述挠曲电材料圆台(2)的尺寸和采取材料不同。

3.根据权利要求1所述的一种基于挠曲电效应的高g值加速度传感器，其特征在于：所述挠曲电材料圆台(2)、绝缘刚性圆柱壳体(4)尺寸小，对基体(1)自身运动影响小。

4.根据权利要求1所述的一种基于挠曲电效应的高g值加速度传感器，其特征在于：所述挠曲电材料圆台(2)的材料采用介电常数大于1的分子结构具有中心对称性的材料。

5.根据权利要求4所述的一种基于挠曲电效应的高g值加速度传感器，其特征在于：所述介电常数大于1的分子结构具有中心对称性的材料为PVDF、聚四氟乙烯或钛酸锶钡。

6.根据权利要求1所述的一种基于挠曲电效应的高g值加速度传感器，其特征在于：所述基体(1)、绝缘刚性圆柱壳体(4)采用的材料刚度大。

7.根据权利要求1所述的一种基于挠曲电效应的高g值加速度传感器，其特征在于：所述电极(3)厚度小于挠曲电材料圆台(2)高度至少一个数量级。

8.权利要求1所述的一种基于挠曲电效应的高g值加速度传感器的测量方法，其特征在于：基体(1)以高g值加速度振动时，基体(1)通过与基体(1)固结的绝缘刚性圆柱壳体(4)传递给挠曲电材料圆台(2)，挠曲电材料圆台(2)受惯性力产生挠曲变形，挠曲电材料圆台(2)在其挠度方向产生应变梯度，由于挠曲电原理，该无源的挠曲电材料圆台(2)在其表面产生极化电荷，经电极(3)传递至电荷放大器(5)并由其线性转换为相应的电压信号，电压信号经电荷放大器(5)的输出端传递至信号处理、显示、存储模块(6)，信号处理、显示、存储模块(6)进行数据处理并显示基体高g值的加速度。

9.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于：所述信号处理、显示、存储模块(6)进行数据处理的方法如下：

中心对称晶体即挠曲电材料中不存在压电效应，材料电极化简单描述为：

$P_i={\mathrm{\μ}}_{ijkl}\frac{\∂{\mathrm{\ϵ}}_{jk}}{\∂x_l}---\left(1\right)$

其中P_i,ε_jk,μ_ijkl,x_l分别为极化程度、应变、挠曲电系数和梯度方向；对于已知的材料，其挠曲电系数已知。

而电极化可描述为电荷与电荷分布面积的比，即

$\frac{Q_i}{A}={\mathrm{\μ}}_{ijkl}\frac{\∂{\mathrm{\ϵ}}_{jk}}{\∂x_l}---\left(2\right)$

其中Q_i,，A分别是电荷量和对应电极的面积；

因此极化电荷的值与应变梯度为比例关系，即通过极化电荷便可知道对应的应变梯度。

由于基体(1)存在加速度，通过绝缘刚性圆柱壳体(4)传递给挠曲电材料圆台(2)，使挠曲电材料圆台(2)产生挠曲变形，即加速度与挠曲变形存在一定的关系：

$a={\mathrm{k\μ}}_{ijkl}\frac{\∂{\mathrm{\ϵ}}_{jk}}{\∂x_l}---\left(3\right)$

其中a，k,ε_jk，μ_ijkl，x_l分别为基体运动加速度、与材料有关的比例系数，应变、挠曲电系数和梯度方向；

挠曲电材料圆台(2)在表面上产生极化电荷，通过电极3输出，经过计算可显示基体加速度的变化情况。