CN104457964B - 一种基于挠曲电原理的双轴振动传感器 - Google Patents

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Abstract

一种基于挠曲电原理的双轴振动传感器，包括具有大挠曲电系数的传感单元，沿传感单元长度方向四个表面附着的互不连接的电极，传感单元通过环氧胶连接在待测结构的侧面，电极与双路电荷放大器相电连接，双路电荷放大器与信号处理电路相电连接，信号处理电路与存储与显示模块相电连接；当待测结构发生双轴振动时，位于其侧部的传感单元产生相应的挠曲变形，在其挠度方向产生了应变梯度，该无源的传感单元将输出两组相应的极化电荷，通过对该电荷的实时测量与分析，得出待测结构的实时双轴振动情况；无需对该传感单元进行供电，亦无需再行设置敏感元件，可直接对由振动产生的输出电荷信号进行分析和处理，便可得到待测结构双轴的实时振动情况。

Description

一种基于挠曲电原理的双轴振动传感器
技术领域
本发明涉及振动传感器技术领域，具体涉及一种基于挠曲电原理的双轴振动传感器。
背景技术
进行在线监测大型结构的复杂振动情况时，目前多采用多个应变片或压电传感单元的方法，由于应变片具有能够静态测量、灵敏度高等优点而被广泛使用，但因其需要稳定电源供电，其应用范围受到了一定限制；压电材料传感单元进行在线监测时不需对传感单元进行供电，且具有较高的灵敏度和较好的高频振动测量特性，也被广泛采用。而目前在低频无源振动传感器的发展相对较为欠缺，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。
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：
其中Pi,eijk,σjk,εjk,μijkl,xl分别为极化程度，压电常数、应力、应变、挠曲电常数和梯度方向，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，由于在分子中心对称晶体中不存在压电效应，因此只有第二项存在，即
而电极化可描述为电荷与电荷分布面积的比，即
其中Qi,A分别是电荷量和电荷所分布的面积。
由(1)-(3)可以看出，在材料、试件等条件一定的情况下，分子中心对称晶体的极化电荷输出与其应变梯度成正比。因此，本发明采用了通过应变梯度实现电荷输出的原理，从而对待测结构的振动情况进行实时监测。
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。
已有实验表明，基于挠曲电现象电极化测量能够在较低频率范围实现较高信噪比输出。因此，若能利用挠曲电现象实现应变信号的测量，即在不对传感单元供电的情况下将应力或应变信号转换为应变梯度信号，则该传感器能够弥补现有传感器的不足，并为环境安全做出积极的贡献。
发明内容
为了弥补上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于挠曲电原理的双轴振动传感器，由于传感元件本身具有输出电信号的能力，因此无需对该传感单元进行供电，亦无需再行设置敏感元件，可直接对由振动产生的输出电荷信号进行分析和处理，便可得到待测结构双轴的实时振动情况。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于挠曲电原理的双轴振动传感器，包括具有大挠曲电系数的传感单元1，沿传感单元1长度方向四个表面附着的互不连接的电极2，传感单元1通过环氧胶3连接在待测结构7的侧面，电极2与双路电荷放大器4相电连接，双路电荷放大器4与信号处理电路5相电连接，信号处理电路5与存储与显示模块6相电连接；当待测结构7发生双轴振动时，位于其侧部的传感单元1产生相应的挠曲变形，在其挠度方向产生了应变梯度，该无源的传感单元1将输出两组相应的极化电荷，这两组电荷被送入双路电荷放大器4中并由其线性地转换为相应的电压信号，再由信号处理电路5进行处理后输送至储存与显示模块6，通过标定和时间同步，便能够准确地获得待测结构的实时振动情况。
所述传感单元1的挠曲电系数大于10-10C/m数量级。
所述传感单元1采用介电常数大于1的分子结构具有中心对称性的材料，且传感单元1的尺寸小于待测结构7的尺寸至少一个数量级。
所述传感单元1的材料为PVDF、聚四氟乙烯或钛酸锶钡。
所述传感单元1连接待测结构7的一面的端部具有斜缺口。
所述环氧胶3厚度小于传感单元1厚度一个数量级，具有较好的绝缘特性和较强的附着力。
所述双路电荷放大器4的放大倍数、信噪比和下限截止频率满足传感单元1和待测结构7的要求。
所述电极2具有良好的导电性和较小的附着刚度，如导电银漆、喷金电极等。
所述双路电荷放大器4和信号处理电路5与传感单元1的阻抗、幅频特性及待测结构7的振动频率范围相匹配。
本发明和现有技术相比，具有如下优点：
1)相比于传统的需要稳定供电的应变片测量手段，本发明采取了无源式的测量手段，减小了系统对电源的需求，扩展了传感器的应用范围。
2)相比于应变片等单轴向敏感元件，本发明所涉及的传感单元1具有同时测量双轴测量的功能，无需考虑多个敏感元件的位置布置问题。
3)相比于压电传感器的中高频测量范围，本发明具有良好的低频测量功能，能够解决目前工程问题中较为突出的低频、超低频范围的测量难题。
4)通过双向同步测量的方式，能够实时地描述出待测结构真实的振动情况。
总之，本发明能够实现基于挠曲电原理的无源双轴振动实时测量功能，弥补了现有技术的不足。
附图说明
附图为本发明结构示意图。
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原理的双轴振动传感器，包括具有挠曲电系数的传感单元1，沿传感单元1长度方向四个表面附着的互不连接的电极2，传感单元1通过环氧胶3连接在待测结构7的侧面，电极2与双路电荷放大器4相电连接，双路电荷放大器4与信号处理电路5相电连接，信号处理电路5与存储与显示模块6相电连接。
所述传感单元1的挠曲电系数大于10-10C/m数量级。
所述传感单元1采用介电常数大于1的的分子结构具有中心对称性的材料，且传感单元1的尺寸远小于待测结构7的尺寸。如传感单元1的材料采用PVDF、聚四氟乙烯、钛酸锶钡等。
作为本发明的优选实施方式，所述传感单元1连接待测结构7的一面的端部具有斜缺口，给电极连接预留位置，以便连接电极与导线而不影响其反映待测结构的真实振动情况。
作为本发明的优选实施方式，所述环氧胶3厚度小于传感单元1厚度至少一个数量级，具有较好的绝缘特性和较强的附着力。
作为本发明的优选实施方式，所述双路电荷放大器4的放大倍数、信噪比和下限截止频率满足传感单元1和待测结构7的要求。
作为本发明的优选实施方式，所述电极2具有良好的导电性和较小的附着刚度，如导电银漆、喷金电极等。
作为本发明的优选实施方式，所述双路电荷放大器4和信号处理电路5与传感单元1的阻抗、幅频特性及待测结构7的振动频率范围相匹配。
如附图所示，本发明的工作原理为：待测结构7发生双轴(横向和纵向)振动时，位于其侧部的传感单元1经环氧胶3与待测结构7相连接，则传感单元1产生相应的挠曲变形，在其挠度方向产生了应变梯度，由于挠曲电原理，该无源的传感单元1将输出两组相应的极化电荷，由背景技术中描述的式(3)可知该电荷线性地反映了其横向和纵向的振动幅值和频率。这两组电荷被送入双路电荷放大器4中并由其线性地转换为相应的电压信号，该信号由双路电荷放大器4的输出端送至信号处理电路5，并由信号处理电路5进行处理后由其输出端送至储存与显示模块6。通过双轴各自的应变幅度-电荷输出的标定和对双路信号的同步授时，便可准确地获得待测结构的实时振动情况。

Claims (5)

1.一种基于挠曲电原理的双轴振动传感器，其特征在于：包括具有大挠曲电系数的传感单元(1)，沿传感单元(1)长度方向四个表面附着的互不连接的电极(2)，传感单元(1)通过环氧胶(3)连接在待测结构(7)的侧面，电极(2)与双路电荷放大器(4)相电连接，双路电荷放大器(4)与信号处理电路(5)相电连接，信号处理电路(5)与存储与显示模块(6)相电连接；
所述传感单元(1)的材料为PVDF、聚四氟乙烯或钛酸锶钡；
所述双路电荷放大器(4)的放大倍数、信噪比和下限截止频率满足传感单元(1)和待测结构(7)的要求；
所述双路电荷放大器(4)和信号处理电路(5)与传感单元(1)的阻抗、幅频特性及待测结构(7)的振动频率范围相匹配。
2.根据权利要求1所述的一种基于挠曲电原理的双轴振动传感器，其特征在于：所述传感单元(1)的挠曲电系数大于10-10C/m数量级。
3.根据权利要求1所述的一种基于挠曲电原理的双轴振动传感器，其特征在于：所述传感单元(1)的尺寸小于待测结构(7)的尺寸至少一个数量级。
4.根据权利要求1所述的一种基于挠曲电原理的双轴振动传感器，其特征在于：所述传感单元(1)连接待测结构(7)的一面的端部具有斜缺口。
5.根据权利要求1所述的一种基于挠曲电原理的双轴振动传感器，其特征在于：所述环氧胶(3)厚度小于传感单元(1)厚度至少一个数量级。
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