CN105137118B - 一种基于挠曲电效应的流速变化率的传感结构和测量方法 - Google Patents

一种基于挠曲电效应的流速变化率的传感结构和测量方法 Download PDF

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Abstract

一种基于挠曲电效应的流速变化率的传感结构和测量方法，该测量结构包括绝缘层、电极层、挠曲电材料层，多层重复叠加，空余部分用绝缘黏性材料填充，电极层外接导线，组成层板状测量元件，与层板状测量元件连接的电荷放大器，其中电荷放大器的输出端与信号处理、显示、存储模块相连接；测量流速变化率时，将层板状测量元件置于待测流场中，流场内液体或气体冲击层板状测量元件使得各层发生形变，挠曲电材料层产生挠曲变形，在其挠度方向产生了应变梯度，上下表面产生极化电荷，经电极层传递至电荷放大器，经处理显示流速变化率；本发明基于挠曲电原理的层板状测量元件微小，对流场影响极小，并且无需对层板状测量元件供电，具有测量精度高，无外加质量块等特点。

Description

一种基于挠曲电效应的流速变化率的传感结构和测量方法
技术领域
本发明涉及测量技术领域，具体涉及一种基于挠曲电效应的流速变化率的传感结构和测量方法。
背景技术
现有的流量、流速测量技术中，大多采用电磁测量技术、激光测量技术。而除了流速测量，流速变化率的实时监测也在军事、生活中有着重要的应用，如：飞机蒙皮在飞机飞行中，来流速度发生变化，蒙皮受到的力发生变化，飞机飞行受到影响；通过石油管道输送石油时，石油流速变化，石油对管道的冲击力不同，给管道造成的伤害不同；汽车高速行驶时，侧风风速变化率对汽车行驶有着严重的影响。现有的流速变化率测量手段主要基于流量测量、流速测量，通过对流量、流速测量结果进行数字化-差分-计算等步骤来计算得到流速变化率。该方法具有计算繁琐、结构复杂、精度较低等缺点，并且不能实现实时监测。
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。
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流速变化率的传感结构和测量方法。
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。
而电荷量与电压存在一定的关系，即
其中Q,C,U分别是电荷量、电容和电势。
由(1)-(4)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，从而对待测流场内流速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流速变化率的传感结构和测量方法，具有量程宽、响应速度快、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流速变化率的传感结构，包括上下侧的绝缘层1，位于绝缘层1间的多个叠层单元，每个叠层单元包括上下侧的电极层2，位于电极层2间的挠曲电材料层3，所述挠曲电材料层3的长度和宽度均略小于电极层2，电极层2相对于挠曲电材料层3突出部分用绝缘黏性材料4填充，起到粘结和绝缘的作用，所述绝缘层1相对于电极层2突出部分用绝缘黏性材料4填充，起到粘结和绝缘的作用，在绝缘层1和绝缘黏性材料4外围用热缩管紧固，形成层板状测量元件，整个层板状测量元件外围部分均有绝缘材料包裹；所述挠曲电材料层3上下侧的电极层2分别通过导线连接电荷放大器5的输入端，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；所述层板状测量元件的一端用夹持装置夹持，组成悬臂梁结构，夹持装置固定在静止不动的固件上。
在有测量不同来流速度变化率需求时，所述绝缘层1采取的绝缘材料不同，采用的叠层单元层数不同，每一层叠层单元包含一层挠曲电材料层3。
所述层板状测量元件的尺寸远小于待测流场尺寸，对流场的影响极小。
所述挠曲电材料层3为介电常数大于1的分子结构具有中心对称性的材料。
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。
所述绝缘黏性材料4为液态时具有黏性、能够由液态转为固态的绝缘材料。
所述液态时具有黏性、能够由液态转为固态的绝缘材料为环氧树脂。
所述的电极层2厚度小于挠曲电材料层3厚度至少一个数量级。
所述电荷放大器5的放大倍数、信噪比和下限截止频率满足层板状测量元件和待测流场的要求。
上述所述一种基于挠曲电效应的流速变化率的传感结构的测量方法，待测流场内，流体以不同的流速冲击层板状测量元件时，层板状测量元件产生挠曲变形，使得各层发生形变，挠曲电材料层3产生挠曲变形，在其挠度方向产生了应变梯度，由于挠曲电原理，该无源的挠曲电材料层3上下表面产生极化电荷，经电极层2传递至电荷放大器5并由其线性转换为相应的电压信号，该电压信号由电荷放大器5的输出端送至信号处理、显示、存储模块6，信号处理、显示、存储模块6记录并显示流场内的流速变化率。
本发明和现有技术相比，具有如下优点：
1)相比于电磁流量计，所述传感结构无需对流量进行二次微分，可直接测量出流速变化率，实时性好。
2)相比于流速计，所述传感结构无需对流速进行一次微分，可直接测量出流速变化率，实时性好。
3)相比于压电式加速度传感器，所述传感结构无需质量块，基座质量无需太大，结构简单，使用方便。
4)所述层板状测量结构小，对流场的影响极小，并且对流速变化率进行实时的测量，适用于多种流场内，应用范围大。
5)所述层板状测量结构无需供电，减少了系统对电源的需求。
总之，本发明能够避免传统测量流速变化率通过对流量或流速进行微分、测量装置重量大、精度低、结构复杂、实时性较差等缺点，具有量程宽、响应速度快、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
图1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。
如图1所示，本发明一种基于挠曲电效应的流速变化率的传感结构，包括上下侧的绝缘层1，位于绝缘层1间的多个叠层单元，每个叠层单元包括上下侧的电极层2，位于电极层2间的挠曲电材料层3，所述挠曲电材料层3的长度和宽度均略小于电极层2，电极层2相对于挠曲电材料层3突出部分用绝缘黏性材料4填充，起到粘结和绝缘的作用，所述绝缘层1相对于电极层2突出部分用绝缘黏性材料4填充，起到粘结和绝缘的作用，在绝缘层1和绝缘黏性材料4外围用热缩管紧固，形成层板状测量元件，整个层板状测量元件外围部分均有绝缘材料包裹；绝缘层1起到保护电极层2、挠曲电材料层3和绝缘的作用；所述挠曲电材料层3上下侧的电极层2分别通过导线连接电荷放大器5的输入端，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；所述层板状测量元件的一端用夹持装置夹持，组成悬臂梁结构，夹持装置固定在静止不动的固件上。
在有测量不同流速变化率需求时，所述层板状测量元件采取的绝缘材料1不同，如：硅、PVC塑料板等；采用的叠层单元层数不同，每一层叠层单元包含一层挠曲电材料层3。
作为本发明的优选实施方式，所述层板状测量元件尺寸远小于待测流场尺寸，对流场的影响极小。
作为本发明的优选实施方式，所述层板状测量元件中的挠曲电材料层3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、钛酸锶钡等。
作为本发明的优选实施方式，所述层板状测量元件中的绝缘黏性材料4为液态时具有黏性，可由液态转为固态的绝缘材料，如：环氧树脂等，具有良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，所述层板状测量元件中的电极层2厚度小于挠曲电材料层3至少一个数量级，减小电极层对电荷输出的影响。
作为本发明的优选实施方式，所述电荷放大器5的放大倍数、信噪比和下限截止频率满足层板状测量元件和待测流场的要求。
如图1所示，本发明的测量方法为：待测流场内，流体以不同的流速冲击层板状测量元件时，层板状测量元件产生挠曲变形，使得各层发生形变，挠曲电材料层3产生挠曲变形，在其挠度方向产生了应变梯度，由于挠曲电原理，该无源的挠曲电材料层3上下表面产生极化电荷，经电极层2传递至电荷放大器5并由其线性转换为相应的电压信号，该电压信号由电荷放大器的输出端送至信号显示、处理、存储模块6，信号处理、显示、存储模块6记录并显示流场内的流速变化率。

Claims (10)

1.一种基于挠曲电效应的流速变化率的传感结构，其特征在于：包括上下侧的绝缘层(1)，位于绝缘层(1)间的多个叠层单元，每个叠层单元包括上下侧的电极层(2)，位于电极层(2)间的挠曲电材料层(3)，所述挠曲电材料层(3)的长度和宽度均略小于电极层(2)，电极层(2)相对于挠曲电材料层(3)突出部分用绝缘黏性材料(4)填充，起到粘结和绝缘的作用，所述绝缘层(1)相对于电极层(2)突出部分用绝缘黏性材料(4)填充，起到粘结和绝缘的作用，在绝缘层(1)和绝缘黏性材料(4)外围用热缩管紧固，形成层板状测量元件，整个层板状测量元件外围部分均有绝缘材料包裹；所述挠曲电材料层(3)上下侧的电极层分别通过导线连接电荷放大器(5)的输入端，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；所述层板状测量元件的一端用夹持装置夹持，组成悬臂梁结构，夹持装置固定在静止不动的固件上。
2.根据权利要求1所述的一种基于挠曲电效应的流速变化率的传感结构，其特征在于：在有测量不同来流速度变化率需求时，所述绝缘层(1)采取的绝缘材料不同，采用的叠层单元层数不同，每一层叠层单元包含一层挠曲电材料层(3)。
3.根据权利要求1所述的一种基于挠曲电效应的流速变化率的传感结构，其特征在于：所述层板状测量元件的尺寸远小于待测流场尺寸，对流场的影响极小。
4.根据权利要求1所述的一种基于挠曲电效应的流速变化率的传感结构，其特征在于：所述挠曲电材料层(3)为介电常数大于1且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流速变化率的传感结构，其特征在于：所述介电常数大于1且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流速变化率的传感结构，其特征在于：所述绝缘黏性材料(4)为液态时具有黏性、能够由液态转为固态的绝缘材料。
7.根据权利要求6所述的一种基于挠曲电效应的流速变化率的传感结构，其特征在于：所述液态时具有黏性、能够由液态转为固态的绝缘材料为环氧树脂。
8.根据权利要求1所述的一种基于挠曲电效应的流速变化率的传感结构，其特征在于：所述电极层(2)厚度小于挠曲电材料层(3)厚度至少一个数量级。
9.根据权利要求1所述一种基于挠曲电效应的流速变化率的传感结构，其特征在于：所述电荷放大器(5)的放大倍数、信噪比和下限截止频率满足层板状测量元件和待测流场的要求。
10.根据权利要求1所述一种基于挠曲电效应的流速变化率的传感结构的测量方法，其特征在于：待测流场内，流体以不同的流速冲击层板状测量元件时，层板状测量元件产生挠曲变形，使得各层发生形变，挠曲电材料层(3)产生挠曲变形，在其挠度方向产生了应变梯度，由于挠曲电原理，该无源的挠曲电材料层(3)上下表面产生极化电荷，经电极层(2)传递至电荷放大器(5)并由其线性转换为相应的电压信号，该电压信号由电荷放大器(5)的输出端送至信号处理、显示、存储模块(6)，信号处理、显示、存储模块(6)记录并显示流场内的流速变化率。
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Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105571756B (zh) * 2015-12-12 2018-04-17 西安交通大学 一种可用于冲击波检测的高灵敏度挠曲电传感器
CN105486742B (zh) * 2015-12-29 2018-11-09 西安交通大学 通过变截面结构获得剪切向挠曲电系数的测量装置及方法
CN105572173B (zh) * 2015-12-29 2018-07-03 西安交通大学 通过螺旋位移放大结构测量逆挠曲电系数的装置及方法
CN107765030B (zh) * 2017-11-30 2020-06-30 南京航空航天大学 一种感知流速变化的压电纤维阵列传感器及其测量方法
CN110872190A (zh) * 2018-08-30 2020-03-10 中国科学技术大学 一种调节介电材料表观挠曲电效应的方法
CN111072381A (zh) * 2018-10-22 2020-04-28 中国科学技术大学 一种控制介电材料表观挠曲电效应的方法
CN109507450A (zh) * 2018-10-30 2019-03-22 西安交通大学 一种悬臂梁式挠曲电加速度传感器及加速度测量方法
CN113054094B (zh) * 2019-12-26 2024-08-13 中国科学技术大学 一种提高聚合物材料挠曲电响应的方法
CN110987157A (zh) * 2019-12-26 2020-04-10 西安交通大学 悬臂梁挠曲电效应矢量水听器
CN110988494B (zh) * 2019-12-27 2021-01-15 西安交通大学 可调控应变梯度的薄膜材料挠曲电系数测量装置和方法
CN112134490B (zh) * 2020-09-14 2021-12-14 河海大学 一种基于挠曲电效应的梁板复合式水下发电装置及其方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102047088A (zh) * 2008-05-29 2011-05-04 诺基亚公司 挠曲变形传感设备和使用挠曲变形传感设备的用户接口
US8327721B2 (en) * 2009-10-26 2012-12-11 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Sensor fabric for shape perception
CN103616098A (zh) * 2013-12-06 2014-03-05 西安交通大学 一种高精度基于金属弹性元件的挠曲电式压力传感器
CN103630274A (zh) * 2013-12-06 2014-03-12 西安交通大学 一种基于微机电系统的挠曲电式微压力传感器
WO2014036701A1 (zh) * 2012-09-06 2014-03-13 Lu Ming 测量旋流场的压力和速度的工具
CN103674353A (zh) * 2013-12-20 2014-03-26 中南大学 利用pvdf薄膜压电特性的混凝土应力传感器
CN203688004U (zh) * 2014-01-10 2014-07-02 国家纳米科学中心 基于压电电子学效应的流量计
CN104457964A (zh) * 2014-11-28 2015-03-25 西安交通大学 一种基于挠曲电原理的双轴振动传感器

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102047088A (zh) * 2008-05-29 2011-05-04 诺基亚公司 挠曲变形传感设备和使用挠曲变形传感设备的用户接口
US8327721B2 (en) * 2009-10-26 2012-12-11 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Sensor fabric for shape perception
WO2014036701A1 (zh) * 2012-09-06 2014-03-13 Lu Ming 测量旋流场的压力和速度的工具
CN103616098A (zh) * 2013-12-06 2014-03-05 西安交通大学 一种高精度基于金属弹性元件的挠曲电式压力传感器
CN103630274A (zh) * 2013-12-06 2014-03-12 西安交通大学 一种基于微机电系统的挠曲电式微压力传感器
CN103674353A (zh) * 2013-12-20 2014-03-26 中南大学 利用pvdf薄膜压电特性的混凝土应力传感器
CN203688004U (zh) * 2014-01-10 2014-07-02 国家纳米科学中心 基于压电电子学效应的流量计
CN104457964A (zh) * 2014-11-28 2015-03-25 西安交通大学 一种基于挠曲电原理的双轴振动传感器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
《基于挠曲电效应的应变梯度传感器的研制》;骆英等;《第十五届北方七省市区力学学会学术会议论文集（一）》;20140801;全文 *

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