CN105509948A - 一种基于驻极体的无源冲击力学传感器及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于驻极体的无源冲击力学传感器及其测试方法。本发明在背电极或弹片电极上设置驻极体，驻极体的表面分布有极化电荷，在驻极体与弹片电极或背电极之间形成电容，当冲击外力作用在弹片电极上时，弹片电极发生形变，等效可变电容改变，形成了冲击外力作用下的电压峰信号，电压峰信号输入至测试电路中，经过计算最终得到冲击外力的数字信号值；本发明的结构提供一个冲击电压，灵敏度可达10V/1MPa，具有高冲击高载荷以及高灵敏度等特点；并且，本发明中的冲击力学传感器不需要任何的外载供电，在正常的运作过程中，可以做到自供电且无需偏执电压，实现无源工作；在目前的冲击传感器发电技术中展现了低消耗高效率的特点。

Description

一种基于驻极体的无源冲击力学传感器及其测试方法

技术领域

本发明涉及无源冲击传感器，具体涉及一种基于驻极体的无源冲击力学传感器及其测试方法。

背景技术

振动冲击是自然界和工程界广泛存在的现象，尤其是随着航天飞行器的进步和汽车业的发展，使用低成本高效率的冲击传感器就有很大的重要性。近年来，冲击力学传感器正朝着更低功耗、更高敏感度的方向发展。目前，典型的无源冲击力学传感器主要以PVDF压电柔性材料和PZT压电陶瓷为敏感材料，能实现自供电力学敏感。然而，PVDF压电柔性材料的压电敏感度较低，小于30pC/N，难以准确测量微弱冲击力；PZT压电陶瓷的压电敏感度很高，大于200pC/N，但它属于硬脆陶瓷材料，在冲击力较大时，会造成压电陶瓷的结构破坏。

因此，研究一种新型无源冲击力学传感器，兼有超高敏感度和出色机械性能，意义重大。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于驻极体的无源冲击力学传感器，基于驻极体机理和使用特殊的冲击力的结构方式产生一个极强的冲击电压信号，灵敏度可达10V/1MPa左右，具有耐高冲击、可测高载荷以及高灵敏度等特点；并且，本发明中的无源冲击力学传感器是不需要任何的外载供电的，在正常的运作过程中，可以做到自供电且无需偏执电压；在目前的冲击传感器发电技术中展现了零功耗、自供电的特点。

本发明的一个目的在于提出一种基于驻极体的无源冲击力学传感器。

在本发明中，驻极体可以紧密贴合背电极设置，还可以紧密贴合弹片电极。

驻极体紧密贴合背电极，本发明的基于驻极体的无源冲击力学传感器包括：冲击力学传感器包括：弹片电极、绝缘垫片、背电极、驻极体、空腔、导线和测试电路；其中，背电极为平板状，采用导电金属材料；驻极体紧密贴合在背电极的上表面；在背电极的上表面并且位于驻极体的周围，设置有绝缘垫片；弹片电极通过绝缘垫片设置在背电极上方，绝缘垫片将弹片电极与背电极之间电学绝缘；弹片电极的形状为中心对称的曲面，在弹片电极与驻极体之间形成空腔，并且绝缘垫片将弹片电极与驻极体绝缘；在驻极体的上表面均匀分布有极化电荷，弹片电极的内表面由于电荷感应具有与驻极体的电荷相反的电荷，形成等效可变电容；弹片电极的外表面和背电极的下表面分别通过导线连接至测试电路的输入端；冲击外力作用在弹片电极上，弹片电极发生形变，弹片电极与驻极体之间的距离发生变化，在弹片电极与驻极体之间的空腔的等效可变电容发生变化，导致感应电荷发生变化，使得电荷在导线移动，形成了冲击外力作用下的电压峰信号；电压峰信号输入至测试电路中，经过计算最终得到冲击外力的数字信号值。

本发明采用在背电极上设置驻极体，驻极体与弹片电极之间形成空腔，在驻极体的表面具有极化电荷，由于电荷感应，弹片电极的内表面产生相反的电荷，驻极体与弹片电极之间形成电容。当外力(冲击力或压力)作用在弹片电极上时，弹片电极受制于压力而产生形变，弹片电极和驻极体之间的距离发生变化，在空腔的范围之内，电容也会发生变化而导致感应电荷发生移动。在外力向下压的过程中，产生一个冲击型的电压峰信号。在这个时候由于背电极等同于接地状态，背电极与地面之间的电容的值是不会发生任何改变的，但是由于距离的减小，弹片电极和背电极之间的电容增大，此时弹片电极内表面的感应电荷改变，同时外表面产生相反的感应电荷，随导线线流出，形成电流，进而在两端就会有一定的电压，由测试电路探测出这个电压。由于冲击力或者是压力不同，那么空腔里的高度变化也是不同的，所以产生的电流以及电压都不一样。当压力或者冲击力释放的时候，空腔的高度变大，那么同样的道理，会产生一个相反的电压。测试电路测量电压，从而得到压力或者冲击力的值。

驻极体紧密贴合弹片电极，本发明的基于驻极体的无源冲击力学传感器包括：弹片电极、绝缘垫片、背电极、驻极体、空腔、导线和测试电路；其中，背电极为平板状，采用导电金属材料；在背电极的上表面并且位于驻极体的周围，设置有绝缘垫片；弹片电极的底边缘通过绝缘垫片设置在背电极上方，绝缘垫片将弹片电极与背电极之间电学绝缘；弹片电极的形状为中心对称的曲面；驻极体的上表面紧密贴合在弹片电极的内表面，在驻极体与背电极之间形成空腔，并且绝缘垫片将背电极与驻极体绝缘；在驻极体的下表面均匀分布有极化电荷，背电极的上表面由于电荷感应具有与驻极体的电荷相反的电荷，形成等效可变电容；弹片电极的外表面和背电极的下表面分别通过导线连接至测试电路；冲击外力作用在弹片电极上，弹片电极发生形变，驻极体与背电极之间的距离发生变化，在背电极与驻极体之间的空腔的等效可变电容发生变化，导致感应电荷发生变化，使得电荷在导线移动，形成了冲击外力作用下的电压峰信号；电压峰信号输入至测试电路中，经过计算最终得到冲击外力的数字信号值。

弹片电极作为上电极，当外力施加于弹片电极时，弹片电极变形，并且具有一定的回弹性，以满足动态脉宽响应范围；材料采用钢、合金或者铁等具有弹性的薄导电金属材料；厚度在5μm～5mm之间。弹片电极的形状为球面或椭球面的一部分；或者弹片电极的顶部为平面且侧面为曲面。

绝缘垫片提供一个高度，使得驻极体不与弹性电极或背电极接触而发生短路现象，材料采用非弹性的绝缘体，可以是陶瓷或玻璃等；厚度在10μm～2mm之间。

背电极作为下电极，材料采用钢、合金或者铁等导电金属材料；但与上电极不同的是，背电极不需要弹性形变，所以是平板状的。

驻极体的材料采用派瑞林Parylene、特氟龙Teflon和二氧化硅中的一种，一个表面具有负或正电荷，从而使得弹片电极的内表面或者背电极的上表面由于电荷感应产生的相反的电荷；厚度在10μm～2mm之间。驻极体的材料为柔性材料，能够紧密贴合在背电极的上表面或者弹片电极的内表面。

弹片电极与驻极体之间，或者驻极体与背电极之间形成空腔，内部充满空气；弹片电极与驻极体之间的距离在10μm～1mm之间。

测试电路包括电压跟随器、整流滤波基本电路、检波器、无线传输器以及微控制单元；其中，弹片电极与背电极之间的电压峰信号通过导线输入至电压跟随器，进行阻抗匹配；经整流滤波基本电路滤掉电路当中不明噪音；检波器对信号进行检测，当有触发电压产生时，检波器产生一个触发信号，然后通过无线传输器将触发信号传输到微控制单元；微控制单元对触发信号进行采集和整合，经过计算最终得到冲击外力的数字信号值。

驻极体紧密贴合背电极，本发明的另一个目的在于提供一种基于驻极体的无源冲击力学传感器的测试方法。

本发明的基于驻极体的无源冲击力学传感器的测试方法，包括以下步骤：

1)对驻极体进行极化，在驻极体的表面形成极化电荷；

2)驻极体紧密贴合在背电极的上表面，弹片电极的底边缘通过绝缘垫片设置在背电极上，在弹片电极与驻极体之间形成空腔，弹片电极的内表面由于电荷感应具有与驻极体的电荷相反的电荷，形成等效可变电容，弹片电极的外表面和背电极的下表面分别通过导线连接至测试电路的输入端；

3)冲击外力作用在弹片电极上，弹片电极发生形变，弹片电极与驻极体之间的距离发生变化，在弹片电极与驻极体之间的空腔的等效可变电容发生变化，导致感应电荷发生变化，使得电荷在导线移动，形成了冲击外力作用下的电压峰信号；

4)电压峰信号通过导线输入至电压跟随器，进行阻抗匹配；经整流滤波电路滤掉电路当中不明噪音；检波器对信号进行检测，当有触发电压产生时，检波器产生一个触发信号，然后通过无线传输器将触发信号传输到微控制单元；微控制单元对触发信号进行采集和整合，经过计算最终得到冲击外力的数字信号值。

驻极体紧密贴合弹片电极，本发明的基于驻极体的无源冲击力学传感器的测试方法，包括以下步骤：

1)对驻极体进行极化，在驻极体的表面形成极化电荷；

2)驻极体的上表面紧密贴合在弹片电极的内表面，在驻极体与背电极之间形成空腔，并且绝缘垫片将背电极与驻极体绝缘；在驻极体的下表面均匀分布有极化电荷，背电极的上表面由于电荷感应具有与驻极体的电荷相反的电荷，形成等效可变电容；弹片电极的外表面和背电极的下表面分别通过导线连接至测试电路；

3)冲击外力作用在弹片电极上，弹片电极发生形变，驻极体与背电极之间的距离发生变化，在背电极与驻极体之间的空腔的等效可变电容发生变化，导致感应电荷发生变化，使得电荷沿导线移动，形成了冲击外力作用下的电压峰信号；

4)电压峰信号通过导线输入至电压跟随器，进行阻抗匹配；经整流滤波电路滤掉电路当中不明噪音；检波器对信号进行检测，当有触发电压产生时，检波器产生一个触发信号，然后通过无线传输器将触发信号传输到微控制单元；微控制单元对触发信号进行采集和整合，经过计算最终得到冲击外力的数字信号值。

本发明的优点：

本发明在背电极或弹片电极上设置驻极体，驻极体的表面分布有极化电荷，在驻极体与弹片电极或背电极之间形成电容，当冲击外力作用在弹片电极上时，弹片电极发生形变，等效可变电容改变，形成了冲击外力作用下的电压峰信号，电压峰信号输入至测试电路中，经过计算最终得到冲击外力的数字信号值；本发明使用特殊的冲击力的结构方式提供一个冲击电压，灵敏度可达10V/1MPa，具有高冲击高载荷以及高灵敏度等特点；并且，本发明中的冲击力学传感器不需要任何的外载供电，在正常的运作过程中，可以做到自供电且无需偏执电压，实现无源工作；在目前的冲击传感器发电技术中展现了低消耗高效率的特点。

附图说明

图1为本发明的基于驻极体的无源冲击力学传感器实施例一的示意图；

图2为本发明的本发明的基于驻极体的无源冲击力学传感器的测试电路的结构框图；

图3本发明的基于驻极体的无源冲击力学传感器实施例二的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

实施例一

在本实施例中，驻极体紧密贴合背电极。

如图1所示，本实施例的基于驻极体的无源冲击力学传感器包括：弹片电极1、绝缘垫片2、背电极3、驻极体4、空腔5、导线6和测试电路；其中，背电极3为平板状；驻极体4紧密贴合在背电极3的上表面；在背电极3的上表面并且位于驻极体4的周围，设置有绝缘垫片2；弹片电极1包括顶部的平面和侧面的曲面，弹片电极的侧面的底边缘通过绝缘垫片设置在背电极3上，在弹片电极与驻极体之间形成空腔5，并且绝缘垫片将弹片电极与驻极体绝缘；在驻极体4的上表面均匀分布有极化电荷，弹片电极的内表面由于电荷感应具有与驻极体的电荷相反的电荷，形成等效可变电容；弹片电极1的外表面和背电极3的下表面分别通过导线连接至测试电路的输入端。

如图2所示，测试电路包括依次连接的电压跟随器、整流滤波基本电路、检波器、无线传输器以及微控制单元。

当外力作用在弹片电极上时，弹片电极受制于压力而产生形变，弹片电极和驻极体之间的距离发生变化，在空腔的范围之内，等效可变电容也会发生变化而导致感应电荷发生移动。在外力向下压的过程中，形成了冲击外力作用下的电压峰信号，电压值约为40V，脉宽为0.7毫秒，周期约为1毫秒，连接测试电路观察测量电压值。

实施例二

如图3所示，在本实施例中，驻极体4的上表面紧密贴合在弹片电极1的内表面，在驻极体与背电极之间形成空腔5，并且绝缘垫片2将背电极3与驻极体4绝缘；在驻极体4的下表面均匀分布有极化电荷，背电极的上表面由于电荷感应具有与驻极体的电荷相反的电荷，形成等效可变电容。其他同实施例一。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种基于驻极体的无源冲击力学传感器，其特征在于，所述冲击力学传感器包括：弹片电极、绝缘垫片、背电极、驻极体、空腔、导线和测试电路；其中，所述背电极为平板状，采用导电金属材料；驻极体紧密贴合在背电极的上表面；在背电极的上表面并且位于驻极体的周围，设置有绝缘垫片；所述弹片电极通过绝缘垫片设置在背电极上方，绝缘垫片将弹片电极与背电极之间电学绝缘；所述弹片电极的形状为中心对称的曲面，在弹片电极与驻极体之间形成空腔，并且绝缘垫片将弹片电极与驻极体绝缘；在驻极体的上表面均匀分布有极化电荷，弹片电极的内表面由于电荷感应具有与驻极体的电荷相反的电荷，形成等效可变电容；所述弹片电极的外表面和背电极的下表面分别通过导线连接至测试电路的输入端；冲击外力作用在弹片电极上，弹片电极发生形变，弹片电极与驻极体之间的距离发生变化，在弹片电极与驻极体之间的空腔的等效可变电容发生变化，导致感应电荷发生变化，使得电荷在导线移动，形成了冲击外力作用下的电压峰信号；所述电压峰信号输入至测试电路中，经过计算最终得到冲击外力的数字信号值。

2.一种基于驻极体的无源冲击力学传感器，其特征在于，所述无源冲击力学传感器包括：弹片电极、绝缘垫片、背电极、驻极体、空腔、导线和测试电路；其中，所述背电极为平板状，采用导电金属材料；在背电极的上表面并且位于驻极体的周围，设置有绝缘垫片；所述弹片电极的底边缘通过绝缘垫片设置在背电极上方，绝缘垫片将弹片电极与背电极之间电学绝缘；所述弹片电极的形状为中心对称的曲面；所述驻极体的上表面紧密贴合在弹片电极的内表面，在驻极体与背电极之间形成空腔，并且绝缘垫片将背电极与驻极体绝缘；在驻极体的下表面均匀分布有极化电荷，背电极的上表面由于电荷感应具有与驻极体的电荷相反的电荷，形成等效可变电容；所述弹片电极的外表面和背电极的下表面分别通过导线连接至测试电路；冲击外力作用在弹片电极上，弹片电极发生形变，驻极体与背电极之间的距离发生变化，在背电极与驻极体之间的空腔的等效可变电容发生变化，导致感应电荷发生变化，使得电荷沿导线移动，形成了冲击外力作用下的电压峰信号；所述电压峰信号输入至测试电路中，经过计算最终得到冲击外力的数字信号值。

3.如权利要求1或2所述的无源冲击力学传感器，其特征在于，所述弹片电极具有一定的回弹性；材料采用具有弹性的薄导电金属材料；厚度在5μm～5mm之间。

4.如权利要求1或2所述的无源冲击力学传感器，其特征在于，所述弹片电极的形状为球面或椭球面的一部分；或者弹片电极的顶部为平面且侧面为曲面。

5.如权利要求1或2所述的无源冲击力学传感器，其特征在于，所述绝缘垫片的材料采用非弹性的绝缘体；厚度在10μm～2mm之间。

6.如权利要求1或2所述的无源冲击力学传感器，其特征在于，所述背电极的材料采用导电金属材料。

7.如权利要求1或2所述的无源冲击力学传感器，其特征在于，所述驻极体的材料采用派瑞林Parylene、特氟龙Teflon和二氧化硅中的一种；厚度在10μm～2mm之间。

8.如权利要求1或2所述的无源冲击力学传感器，其特征在于，所述测试电路包括电压跟随器、整流滤波基本电路、检波器、无线传输器以及微控制单元；其中，弹片电极与背电极之间的电压峰信号通过导线输入至电压跟随器，进行阻抗匹配；经整流滤波基本电路滤掉电路当中不明噪音；检波器对信号进行检测，当有触发电压产生时，检波器产生一个触发信号，然后通过无线传输器将触发信号传输到微控制单元；微控制单元对触发信号进行采集和整合，经过计算最终得到冲击外力的数字信号值。

9.一种基于驻极体的无源冲击力学传感器的测试方法，其特征在于，驻极体紧密贴合背电极，所述测试方法包括以下步骤：

1)对驻极体进行极化，在驻极体的表面形成极化电荷；

2)驻极体紧密贴合在背电极的上表面，弹片电极的底边缘通过绝缘垫片设置在背电极上，在弹片电极与驻极体之间形成空腔，弹片电极的内表面由于电荷感应具有与驻极体的电荷相反的电荷，形成电容，弹片电极的外表面和背电极的下表面分别通过导线连接至测试电路的输入端；

3)冲击外力作用在弹片电极上，弹片电极发生形变，弹片电极与驻极体之间的距离发生变化，在弹片电极与驻极体之间的空腔的等效可变电容发生变化，导致感应电荷发生变化，使得电荷在导线移动，形成了冲击外力作用下的电压峰信号；

4)电压峰信号通过导线输入至电压跟随器，进行阻抗匹配；经整流滤波电路滤掉电路当中不明噪音；检波器对信号进行检测，当有触发电压产生时，检波器产生一个触发信号，然后通过无线传输器将触发信号传输到微控制单元；微控制单元对触发信号进行采集和整合，经过计算最终得到冲击外力的数字信号值。

10.一种基于驻极体的无源冲击力学传感器的测试方法，其特征在于，驻极体紧密贴合弹片电极，所述测试方法包括以下步骤：

1)对驻极体进行极化，在驻极体的表面形成极化电荷；

2)驻极体的上表面紧密贴合在弹片电极的内表面，在驻极体与背电极之间形成空腔，并且绝缘垫片将背电极与驻极体绝缘；在驻极体的下表面均匀分布有极化电荷，背电极的上表面由于电荷感应具有与驻极体的电荷相反的电荷，形成等效可变电容；弹片电极的外表面和背电极的下表面分别通过导线连接至测试电路；

3)冲击外力作用在弹片电极上，弹片电极发生形变，驻极体与背电极之间的距离发生变化，在背电极与驻极体之间的空腔的等效可变电容发生变化，导致感应电荷发生变化，使得电荷沿导线移动，形成了冲击外力作用下的电压峰信号；

4)电压峰信号通过导线输入至电压跟随器，进行阻抗匹配；经整流滤波电路滤掉电路当中不明噪音；检波器对信号进行检测，当有触发电压产生时，检波器产生一个触发信号，然后通过无线传输器将触发信号传输到微控制单元；微控制单元对触发信号进行采集和整合，经过计算最终得到冲击外力的数字信号值。