CN105547553B - 基于压电驻极体的无源高灵敏冲击力传感器及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压电驻极体的无源高灵敏冲击力传感器及其测试方法。本发明在背电极以及弹片电极上分别设置驻极体层，弹片电极驻极体层与背电极驻极体层之间形成空腔，并构成了一对压电驻极体，表面分别具有异性的极化电荷，弹片电极驻极体层与背电极驻极体层之间形成宏观偶极子，当受到外力时，宏观偶极距改变，形成冲击型的电压峰信号，通过测量电压从而得到外力；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80V/1MPa，具有高冲击高载荷以及超高灵敏度等特点；本发明不需要任何的外载供电，自供电且无需偏执电压，实现无源工作；在目前的冲击力传感器发电技术中展现了低消耗高效率以及超高灵敏度的特点。

Description

基于压电驻极体的无源高灵敏冲击力传感器及其测试方法

技术领域

本发明涉及无源冲击力传感器，具体涉及一种基于压电驻极体的无源高灵敏冲击力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力传感器就有很大的重要性。近年来，冲击力传感器正朝着更低功耗、更高敏感度的方向发展。目前，典型的无源冲击力传感器主要以聚偏氟乙烯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。

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压电驻极体的无源高灵敏冲击力传感器及其测试方法，基于压电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80V/1MPa左右，具有耐高冲击、可测高载荷、高灵敏度且无需后端信号放大电路等特点；并且，本发明中的无源高敏感度冲击力传感器不需要任何外载供电，在正常的运作过程中，可以做到自供电且无需偏执电压；相比较其他的基于驻极体的无源冲击力传感器，它具有更高的灵敏度；在目前的冲击力传感器发电技术中展现了零功耗、自供电以及超高灵敏度的特点。

本发明的一个目的在于提出一种基于压电驻极体的无源高灵敏冲击力传感器。

本发明的基于压电驻极体的无源高灵敏冲击力传感器包括：弹片电极、绝缘垫片、背电极、弹片电极驻极体层、背电极驻极体层、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；背电极驻极体层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，绝缘垫片将弹片电极与背电极之间电学绝缘；弹片电极驻极体层紧密贴合在弹片电极的内表面；弹片电极的形状为中心对称的曲面，在弹片电极驻极体层与背电极驻极体层之间形成空腔，并且构成了一对压电驻极体；背电极驻极体层与弹片电极驻极体层相对的表面分别均匀分布有异性的极化电荷，形成宏观偶极子；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；外力作用在弹片电极上，弹片电极发生形变，弹片电极驻极体层与背电极驻极体层之间的距离发生变化，在弹片电极驻极体层与背电极驻极体层之间的宏观偶极矩发生变化，使得弹片电极和背电极的感应电荷发生变化，造成变化的电荷在导线移动，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和弹片电极上分别设置驻极体层，弹片电极驻极体层与背电极驻极体层之间形成空腔，并且构成了一对压电驻极体，表面分别具有异性的极化电荷，弹片电极驻极体层与背电极驻极体层之间形成宏观偶极子。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，弹片电极驻极体层与背电极驻极体层之间的距离发生变化，在弹片电极驻极体层与背电极驻极体层之间的宏观偶极距也会发生变化，使得弹片电极和背电极的感应电荷发生变化，造成变化的电荷在导线移动。在外力向下压的过程中，产生一个冲击型的电压峰信号。由于背电极的下表面等同于接地状态，背电极的下表面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宏观偶极距发生变化，此时弹片电极的内表面和背电极的上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。由于冲击力或者压力不同，那么空腔也就是一对驻极体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。

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；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，使得两层驻极体层之间不接触，从而不会发生短路现象，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。

弹片电极驻极体层和背电极驻极体层为柔性的驻极体的薄膜，从而可以分别紧贴在弹片电极的内表面以及背电极的上表面。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的极化电荷；厚度在10μm～2mm之间。

弹片电极驻极体层与背电极驻极体层之间形成空腔，内部充满空气；二者之间的距离在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。

本发明的另一个目的在于提供一种基于压电驻极体的无源高灵敏冲击力传感器的测试方法。

本发明的基于压电驻极体的无源高灵敏冲击力传感器的测试方法，包括以下步骤：

1)对两层驻极体层分别进行极化，在两层驻极体层的表面分别形成异性的极化电荷；

2)两层驻极体层分别紧密贴合在背电极的上表面以及弹片电极的内表面，分别形成背电极驻极体层和弹片电极驻极体层，弹片电极通过绝缘垫片设置在背电极上，在背电极驻极体层和弹片电极驻极体层之间形成空腔，弹片电极驻极体层和背电极驻极体层相对的表面分别分布有异性的极化电荷，形成宏观偶极子，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)外力作用在弹片电极上，弹片电极发生形变，弹片电极驻极体层和背电极驻极体层之间的距离发生变化，在弹片电极驻极体层和背电极驻极体层之间的宏观偶极距发生变化，使得弹片电极和背电极的感应电荷发生变化，造成变化的电荷在导线移动，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。

本发明的优点：

本发明在背电极以及弹片电极上分别设置驻极体层，弹片电极驻极体层与背电极驻极体层之间形成空腔，并构成了一对压电驻极体，表面分别具有异性的极化电荷，弹片电极驻极体层与背电极驻极体层之间形成宏观偶极子，当受到外力时，宏观偶极距改变，形成冲击型的电压峰信号，通过测量电压从而得到外力；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80V/1MPa，具有高冲击高载荷以及超高灵敏度等特点；并且，本发明中的高灵敏度冲击力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；在目前的冲击力传感器发电技术中展现了低消耗高效率以及超高灵敏度的特点。本发明的无源冲击力传感器，不仅具有出色的机械性能，而且比现行传感器拥有更高的灵敏度，无需后端信号放大电路，意义重大。

附图说明

图1为本发明的基于压电驻极体的无源高灵敏冲击力传感器的一个实施例的示意图；

图2为本发明的基于压电驻极体的无源高灵敏冲击力传感器的测试电路的结构框图。

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。

如图1所示，本实施例的基于压电驻极体的无源高灵敏冲击力传感器包括：弹片电极1、绝缘垫片2、背电极3、弹片电极驻极体层4、背电极驻极体层5、空腔6、导线和测试电路；其中，背电极3为平板状，采用导电金属材料；在背电极3的上表面并且位于驻极体的周围，设置有绝缘垫片2；弹片电极1通过绝缘垫片2设置在背电极3上，绝缘垫片2将弹片电极1与背电极3之间电学绝缘；背电极驻极体层5紧密贴合在背电极3的上表面，并且弹片电极驻极体层4紧密贴合在弹片电极1的内表面；弹片电极1的形状为中心对称的曲面，在弹片电极驻极体层4与背电极驻极体层5之间形成空腔6，并且构成了一对压电驻极体；背电极驻极体层5与弹片电极驻极体层4相对的表面分别均匀分布有异性的极化电荷，形成宏观偶极子；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，背电极驻极体层5与弹片电极驻极体层4之间的距离发生变化，背电极驻极体层5与弹片电极驻极体层4之间的宏观偶极距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，产生一个冲击外力作用下的电压峰信号，电压值约为80V，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。

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 (9)

1.一种基于压电驻极体的无源高灵敏冲击力传感器，其特征在于，所述冲击力传感器包括：弹片电极、绝缘垫片、背电极、弹片电极驻极体层、背电极驻极体层、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；所述背电极驻极体层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，绝缘垫片将弹片电极与背电极之间电学绝缘；所述弹片电极驻极体层紧密贴合在弹片电极的内表面；所述弹片电极的形状为中心对称的曲面，在弹片电极驻极体层与背电极驻极体层之间形成空腔，并且构成了一对压电驻极体；所述背电极驻极体层与弹片电极驻极体层相对的表面分别均匀分布有异性的极化电荷，形成宏观偶极子；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；外力作用在弹片电极上，弹片电极发生形变，弹片电极驻极体层与背电极驻极体层之间的距离发生变化，在弹片电极驻极体层与背电极驻极体层之间的宏观偶极矩发生变化，使得弹片电极和背电极的感应电荷发生变化，造成变化的电荷在导线移动，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。

2.如权利要求1所述的冲击力传感器，其特征在于，所述弹片电极具有回弹性；材料采用具有弹性的薄导电金属材料。

3.如权利要求1所述的冲击力传感器，其特征在于，所述弹片电极的厚度在5μm～5mm之间。

4.如权利要求1所述的冲击力传感器，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所述的冲击力传感器，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所述的冲击力传感器，其特征在于，所述弹片电极驻极体层和背电极驻极体层为柔性的驻极体的薄膜，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。

7.如权利要求1所述的冲击力传感器，其特征在于，所述弹片电极驻极体层和背电极驻极体层的厚度在10μm～2mm之间。

8.如权利要求1所述的冲击力传感器，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。

9.一种基于压电驻极体的无源高灵敏冲击力传感器的测试方法，其特征在于，所述测试方法包括以下步骤：

1)对两层驻极体层分别进行极化，在两层驻极体层的表面分别形成异性的极化电荷；

2)两层驻极体层分别紧密贴合在背电极的上表面以及弹片电极的内表面，分别形成背电极驻极体层和弹片电极驻极体层，弹片电极通过绝缘垫片设置在背电极上，在背电极驻极体层和弹片电极驻极体层之间形成空腔，弹片电极驻极体层和背电极驻极体层相对的表面分别分布有异性的极化电荷，形成宏观偶极子，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)外力作用在弹片电极上，弹片电极发生形变，弹片电极驻极体层和背电极驻极体层之间的距离发生变化，在弹片电极驻极体层和背电极驻极体层之间的宏观偶极距发生变化，使得弹片电极和背电极的感应电荷发生变化，造成变化的电荷在导线移动，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。