CN109212263B - 一种圆台阵列式挠曲电加速度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种圆台阵列式挠曲电加速度传感器，包括底座、预紧螺栓、质量块、两只金属电极、上隔离电极板、下隔离电极板和p层上下叠加排布的探测面阵，每层探测面阵包括q只水平排布的敏感单元，本发明通过在质量块惯性力压缩作用下圆台阵列式敏感单元产生的应变梯度与基于挠曲电效应产生电荷信号之间的线性关系，来测量加速度的大小，从而实现对振动等力学参数的测量。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种基于圆台阵列的高灵敏度挠曲电加速度传感器。
背景技术
智能材料是现代新材料发展的重要方向之一，它的研制和大规模应用将引起材料科学发展的重大革命。在很多智能材料中存在着力-电耦合效应。基于力-电耦合效应制备的传感器在航空、航天、航海、土木工程得以广泛的应用。挠曲电效应是指由非均匀应变场或应变梯度产生电极化现象，即使对于中心对称晶体，挠曲电效应同样可以使材料产生电极化。由于对晶体结构对称性相对宽松的要求，挠曲电效应普遍存在于所有的电介质中，包括非压电材料和各向同性材料。另外，挠曲电效应具有长期稳定性，使之成为大型柔性结构长期健康监测的理想传感元件。
目前基于纵向挠曲电效应设计的压力传感器主要是以单个梯形结构的挠曲电材料为元件，受压时沿高度产生应变梯度，从而由于挠曲电效应产生电荷，如发明专利一种基于测量电荷的挠曲电系数直接测量装置及方法(授权公告号CP 103913643B)。但这种结构的压力传感器存在一些缺点：单个梯形结构挠曲电材料产生的电信号比较微弱，难于精确测量，同时灵敏度较低；梯形台结构会在棱角处产生压力集中，从而使测量准确性降低；材料易发生破坏，进而使传感器寿命变短。另外，目前传感器产生的电信号是由挠曲电圆台受惯性力发生变形产生，这种靠圆台自身产生的惯性力较小，从而产生的电荷较小也不易精确测量。
发明内容
基于以上现有挠曲电压力加传感器的不足，现设计一种基于圆台阵列的高灵敏度挠曲电加速度传感器，通过在质量块惯性力压缩作用下两层若干只敏感单元产生的应变梯度与基于挠曲电效应产生电荷信号之间的线性关系，来测量加速度的大小，从而实现对振动的测量。
为了达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种圆台阵列式挠曲电加速度传感器，包括底座、预紧螺栓、质量块、两只金属电极、上隔离电极板、下隔离电极板和p层上下叠加排布的探测面阵，每层探测面阵包括q只水平排布的敏感单元，p层探测面阵设置在上隔离电极板和下隔离电极板之间；探测面阵的上下方均设置有石墨电极板，每层探测面阵上方的石墨电极板通过引线连接导通，每层探测面阵下方的石墨电极板通过引线连接导通，相邻层的石墨电极板之间用绝缘介质隔离，上隔离电极板和下隔离电极板的内层表面导电、外层表面隔离；所述的质量块设置在上隔离电极板的上表面，预紧螺栓一端固定在质量块上，另一端固定在底座上，将下隔离电极板压紧在底座上，两只金属电极分别与上隔离电极板和下隔离电极板电连通。
上述圆台阵列式挠曲电加速度传感器中，绝缘介质为绝缘胶，将相邻层的石墨电极板粘接为一体。
上述圆台阵列式挠曲电加速度传感器中，敏感单元和预紧螺栓之间的空隙采用环氧树脂填充。
上述圆台阵列式挠曲电加速度传感器中，壳体粘接在底座上端，将传感器部件密封在内。
上述圆台阵列式挠曲电加速度传感器中，上隔离电极板、下隔离电极板均为单面PCB板，与两只金属电极焊接导通。
上述圆台阵列式挠曲电加速度传感器中，p＝2，q＝12。
上述圆台阵列式挠曲电加速度传感器中，敏感单元为挠曲电介电材料制成的圆台。
上述圆台阵列式挠曲电加速度传感器中，挠曲电介电材料为非极化锡钛酸钡Ba(Ti0.87Sn0.13)O3，简称BTS。
上述圆台阵列式挠曲电加速度传感器中，金属电极为银棒或铜棒，焊接在PCB板的覆铜板上。
上述圆台阵列式挠曲电加速度传感器中，底座采用合金钢制成，壳体采用环氧树脂制成，质量块为中间带有通孔的圆形钨块。
和现有技术相比较，本发明具有以下优点：
1)本发明采用两层12个圆台形挠曲电材料元件，受压后由于挠曲电效应产生的电信号幅度增大，由于挠曲电效应具有尺寸依赖性，随块体尺寸的减小灵敏度增加，相对于传统单个梯形挠曲电材料元件，本发明所用圆台数量增多，单个尺寸减小，灵敏度增加，且传感器结构更加紧凑。
2)本发明采用预紧螺栓将质量块与底座连接起来使结构在测量中更加牢固，从而使精度提高，预紧作用下质量块的设计使挠曲电圆台所受惯性力增大，从而使产生的应变梯度增大，灵敏度增加。
3)本发明的挠曲电介电材料圆台形结构设计消除了棱角处的应力集中，测量准确性提高；同时采用了基于单面PCB板的隔离电极板，一个表面与石墨电极板导通，另一表面与质量块和底座绝缘隔离，同时PCB板与金属电极焊接导通，结构合理，使用维修方便，增强了传感器的实用性。
附图说明
图1为本发明传感器的结构示意图。
图2为本发明探测面阵的排布示意图。
图3为本发明下隔离电极板的结构图。
图4为本发明下隔离电极板与金属电极联接示意图。
图5为本发明石墨电极板的结构示意图图。
图6为本发明圆台形敏感单元的受力作用示意图。
附图标记如下：1—下隔离电极板；2—底座；3—环氧树脂；4—预紧螺栓；5—石墨电极板；6—敏感单元；7—引线；8—绝缘介质；9—金属电极；10—质量块；11—壳体；12—上隔离电极板；13—探测面阵；14—覆铜板；15—通孔；16—焊点；17—PCB基板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步详细说明。
如图1和图2所示，本发明的圆台阵列式挠曲电加速度传感器，包括底座2、预紧螺栓4、质量块10、两只金属电极9、上隔离电极板12、下隔离电极板1和p层上下叠加排布的探测面阵13，每层探测面阵13包括q只水平排布的敏感单元6，p层探测面阵13夹持在上隔离电极板12和下隔离电极板1之间，共计p×q只敏感单元6，优选p＝2，q＝12每只敏感单元6均为挠曲电介电材料制成的圆台，挠曲电介电材料优选非极化锡钛酸钡Ba(Ti0.87Sn0.13)O3(简称BTS)材料制成。
探测面阵13的上下方均设置有石墨电极板5，上隔离电极板12是下层表面导电、上层表面绝缘，下隔离电极板1的上层表面导电、下层表面隔离。每层探测面阵13上方的石墨电极板5通过引线7连接导通，每层探测面阵13下方的石墨电极板5通过引线7连接导通，上下层之间的石墨电极板5之间用绝缘介质8隔离，优选绝缘介质8为绝缘胶，将相邻层的石墨电极板5粘接为一体。
其中，石墨电极板5优选厚度为10nm、外径为5cm，金属电极9选用Φ1mm的铜棒或银棒。两只金属电极9分别与上隔离电极板12和下隔离电极板1电连通。
质量块10为中间带有通孔的圆形钨块，设置在上隔离电极板12的上表面，预紧螺栓4穿过质量块10的通孔，一端固定在质量块10上，另一端固定在底座2上，将下隔离电极板1压紧在底座2上，施加一定的预紧力，从而使结构在测量中更加稳定牢固，预紧作用下质量块的设计使挠曲电圆台所受惯性力增大，从而使产生的应变梯度增大，灵敏度增加。
作为一种优选方式，敏感单元6和预紧螺栓4之间的空隙采用环氧树脂3填充。壳体11粘接在底座2上端，将传感器部件密封在内，使得传感器适用于室外恶劣环境。其中底座2为合金钢制成的圆台，中间含有通孔；壳体11采用环氧树脂或其他有机材料制成。
如图3-5所示，上隔离电极板12、下隔离电极板1均为单面PCB板，一个表面为覆铜板14，另一表面为PCB基板17，中间设有通孔15，预紧螺栓4穿过该通孔15，金属电极9通过焊点16焊接在PCB板的覆铜板14上。敏感单元6在质量块10作用下产生的电荷经过石墨电极板5传至覆铜板14，再传至金属电极9，且每只敏感单元6上表面的电荷汇集至一只金属电极9，下表面的电荷汇集至另一只金属电极9上，实现电荷叠加。
如图6所示，敏感单元6为圆台形结构，当大跨度结构发生振动时，质量块10对两层梯台形挠曲电材料元件施加一个惯性力。每个圆台形敏感单元6受到压缩作用，每个切面上的应变值相同，而沿高度方向的应变值大小不同，从而导致沿高度方向产生均匀应变梯度，其表达式为
式中:F＝ma为惯性力，m为质量块质量，a为所求加速度，E为圆台形挠曲电材料的弹性模量，r、R分别为圆台上下表面的半径，h为圆台的高度。
因此，当多个非极化圆台形进行上下叠加及水平方向组合时，由于挠曲电效应引起圆台形挠曲电材料上下表面产生极化电荷，其表达式为：
其中，n为非极化圆台的个数。μ是挠曲电系数。P是由挠曲电效应导致的应变梯度产生的极化。Q是上下隔离电极板上金属电极的输出电荷。
通过上面公式推导，得出加速度的表达式为
从以上公式能够看出，只要测量输出电荷值，通过惯性力压缩作用敏感单元产生的应变梯度与基于挠曲电效应产生电荷之间的线性关系，能够准确、简单的实现加速度的测量，从而实现对振动的测量。
进一步的研究结果及验证试验表明，挠曲电效应具有尺寸相关特性，应变梯度是随着结构尺寸的减小而的增大，小尺寸高灵敏度的挠曲电式微型器件测量更加精确，比较适用于高灵敏度力学参数的测量。本发明的采用两层各12个圆台形挠曲电材料元件，受压后由于挠曲电效应产生的电信号幅度增大，由于挠曲电效应具有尺寸依赖性，随块体尺寸的减小灵敏度增加，相对于传统单个梯形挠曲电材料元件，本发明所用圆台数量增多，单个尺寸减小，灵敏度增加，且传感器结构更加紧凑，具有广泛的推广价值。
Claims (8)
1.一种圆台阵列式挠曲电加速度传感器，其特征在于：包括底座(2)、预紧螺栓(4)、质量块(10)、两只金属电极(9)、上隔离电极板(12)、下隔离电极板(1)和p层上下叠加排布的探测面阵(13)，每层探测面阵(13)包括q只水平排布的敏感单元(6)，p层探测面阵(13)设置在上隔离电极板(12)和下隔离电极板(1)之间；探测面阵(13)的上下方均设置有石墨电极板(5)，每层探测面阵(13)上方的石墨电极板(5)通过引线(7)连接导通，每层探测面阵(13)下方的石墨电极板(5)通过引线(7)连接导通，相邻层的石墨电极板(5)之间用绝缘介质(8)隔离，上隔离电极板(12)和下隔离电极板(1)的内层表面导电、外层表面隔离；所述的质量块(10)设置在上隔离电极板(12)的上表面，预紧螺栓(4)一端固定在质量块(10)上，另一端固定在底座(2)上，将下隔离电极板(1)压紧在底座(2)上，两只金属电极(9)分别与上隔离电极板(12)和下隔离电极板(1)电连通；所述的敏感单元(6)为挠曲电介电材料制成的圆台；上隔离电极板(12)、下隔离电极板(1)均为单面PCB板，与两只金属电极(9)焊接导通；所述单面PCB板的一个表面为覆铜板(14)，另一表面为PCB基板(17)，中间设有通孔(15)，预紧螺栓(4)穿过该通孔(15)，金属电极(9)通过焊点焊接在PCB板的覆铜板(14)上。
2.根据权利要求1所述的一种圆台阵列式挠曲电加速度传感器，其特征在于：绝缘介质(8)为绝缘胶，将相邻层的石墨电极板(5)粘接为一体。
3.根据权利要求1所述的一种圆台阵列式挠曲电加速度传感器，其特征在于：敏感单元(6)和预紧螺栓(4)之间的空隙采用环氧树脂(3)填充。
4.根据权利要求1所述的一种圆台阵列式挠曲电加速度传感器，其特征在于：圆台阵列式挠曲电加速度传感器还包括粘接在底座(2)上端的壳体(11)，传感器部件密封在壳体(11)内。
5.根据权利要求1所述的一种圆台阵列式挠曲电加速度传感器，其特征在于：p＝2，q＝12。
6.根据权利要求1所述的一种圆台阵列式挠曲电加速度传感器，其特征在于：挠曲电介电材料为非极化锡钛酸钡。
7.根据权利要求1所述的一种圆台阵列式挠曲电加速度传感器，其特征在于：金属电极(9)为银棒或铜棒，焊接在PCB板的覆铜板(14)上。
8.根据权利要求4所述的一种圆台阵列式挠曲电加速度传感器，其特征在于：底座(2)采用合金钢制成，壳体(11)采用环氧树脂制成，质量块(10)为中间带有通孔的圆形钨块。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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