CN109507450A - 一种悬臂梁式挠曲电加速度传感器及加速度测量方法 - Google Patents

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Abstract

一种悬臂梁式挠曲电加速度传感器及加速度测量方法，该传感器包括多个堆叠设置的挠曲电介电材料，分别设置在挠曲电介电材料上下表面的金属电极；固结两相邻金属电极的环氧树脂；固定挠曲电介电材料一端的立柱；粘接在挠曲电介电材料另一端上的质量块；金属电极之间串联连接的引线，两条引线的另一端与两外接金属电极连接；封装保护罩与基座粘接在一起，把挠曲电介电材料、金属电极、质量块和引线密封在内；本发明通过在质量块惯性力作用下挠曲电介电材料沿着厚度方向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，来测量加速度的大小，从而实现对振动的测量。

Description

一种悬臂梁式挠曲电加速度传感器及加速度测量方法
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种悬臂梁式挠曲电加速度传感器及加速度测量方法。
背景技术
力电耦合效应，指的是力到电的转换或电到力的转换，支撑着许多材料作为功能材料的根基。压电效应作为介电材料中最常见的一类力电耦合，在现代生物、医疗、精密控制及军事领域扮演着重要角色。虽然压电材料具有优越的力电转换效应，但依然存在很多局限：首先，工业中大量使用的压电材料都是铅基合金，会对环境造成很大的污染；其次，目前使用较多的压电陶瓷材料制备工序复杂，需要经过高压极化处理；第三，压电材料受居里温度的限制。
与压电效应不同，挠曲电效应是指由非均匀应变场或应变梯度局部破坏结构的反演对称，从而导致晶体表面发生电极化现象，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。
目前以挠曲电效应为基础设计的层叠式压力传感器，通过施加压力与金属弹性元件中机械变形的应变梯度(曲率)之间的线性关系测量挠曲电薄膜上受到的压力。然而，这种挠曲电压力传感器由于受压后金属弹性元件变形小，以致应变梯度也较小，产生的电信号较弱，难于精确测量。其次，这种传感器弹性元件材料性能的变化直接影响测量的准确性。另外，由于目前挠曲电压力传感器采用薄膜材料，仅仅只能测量受到的微压力，无法实现对振动的测量。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种悬臂梁式挠曲电加速度传感器及加速度测量方法，通过在质量块惯性力作用下挠曲电介电材料沿着厚度方向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，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：
一种悬臂梁式挠曲电加速度传感器，包括多个堆叠设置的挠曲电介电材料6，分别设置在挠曲电介电材料6上下表面的金属电极8；固结两相邻金属电极的环氧树脂7；固定挠曲电介电材料6一端的立柱3，多个堆叠设置的挠曲电介电材料6及其上设置的金属电极8和环氧树脂7一端固定在立柱3上，形成悬臂梁；粘接在挠曲电介电材料6另一端即悬臂梁自由端上的质量块9；串联连接金属电极的引线5，金属电极8两端的两条引线与两外接金属电极1连接；封装保护罩2与基座4粘接在一起，把挠曲电介电材料6、外接金属电极1、质量块9和引线5密封在内。
作为本发明的优选实施方式，所述左金属电极8为蒸镀金电极。
作为本发明的优选实施方式，所述引线5与金属电极8及外接金属电极1通过引线键合的方式连接。
作为本发明的优选实施方式，所述挠曲电介电材料3为三个1mm厚度的非极化钛酸锶钡梁。
作为本发明的优选实施方式，所述封装保护罩2为正方形环氧树脂壳体，基座4为正方形合金钢，质量块9为钨块，立柱3的材料为合金钢。
作为本发明的优选实施方式，所述外接金属电极1为两根铜棒。
当位于传感器下面的试件发生振动时，粘接在悬臂梁自由端的质量块9使悬臂梁发生弯曲，沿着厚度方向产生较大的应变梯度，对于矩形截面悬臂梁来说，极性惯性矩I为
其中，b为悬臂梁的总宽度、h为悬臂梁的总厚度；设悬臂梁的总长为l，而根据弹性力学相关理论，悬臂梁的应变(ε)沿厚度方向(x)和长度方向(z)的分布为
其中F为悬臂梁自由端施加的力，E为挠曲电介电材料的弹性模量；所以在任意长度处，沿厚度方向产生的应变梯度的表达式为
整个悬臂梁产生的应变梯度的表达式为
式中F为质量块的惯性力，其表达式为
F＝ma
其中，m为质量块的质量，a为所要求的加速度；
所以，
悬臂梁沿厚度方向产生挠曲电效应，产生极化电荷，其表达式为：
其中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是外接金属电极1的输出电荷，A为挠曲电介电材料表面面积；
所以，
通过上面公式推导，得出加速度的表达式为
从上述公式能够看出，只要测量外接金属电极1的输出电荷值，通过在质量块惯性力作用下挠曲电介电材料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，能够准确测量质量块加速度的大小，从而实现对试件振动的测量。
和现有技术相比较，本发明具有以下优点：
1)本发明基于挠曲电效应测量加速度，与传统的压电式加速度传感器不同，挠曲电式加速度传感器材料的选取范围更广泛。
2)基于多层挠曲电材料制备的悬臂梁式加速度传感器受压后沿厚度方向产生的应变梯度大，以致产生易于精确测量的电信号，灵敏度大幅提高。
3)不同于传统挠曲电压力传感器中的金属弹性元件受力变形导致挠曲电薄膜产生应变梯度，这种新型挠曲电加速度传感器中悬臂梁的应变梯度是由质量块的惯性力加载产生，避免了中间金属弹性元件变形环节，从而使灵敏度提高。
附图说明
图1为本发明传感器结构示意图。
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所示，本发明一种悬臂梁式挠曲电加速度传感器，包括多个堆叠设置的挠曲电介电材料6，分别设置在挠曲电介电材料6上下表面的金属电极8；固结两相邻金属电极的环氧树脂7；固定挠曲电介电材料6一端的立柱3，多个堆叠设置的挠曲电介电材料6及其上设置的金属电极8和环氧树脂7一端固定在立柱3上，形成悬臂梁；粘接在挠曲电介电材料6另一端即悬臂梁自由端上的质量块9；串联连接金属电极的引线5，金属电极8两端的两条引线与两外接金属电极1连接；封装保护罩2与基座4粘接在一起，把挠曲电介电材料6、外接金属电极1、质量块9和引线5密封在内。
作为本发明的优选实施方式，所述左金属电极8为蒸镀金电极。
作为本发明的优选实施方式，所述引线5与金属电极8及外接金属电极1通过引线键合的方式连接。
作为本发明的优选实施方式，所述挠曲电介电材料3为三个1mm厚度的非极化钛酸锶钡梁。
作为本发明的优选实施方式，所述封装保护罩2为正方形环氧树脂壳体，基座4为正方形合金钢，质量块9为钨块，立柱3的材料为合金钢。
作为本发明的优选实施方式，所述外接金属电极1为两根铜棒。
当位于传感器下面的试件发生振动时，粘接在悬臂梁自由端的质量块9使悬臂梁发生弯曲，沿着厚度方向产生较大的应变梯度，对于矩形截面悬臂梁来说，极性惯性矩I为
其中，b为悬臂梁的总宽度、h为悬臂梁的总厚度；设悬臂梁的总长为l，而根据弹性力学相关理论，悬臂梁的应变(ε)沿厚度方向(x)和长度方向(z)的分布为
其中F为悬臂梁自由端施加的力，E为挠曲电介电材料的弹性模量。所以在任意长度处，沿厚度方向产生的应变梯度的表达式为
整个悬臂梁产生的应变梯度的表达式为
式中F为质量块的惯性力，其表达式为
F＝ma
其中，m为质量块的质量，a为所要求的加速度。
所以，
悬臂梁沿厚度方向产生挠曲电效应，产生极化电荷，其表达式为：
其中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是外接金属电极1的输出电荷，A为挠曲电介电材料表面面积。
所以，
通过上面公式推导，得出加速度的表达式为
从上述公式能够看出，只要测量外接金属电极1的输出电荷值，通过在质量块惯性力作用下挠曲电介电材料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，能够准确测量质量块加速度的大小，从而实现对试件振动的测量。

Claims (7)

1.一种悬臂梁式挠曲电加速度传感器，其特征在于：包括多个堆叠设置的挠曲电介电材料(6)，分别设置在挠曲电介电材料(6)上下表面的金属电极(8)；固结两相邻金属电极的环氧树脂(7)；固定挠曲电介电材料(6)一端的立柱(3)，多个堆叠设置的挠曲电介电材料(6)及其上设置的金属电极(8)和环氧树脂(7)一端固定在立柱(3)上，形成悬臂梁；粘接在挠曲电介电材料(6)另一端即悬臂梁自由端上的质量块(9)；串联连接金属电极(8)的引线(5)，金属电极(8)两端的两条引线(5)与两外接金属电极(1)连接；封装保护罩(2)与基座(4)粘接在一起，把挠曲电介电材料(6)、外接金属电极(1)、质量块(9)和引线(5)密封在内。
2.根据权利要求1所述的一种悬臂梁式挠曲电加速度传感器，其特征在于：所述设置在挠曲电介电材料(6)上下表面的金属电极(8)为蒸镀金电极。
3.根据权利要求1所述的一种悬臂梁式挠曲电加速度传感器，其特征在于：所述引线(5)与金属电极(8)及外接金属电极(1)通过引线键合的方式连接。
4.根据权利要求1所述的一种悬臂梁式挠曲电加速度传感器，其特征在于：所述挠曲电介电材料(3)为三个1mm厚度的非极化钛酸锶钡梁。
5.根据权利要求1所述的一种悬臂梁式挠曲电加速度传感器，其特征在于：所述封装保护罩(2)为正方形环氧树脂壳体，基座(4)为正方形合金钢，质量块(9)为钨块，立柱(3)的材料为合金钢。
6.根据权利要求1所述的一种悬臂梁式挠曲电加速度传感器，其特征在于：所述外接金属电极(1)为两根铜棒。
7.权利要求1至6任一项所述的悬臂梁式挠曲电加速度传感器的加速度测量方法，其特征在于：当位于传感器下面的试件发生振动时，粘接在悬臂梁自由端的质量块(9)使悬臂梁发生弯曲，沿着厚度方向产生较大的应变梯度，对于矩形截面悬臂梁来说，极性惯性矩I为
其中，b为悬臂梁的总宽度、h为悬臂梁的总厚度；设悬臂梁的总长为l，而根据弹性力学相关理论，悬臂梁的应变(ε)沿厚度方向(x)和长度方向(z)的分布为
其中，F为悬臂梁自由端施加的力，E为挠曲电介电材料的弹性模量。所以在任意长度处，沿厚度方向产生的应变梯度的表达式为
整个悬臂梁产生的应变梯度的表达式为
式中F为质量块的惯性力，其表达式为
F＝ma
其中，m为质量块的质量，a为所要求的加速度；
所以，
悬臂梁沿厚度方向产生挠曲电效应，产生极化电荷，其表达式为：
其中，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是外接金属电极(1)的输出电荷，A为挠曲电介电材料表面面积；
所以，
通过上面公式推导，得出加速度的表达式为
从上述公式能够看出，只要测量外接金属电极(1)的输出电荷值，通过在质量块惯性力作用下挠曲电介电材料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，能够准确测量质量块加速度的大小，从而实现对试件振动的测量。
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