CN114354023B - 一种基于多孔材料巨挠曲电效应的多种载荷传感器及载荷解耦方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及传感器领域，具体涉及一种基于多孔材料巨挠曲电效应的多种载荷传感器及载荷解耦的方法。其中，该传感器包括电介质基底、阵列多孔结构、金属电极、导线。基于多孔电介质材料的巨挠曲电效应，即多孔材料在受到任意形式载荷的时候均会产生电信号，并且电信号相较于实体结构更大，可以针对压缩、弯曲、剪切、冲击等载荷形式设计载荷传感器。同时由于现实载荷往往是多轴的，该发明依据多孔电介质材料的电信号输出与受力的线性关系，通过分别收集正交平面上电信号的方式设计了完善的解耦方法将其分解从而得到详细的载荷大小、方向，本发明可以有效地改善现有的传感器需要外接电源、成本高、易受环境影响、易腐蚀的问题，并且具有质量轻、灵敏度高、精度高以及能够吸能的优点。

Description

一种基于多孔材料巨挠曲电效应的多种载荷传感器及载荷解 耦方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体为一种基于多孔材料巨挠曲电效应的多种载荷传感器及载荷解耦方法。

背景技术

挠曲电效应作为一种具有独特优势和性质的新型力电耦合效应，能够定量地描述极化场与应变梯度的线性关系。相比较于其他力电耦合效应，挠曲电效应普遍存在于所有电介质材料中，不受材料的中心对称性影响。并且挠曲电效应不受温度的限制，相比较于压电效应在材料居里温度以上时的失效，挠曲电效应在温度远高于材料居里温度时仍然存在。因此基于挠曲电效应制备的传感器在选材方面不受限制，可以根据环境的需要以及应用的需要更加合理的选材。挠曲电效应的表达式为：

在多孔材料中，由于多孔材料本身微结构在受到任意形式的载荷是均会发生非均匀应变，因此在受到宏观均匀的载荷时也会发生挠曲电效应，产生极化场，并且输出的电信号与载荷成线性关系。并且由于挠曲电效应具有尺寸效应，随着尺寸的缩小其电信号输出会增大，因此对于多孔材料中的微结构其产生的电信号相当可观，这为基于多孔材料巨挠曲电效应的传感器的灵敏度和精度提供了支持。

当多孔电介质材料受到载荷时，自发极化产生的电信号能够精确输出载荷信息。因此，相较于传统传感器，基于多孔材料巨挠曲电效应的传感器具有无需外接电源、成本低、易维护、质量轻、结构简单、适用于恶劣环境的优点，并且可以根据需求选取具有不同力学性能的材料来实现大变形工况下的载荷传感，且具有对被测量/传感的物体提供缓冲保护的功能。对于航空航天、机械设计、石油化工、健康监测、运动科学等领域都具有重大的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于多孔材料巨挠曲电效应的多种载荷传感器。该发明简洁明了且易于实施，能利用多孔电介质材料在发生变形时的自发极化产生的电信号来输出载荷信息，且过程中不对环境造成污染。本发明保护的传感装置无需外加电源、结构简单、质量较小、所需材料易得、成本低、易维护、适用范围广、可大规模应用、灵敏度高、精度高，能够完整地输出载荷的大小、方向信息，克服了现有的部分载荷传感器所存在的结构复杂、成本高昂、不便于保存维护、精度不足等问题，并且能够对被测量物体提供缓冲和保护。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种基于多孔材料巨挠曲电效应的多种载荷传感器，所述传感器利用多孔电介质材料受到载荷时的自发极化所输出的电信号来实现传感。

所述传感器包括电介质基底1，该电介质基底1上粘接阵列多孔结构2，阵列多孔结构2包括多个单体，在阵列多孔结构2的每个单体上选择至少三个法向不共面的表面，在上述表面覆盖金属电极3，每个金属电极3上均由导线4引出用于输出电信号。进一步的，所述传感器用于多种载荷形式，所述载荷形式为压缩、弯曲、剪切或冲击。

所述电介质基底1材料包括所有电介质材料，优选聚二甲基硅氧烷、聚偏氟乙烯、氧化铝陶瓷、锆酸钡陶瓷或锆酸钙陶瓷。

所述阵列多孔结构材料包括所有电介质材料，优选与电介质基底1材料一致。

进一步的，所述阵列多孔结构内部具有微结构所述阵列多孔结构采用电介质材料，包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚偏氟乙烯(PVDF)、氧化铝陶瓷、锆酸钡陶瓷或锆酸钙陶瓷。

进一步的，所述阵列多孔结构中掺杂一定质量分数的高介电常数陶瓷粉末，所述高介电常数陶瓷粉末包括钛酸钡、钛酸锶钡或钛酸铜钙。

进一步的，所述阵列多孔结构的形状是任意凸多面体。

进一步的，所述至少三个法向不共面的表面为至少三个正交平面或者当阵列多孔结构的单体为无正交平面的形状时，通过布尔操作形成的或者选择的至少三个法向不共面的平面。

进一步的，所述凸多面体包括立方体、圆柱、棱台或圆锥。

进一步的，所述阵列多孔结构的每个单体上的金属电极相互不相连；所述阵列多孔结构的阵列密度根据载荷形式以及精度需要进行整体或局部的加密或者稀疏处理；所述金属电极为铜箔或者导电银浆。

进一步的，所述阵列多孔结构的材料与电介质基底的材料一致。本发明还提供了一种综合利用多孔材料的巨挠曲电效应对所受载荷解耦的方法，由于多孔电介质材料的电流输出与载荷成正比，因此当载荷方向未知的时候可以通过电介质基底上的阵列多孔结构上三个非共面电极输出的电信号对载荷进行解耦处理。

当传感器受到载荷作用时，电介质基底上的阵列多孔结构上的每个单体均发生不同程度的变形，其内部的微结构发生非均匀变形而产生极化现象，从而使得金属电极的覆盖区域收集到与极化程度成正比的电荷输出，每个面上的电信号输出通过导线实现电信号的输出，经过载荷解耦矩阵C计算后，直接反应出每个单体上不同方向所受载荷的大小；所述载荷解耦矩阵C的表达式为：

其中C是仅与阵列多孔结构形状、尺寸相关的常数矩阵，通过实验测量得出矩阵C每个元素的数值实现对载荷的解耦。具体求解载荷解耦矩阵C的方法为：事先对阵列多孔结构的单体工作时受载平面上施加一个载荷，该载荷沿x轴、y轴、z轴的分量F_x、F_y、F_z均不为0，在该单体受到载荷时，三个法向非共面的电极输出电流信号I_x、I_y、I_z，则载荷解耦矩阵

由于C的各元素大小并不随载荷的变化而变化，故在实际工况中可通过该矩阵实现解耦。

本发明中，阵列多孔结构的几何特征可以根据载荷形式的不同进行不同的设计。例如对冲击载荷可以设计成以冲击部位为圆心的同心圆环；对弯矩载荷可以设计成沿弯曲方向的矩形条，从而放大载荷的特征实现更高精度传感。在改变阵列多孔结构几何形状后只需要实验重新测量载荷解耦矩阵C即可使用。

通过上述技术方案的设置，该综合利用多孔材料巨挠曲电效应的多种载荷传感器的阵列多孔结构在受到载荷作用的时候，由于多孔结构中微结构的非均匀变形产生极化场，从而产生与载荷成正比的电信号输出，并结合同一立方体的其它面的输出电信号实现载荷的解耦，得到载荷的大小、方向、分布信息。

和现有技术相比较，本发明具有以下优点：

1、本发明基于多孔材料的挠曲电效应，基底以及阵列结构的材料选择范围很宽。

2、本发明基于多孔材料的挠曲电效应，挠曲电效应与电介质的变形是同步的，灵敏度和精度较高。

3、本发明结构简单，原材料简单易得，因此成本低、易维护。

4、本发明材料的选择上优选生物相容性好的环保材料，不会对人体健康造成影响，并且不会对环境造成污染。

5、本发明基于挠曲电效应可以自供电，无需外接电源，进一步降低成本，减轻维护负担。

6、本发明基底上采用多孔材料，因此在载荷传感的过程中还可以对基底下的被测人体或器件提供保护，在受大载荷或者冲击的工况下能够保证人体以及器件的安全。

7、本发明采用多孔材料，质量较小，可以做成可穿戴型设备而不造成负担。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下述具体实施方式一同用于解释本发明，但不构成对本发明的限制。

在附图中：

图1为本发明提供的一种基于多孔材料巨挠曲电效应的多种载荷传感器俯视图；

图2为本发明提供的一种基于多孔材料巨挠曲电效应的多种载荷传感器轴测图；

图3为本发明提供的阵列结构单体的导线连接示意图；

附图标记说明：1电介质基底、2阵列多孔结构、3金属电极、4导线。

具体实施方式

下面将结合附图1-3，对本发明一种基于多孔材料巨挠曲电效应的多种载荷传感器的具体实施方式进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅为解释本发明，而非对本发明的限制。

请参阅图1-3，一种基于多孔材料巨挠曲电效应的多种载荷传感器，包括电介质基底1和、阵列多孔结构2、金属电极3和导线4，其中电介质基底1和阵列多孔结构2选择粘接或直接加工成型为一个整体，多孔阵列结构2与金属电极3通过粘接的方式固定，多孔阵列结构2包括多个单体，每个单体上均连接至少3根导线，金属电极3与导线4通过引线键合的方式连接，通过导线4将电流导出。

优选地，所述电介质基底1形状尺寸选择不受限制，可以是块体、薄膜等。

优选地，所述电介质基底1材料选择上可以是任意电介质材料。

其中，所选材料可以是刚度较大的材料，也可以是高弹性柔性材料。因此在大变形工况下，该传感器也可以通过改变电介质基底1材料的方式设计柔性载荷传感器实现该工况下的传感。

其中，刚度较大的材料可以选择氧化铝陶瓷、锆酸钡陶瓷、锆酸钙陶瓷等，高弹性柔性材料可选择聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚偏氟乙烯(PVDF)等。

优选地，所述图中阵列多孔结构2单体为立方体仅是传感器的一种实现方式，其单体可以是任意凸多面体，所述凸多面体包括立方体、圆柱、棱台或圆锥等。

优选地，所述阵列多孔结构2分布可以根据载荷以及需求不同改变，可以对整体或局部进行加密或者稀疏处理。

其中，所述阵列多孔结构2为三维材料且呈多孔状，内部具有微结构。

其中，所述阵列多孔结构2的主要材料可以选择任意电介质材料，因为挠曲电效应在所有电介质材料中均存在。

优选地，阵列多孔结构2的主要材料选取与电介质基底1的材料一致，目的是在环境温度发生变化时二者的性质变化一致。其中当选择刚度较大的材料时选择氧化铝多孔陶瓷、锆酸钡多孔陶瓷、锆酸钙多孔陶瓷等。

其中，所述阵列多孔结构2在选择介电常数较低的材料时可以掺杂高介电常数陶瓷粉末，目的是提高该结构的挠曲电效应输出，增加该传感器的输出精度和灵敏度。

优选地，上述掺杂高介电常数陶瓷粉末可以是钛酸铜钙、钛酸锶钡、钛酸钡等。

优选地，上述掺杂高介电常数陶瓷粉末在阵列多孔结构2中占比一般不超过10％，目的是减少对阵列多孔结构2力学性能的影响。

优选地，所述金属电极3可以是铜箔、导电银浆等。

其中，阵列多孔结构2的每个单体上金属电极3应保证至少有三个，目的是利用多孔材料挠曲电效应与载荷的线性关系根据三个方向的电信号输出对载荷进行解耦处理，得出载荷不同方向的大小，表达式为：

其中，载荷解耦矩阵C为仅与阵列多孔结构2的单体形状尺寸相关的参数，可以预先通过实验对该矩阵得到各个参数。

具体求解载荷解耦矩阵C的方法为：事先对阵列多孔结构的单体工作时受载平面上施加一个载荷，该载荷沿x轴、y轴、z轴的分量F_x、F_y、F_z均不为0，在该单体受到载荷时，三个法向非共面的电极输出电流信号I_x、I_y、I_z，则载荷解耦矩阵

由于C的各元素大小并不随载荷的变化而变化，故在实际工况中可通过该矩阵实现解耦。

其中，阵列多孔结构2的每个单体上金属电极3应相互不相连，目的是保证载荷解耦过程中的电信号独立性。

本发明具体实施过程如下：

当受到载荷作用时，电介质基底1上的阵列多孔结构2上的每个单体均发生不同程度的变形，内部的微结构发生非均匀变形产生极化现象，从而使得金属电极3覆盖区域可以收集到与极化程度成正比的电荷输出，每个面上的电信号输出通过导线4实现电信号的输出，经过上述载荷解耦矩阵C计算后可以直接反应出每个单体上所受载荷的大小、方向信息，从而实现无源的载荷传感。

对于本领域其他技术人员而言，本发明的使用不限于上述具体实施方式，可以理解在不脱离本发明的精神和基本特征的情况下，能够以其它具体的形式表现本发明，对其进行变换、修改、组合和变型，并且上述情况均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于多孔材料巨挠曲电效应的多种载荷传感器，所述传感器利用多孔电介质材料的巨挠曲电效应来实现，其特征在于：

所述传感器包括电介质基底(1)，该电介质基底(1)上粘接阵列多孔结构(2)，阵列多孔结构(2)包括多个单体，在阵列多孔结构(2)的每个单体上选择至少三个法向不共面的表面，在上述表面覆盖金属电极(3)，每个金属电极(3)上均由导线(4)引出用于输出电信号；所述传感器用于多种载荷形式，所述载荷形式为压缩、弯曲、剪切或冲击；所述阵列多孔结构(2)的形状是任意凸多面体；所述至少三个法向不共面的表面为至少三个正交平面或者当阵列多孔结构(2)的单体为无正交平面的形状时，通过布尔操作形成的或者选择的至少三个法向不共面的平面；所述阵列多孔结构(2)的每个单体上的金属电极(3)相互不相连；所述阵列多孔结构(2)的材料与电介质基底(1)的材料一致。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：

所述电介质基底(1)采用电介质材料，包括聚二甲基硅氧烷、聚偏氟乙烯、氧化铝陶瓷、锆酸钡陶瓷或锆酸钙陶瓷；

所述阵列多孔结构(2)的材料内部具有微结构；

所述阵列多孔结构(2)采用电介质材料。

3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述阵列多孔结构(2)中掺杂一定质量分数的高介电常数陶瓷粉末，所述高介电常数陶瓷粉末包括钛酸钡、钛酸锶钡或钛酸铜钙。

4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述凸多面体包括立方体、圆柱、棱台或圆锥。

5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述阵列多孔结构(2)的阵列密度根据载荷形式以及精度需要进行整体或局部的加密或者稀疏处理；所述金属电极(3)为铜箔或者导电银浆。

6.一种应用于权利要求1-5之一的基于多孔材料巨挠曲电效应的多种载荷传感器中的多孔材料巨挠曲电效应对所受载荷解耦的方法，其特征在于：

当传感器受到载荷作用时，电介质基底(1)上的阵列多孔结构(2)上的每个单体均发生不同程度的变形，其内部的微结构发生非均匀变形而产生极化现象，从而使得金属电极(3)的覆盖区域收集到与极化程度成正比的电荷输出，每个面上的电信号输出通过导线(4)实现电信号的输出，经过载荷解耦矩阵C计算后，直接反应出每个单体上不同方向所受载荷的大小；所述载荷分量与传感器电信号输出的线性关系为：

其中，C是仅与阵列多孔结构形状、尺寸相关的常数矩阵，通过实验测量得出矩阵C每个元素的数值实现对载荷的解耦。

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