CN116907698A - 一种利用压电驻极体实现多模态测量的方法 - Google Patents

一种利用压电驻极体实现多模态测量的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种利用压电驻极体实现多模态测量的方法，本发明通过预先将压电传感器与电容检测电路连接，再对压电传感器施加逐渐增加或逐渐减小的静态力，在该逐渐变化的静态力的作用下，使得压电驻极体的电容值相应的发生变化，从而获取该压电传感器的电容值与施加的静态力之间的变化关系，再将压电传感器放置在待测的动态力上，并通过对该压电传感器施加测量所需的偏置静态力，其中，偏置静态力的大小根据变化关系以相对电容变化量进行表示，从而仅仅通过单一的压电传感器实现动态力的测量以及所需的偏置静态力的大小的确定，也即能够利用单一的压电传感器即可实现动态力与静态力的多模态测量需求。

Description

一种利用压电驻极体实现多模态测量的方法
技术领域
本发明涉及压电驻极体技术领域，尤其涉及一种利用压电驻极体实现多模态测量的方法。
背景技术
压电式传感器是一种基于压电效应的传感器，它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷，此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。
压电驻极体传感材料仅对动态力信号敏感，因此，现有技术中，单独利用压电效应只能对动态力信号进行测量，而无法对测量动态力信号时所需的静态力信号进行测量，所以，为了实现动态力与静态力的测量，目前比较常见的解决方案是通过单一模态的压电材料制备的传感器组合其他对静态力敏感的传感器(如压阻式传感器和电容式传感器)进行测量，然而这样的组合式的测量装置无法利用单一的传感材料进行测量，存在增加装置的复杂程度、整体体积和生产成本。
发明内容
鉴于此，有必要提供一种可通过先对压电传感器施加逐渐增加的静态力获取该传感器的电容变化量与静态力的关系曲线，再通过该关系曲线选取合适的静态力并以选取的该静态力对动态力进行测量，从而避免了利用额外的传感器来测定静态力。
本发明提供一种利用压电驻极体实现多模态测量的方法，所述方法包括以下步骤：
将压电传感器与电容检测电路连接；
对所述压电传感器施加逐渐增加或逐渐减小的静态力；
通过所述电容检测电路获取所述压电传感器在逐渐变化的所述静态力的作用下的相对电容变化量
确定所述相对电容变化量与所施加的逐渐变化的所述静态力之间的变化关系：
其中，ε0为真空介电常数，εr为压电驻极体的相对介电常数，表示电容对厚度d进行微分，Δd表示压电驻极体的厚度变化量，/>表示压电驻极体的电容，-Δp表示施加到样品上的静态应力(即静态力除以样品面积/>)变化量，其中负号表示压应力，Y表示压电驻极体的杨氏模量；
确定对待测的动态力进行测量时所需的偏置静态力，其中，所述偏置静态力为施加至该压电传感器上并能够通过该压电传感器对该动态力进行测量所需的静态力；
将所述压电传感器置于待测的所述动态力上；
利用所述压电传感器在施加所述偏置静态力下对该动态力进行测量，其中，所述偏置静态力的大小根据所述变化关系以所述相对电容变化量的大小进行表示。
进一步的，所述方法还包括：
根据所述相对电容变化量与所述静态力之间的变化关系施加所需偏置静态力。
进一步的，所述方法还包括：
通过电荷放大器对所述压电传感器在对所述动态力进行测量过程中的电荷响应进行放大。
进一步的，所述动态力随着所施加的所述静态力的改变而改变。
进一步的，所述动态力不随所施加的所述静态力的改变而改变。
进一步的，所述电容检测电路为差动脉宽调制电路、或者调频电路、或者运算放大器电路、或者电荷放大器电路、或者开关电容电路。
进一步的，所述电容检测电路用于将所述电容值转化为电压信号、或者频率信号、或者电流信号并传输至控制芯片，所述控制芯片获取所述电压信号、或者所述频率信号、或者所述电流信号并转换为对应的所述电容值后计算出与对应的所述静态力之间的变化关系。
相较于现有技术，本发明的有益效果：本发明通过预先将压电传感器与电容检测电路连接，再对所述压电传感器施加逐渐增加或逐渐减小的静态力，在该逐渐变化的所述静态力的作用下，使得所述压电驻极体的电容值相应的发生变化，从而获取该压电传感器的电容值与施加的所述静态力之间的变化关系，再将所述压电传感器放置在待测的动态力上，并通过对该压电传感器施加测量所需的所述偏置静态力，其中，所述偏置静态力的大小根据所述变化关系曲线以所述相对电容变化量进行表示，从而仅仅通过单一的所述压电传感器实现动态力的测量以及所需的所述偏置静态力的大小的确定，也即能够利用单一的压电驻极体薄传感器即可实现动态力与静态力的多模态测量需求。
附图说明
图1为本发明在特定静态力的作用下不同压电材料的相对电容变化率与杨氏模量之间的关系图。
图2为本发明具体实施方式的流程图。
图3为本发明某一压电材料的相对电容变化率与对应的静态力之间的关系图。
图4为本发明不规则孔洞结构的压电传感器具体实施方式示意图。
图5为本发明压电传感器具体实施方式的爆炸图。
图6为本发明压电材料制备过程的具体实施方式示意图。
图7为本发明压电材料具体实施方式的剖视图。
图8为本发明压电传感器与电容检测电路或电荷放大器的连接示意图。
附图标号说明：
压电传感器10，压电材料20，模板层30，让位槽40，FEP层50，第一电极60，第二电极70，电容检测电路80，电荷放大器90。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。可以理解的是，附图仅仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。附图中显示的连接关系仅仅是为了便于清晰描述，并不限定连接方式。
需要说明的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件时，它可以是直接连接到另一个组件，或者可能同时存在居中组件。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
还需要说明的是，本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
动态力测量需要施加不小于动态力幅值的静态力，否则无法有效测量到全部的动态力，例如，将一张压电薄膜放置在一个震动件的表面上，由于压电薄膜本身施加给震动件的静态力较小，导致压电薄膜将随着震动件同步震动，此时，压电薄膜是没有动态信号输出的，因此，只有将压电薄膜压紧在该震动件的表面，且不让该压电薄膜跟随该震动件一起运动，或者，至少保证该压电薄膜的振动幅值比该震动件的振动幅度小，才会有动态信号的输出以测得一定的动态力，其中，动态力可以是微弱信号，也可以是大的动态力。
请参阅图1，图1示出了不同杨氏模量的压电材料20对应的压电传感器10在静态力的作用下其输出的电容值的相对电容变化率和对应的杨氏模量之间的关系。
具体而言，压电传感器10会随着所施加的静态力的大小给出相应的电容数值反馈，与此同时，压电传感器10中的压电材料20的杨氏模量也会同步发生变化，其中，相对于非多孔结构的压电材料20(如PVDF、压电陶瓷等)，多孔结构的压电材料20(如管状沟道FEP压电驻极体等)由于在施加的静态力的作用下形变量更大，因此，其相对电容量的变化也会更加明显，特别是针对相对更加柔软所述压电材料20，所以可以利用这些较为柔软的多孔结构的压电材料20制备的压电传感器10来实现对动态力测试时所需施加的静态力大小的标定，从而利用单一的压电传感器10即可实现静态力与动态力的多模态测量。
根据图1可知，当压电传感器10的压电材料20的杨氏模量为1MPa时，在100kPa静态应力下对应的相对电容变化率约为10％；当压电材料20的杨氏模量为10MPa时，对应的相对电容变化率约为1％；当压电材料20的杨氏模量为100MPa时，对应的相对电容变化率约为0.1％；当压电材料20的杨氏模量为1GPa时，对应的相对电容变化率约为0.01％，因此，具有不同杨氏模量的压电材料20在所施加的静态力的作用下具有明显不一样的相对电容变化率，所以，可以利用具有相对较小的杨氏模量的压电材料20作为静态力和动态力测量的压电传感器10的压电材料20。
请参阅图2，本发明提供一种利用压电驻极体实现多模态测量的方法，所述方法包括以下步骤：
将压电传感器10与电容检测电路80连接(S100)。
其中，所述压电传感器10的压电材料20可以是多孔洞结构也可以是不含孔洞结构。
进一步的，所述压电传感器10为平板式或薄膜结构，并包括压电材料20、第一电极60和第二电极70，所述压电材料20由压电聚合物制成并为平板状或薄膜状，所述第一电极60和所述第二电极70设于所述压电材料20的相对侧，所述第一电极60和所述第二电极70分别与所述电容检测电路80连接，其目的是为了对所述压电材料20在受到外界的作用力时电容的变化进行检测。
进一步的，所述压电传感器10的电容计算公式为：
其中，C表示电容值，ε0为真空介电常数(ε0＝8.85*10-12F/m)，εr为所述压电材料的相对介电常数，A表示所述压电材料20第一电极60和和第二电极70交叠区域的面积，d表示所述压电材料20的厚度。
根据上述公式可知电容值的大小取决于所述压电材料20的相对介电常数、以及所述压电材料20的第一电极60和和第二电极70交叠部分面积和所述压电材料20的厚度。
对所述压电传感器10施加静态力(S200)。
其中，对所述压电传感器所施加的所述静态力为方向不变但大小逐渐增加的力，从而在逐渐增加所述静态力的作用下，能够使得所述压电传感器10的所述电容值相应的发生变化。
因此，通过对所述压电传感器10施加所述静态力以使得所述压电传感器10在所施加的所述静态力的作用下使其内部的压电材料20厚度发生变化从而改变该压电传感器10的电容值。
通过所述电容检测电路80获取所述压电传感器10在被施加的所述静态力的作用下的相对电容变化量
确定所述相对电容变化量ΔC/C与所施加的逐渐变化的所述静态力之间的变化关系式：
其中，ε0为真空介电常数，εr为压电驻极体的相对介电常数，表示电容对厚度d进行微分，Δd表示压电驻极体的厚度变化量，/>表示压电驻极体的电容，-Δp表示施加到样品上的静态应力(即静态力除以样品面积/>)变化量，其中负号表示压应力，Y表示压电驻极体的杨氏模量(S400)。
根据上述公式可知：所以所述压电传感器10的相对电容变化量不仅跟施加的所述静态力大小有关，同时还与所述压电材料20的杨氏模量相关。通过获取所述变化关系图能够更加直观的得知所述相对电容变化量/>与所述静态力之间的变化关系。
进一步的，以多孔洞结构的所述压电材料20为例，对于多孔结构的压电材料20，其杨氏模量以及相对介电常数是会随着该压电材料20的厚度变化而变化的，因此，所述压电传感器10的电容值还会受到因所述静态力作用导致的所述压电材料20的厚度变化所带来的杨氏模量变化和相对介电常数的变化的影响。
为便于理解，以脉搏测试为例，尽管脉搏属于动态力，但实际上脉搏的动态力是相对较弱的，因此，在对脉搏进行测量时，是需要施加一个静态力才能使得测量的脉搏信号更大、更准确。
具体而言，通过压电材料20对动态力进行测量时，由于动态力具有一定的振动幅度，而压电材料20放置在该动态力上时，往往会随着该动态力以基本同步的振动幅度运动，因此，该压电材料20难以具有明显的压电响应，因此，为了能够使得该压电材料20具有明显的压电响应，需要对该压电材料施加一个静态力，以使得该压电材料20不会与所述动态力以基本同步的振动幅度进行运动，为了能够使得所述压电材料20在测量时具有最优的压电响应，以使得测量的动态力信号最佳，此时则需要对所述压电材料施加所述偏置静态力。
通常情况下，用于测量脉搏的所述压电材料20传感器的所述压电材料20的面积约为2cm2，当施加的所述静态力在0N到20N之间时，根据压强的计算公式P＝F/S可知：该压电材料20传感器实际受到的压强(即静态力除以面积)介于0kPa至100kPa之间。
需要说明的是，针对脉搏的振动信号的测量，因血管的横截面大致是呈圆形的，可以认为血压值一定，但由于血管在施加的静态力的作用下容易相应的发生形变，所以当静态偏置力较小时，压电薄膜与血管的接触面小，此时，压电薄膜受到的来自血管的压力较小，当施加适当的压力时，血管被压至扁平状，此时，血管与压电薄膜的接触面增大，所以，有效压力相应的增大(压力等于压强乘以面积，即F＝PS)，此时，压电响应信号上升，但是静态力太大会把血管压至闭合，此时，则无法测到脉搏信号，因此，在对脉搏信号进行测量时，会有一个最合适的静态力，而本实施例中，大约在5N的静态力作用下测量到的脉搏信号最优。
进一步的，根据公式可知，针对某一压电材料20，当施加的静态力发生变化时，相对电容变化量会随着所述静态力相应的发生变化，以脉搏测量为例，如图3所示，为了对脉搏实现更为精确的测量，需要施加提前标定施加在所述压电传感器10上的较优静态力5N，因此，将压电传感器10放置在脉搏上时，需要确定所施加的静态力为5N，此时，则可以通过该压电传感器10输出的电容值确认其相对电容变化率，并在该相对电容变化率所对应的静态力达到5N时，实现对所需施加的较优静态力的标定，从而通过单一的压电传感器10实现动态力测量时所需的静态力的标定。
具体而言，在如图3所示的静态力为5N时对应的相对电容变化率为111.8％，因此，当需要标定所施加的静态力为5N时，只需要所述压电传感器10反馈出的相对电容变化率为111.8％时即可。
请再参阅图1，当压电材料20的杨氏模量小于1MPa时，测得的压电传感器10的相对电容变化率比较明显，对电容测量仪器的测量精度要求会相对较低，此时，在通过相对电容变化率来标定较优的静态力时也会更加精准，若采用较为精密的电容测量仪器进行测量时，则可以采用杨氏模量小于10MPa的压电材料20。
优选的，对于脉搏等较弱的动态力的测量时，压电材料20可选自管状沟道氟化乙丙烯共聚物(Fluorinated ethylene propylene,FEP)压电驻极体、聚丙烯(Polypropylene,PP)多孔膜压电驻极体等。
请参阅图4-7，所述压电材料20可以但不限于是不规则的多孔洞结构、规则的孔洞结构。
请再参阅图5-7，以规则的孔洞结构为例，制备由FEP材质制成的所述压电材料20可以但不限于通过以下方式进行：
首先，在两FEP层50之间放置一模板层30，其中，所述模板层30的宽度小于所述FEP层50的宽度，所述模板层30的长度大于所述FEP层50的长度，沿所述模板层30的长度方向，所述模板层30的两端分别伸出两所述FEP层50，且所述模板层30至少位于两所述FEP层50之间的部分设有间隔一定距离分布的多个让位槽40。
其次，通过热压方式将两所述FEP层50热压结合，以使得两所述FEP层50热压粘接为一体。
然后，将所述模板层30从两所述FEP层50之间抽出，使得位于两所述让位槽40之间的所述模板层30部分对应的两所述FEP层50之间具有规则的孔洞结构。
在一些实施方式中，需要先将所述模板层30的一端切断，以使得被切断后的所述模板层30可以通过另一端从粘接在一起的两所述FEP层50之间抽出。
优选的，所述模板层30为PTFE(聚四氟乙烯)，所述PTFE具有耐高温以及低摩擦系数等特点，因此，在对两所述FEP进行热压时，并不会导致所述PTFE与所述FEP层50结合，同时，在完成热压后，由于具有低摩擦系数的特点，所以，也能够顺利的将所述PTFE从热压后的两所述FEP层50之间抽出，使得形成的孔洞保持规则的结构。
最后，对两所述FEP层50进行极化。
确定对待测的动态力进行测量时所需的偏置静态力，其中，所述偏置静态力为施加至该压电传感器上并能够通过该压电传感器对该动态力大小进行精准测量所需的静态力(S500)。
具体而言，在所述偏置静态力的作用下，该压电材料20驻极体具有明显的压电响应。
将所述压电传感器置于待测的所述动态力上(S600)。
进一步的，所述方法还包括：
根据所述相对电容变化量与所述静态力之间的变化关系施加所需偏置静态力(S700)。
利用所述压电驻极体传感器在施加所述偏置静态力下对该动态力进行测量(S800)，其中，所述偏置静态力的大小根据所述变化关系以所述相对电容变化量的大小进行表示。
在合适的所述静态力下，因所述压电传感器10的电容值具有明显的电容响应，因此，在对较弱的动态力进行测量时，在所述偏置静态力的作用下，该压电传感器10将会有明显的压电响应，从而更高效且更准确的实现对较弱的动态力的测量。
进一步的，所述方法还包括：
通过电荷放大器90对所述压电传感器10在对所述动态力进行测量过程中的电荷响应进行放大(S900)。
其中，通过设置所述电荷放大器90能够进一步将所述电荷响应进行放大，从而进一步提升测量的准确性和有效性。
进一步的，所述电容检测电路80为差动脉宽调制电路、或者调频电路、或者运算放大器电路、或者电荷放大器电路、或者开关电容电路。
进一步的，所述电容检测电路80用于将所述电容值转化为电压信号、或者频率信号、或者电流信号并传输至控制芯片，所述控制芯片获取所述电压信号、或者所述频率信号、或者所述电流信号并转换为对应的所述电容值后计算出与对应的所述静态力之间的变化关系。
使用方式如下：具体而言，如图8所示，先将所述压电传感器10与所述电容检测电路80连接(即将连接开关与1连接)，当通过所述电容检测电路80测得所述压电传感器10在所述静态力下对应的电容变化关系后，确定对待测的动态力进行测量时所需的偏置静态力，并将所述压电传感器10放置在待测的动态力上，同时施加所述偏置静态力至所述压电传感器10上，并以所述压电传感器10反馈的电容值来确定所施加的静态力是否达到所述偏置静态力，再将所述压电传感器10与所述电荷放大器90进行连接(即将连接开关与2连接)，以使得所述压电传感器10通过所述电荷放大器90将测得的所述动态力的电荷值随测量时间的变化关系进行输出。
相对于现有技术无法通过单一的压电材料20实现静态力与动态力的测量与表示，以及需要通过多个不同类型的传感器配合实现静态力与动态力的多模态测量，本发明通过获取静态力与相对电容变化率之间的变化关系，并通过该变化关系以相对电容变化率来表示测量该动态力所需的偏置静态力，从而实现静态力与动态力的多模态测量。
本申请的说明书和权利要求书中，词语“包括/包含”和词语“具有/包括”及其变形，用于指定所陈述的特征、数值、步骤或部件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、数值、步骤、部件或它们的组合。
本发明的一些特征，为阐述清晰，分别在不同的实施例中描述，然而，这些特征也可以结合于单一实施例中描述。相反，本发明的一些特征，为简要起见，仅在单一实施例中描述，然而，这些特征也可以单独或以任何合适的组合于不同的实施例中描述。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种利用压电驻极体实现多模态测量的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
将压电传感器与电容检测电路连接；
对所述压电传感器施加逐渐增加或逐渐减小的静态力；
通过所述电容检测电路获取所述压电传感器在逐渐变化的所述静态力的作用下的相对电容变化量确定所述相对电容变化量/>与所施加的逐渐变化的所述静态力之间的变化关系：
其中，ε0为真空介电常数，εr为压电驻极体的相对介电常数，表示电容/>对厚度d进行微分，Δd表示压电驻极体的厚度变化量，/>表示压电驻极体的电容，-Δp表示施加到样品上的静态应力(即静态力除以样品面积/>)变化量，其中负号表示压应力，Y表示压电驻极体的杨氏模量；
确定对待测的动态力进行测量时所需的偏置静态力，其中，所述偏置静态力为施加至该压电传感器上并能够通过该压电传感器对该动态力进行测量所需的静态力；
将所述压电传感器置于待测的所述动态力上；
利用所述压电驻极体传感器在施加所述偏置静态力下对该动态力进行测量，其中，所述偏置静态力的大小根据所述变化关系以所述相对电容变化量的大小进行表示。
2.根据权利要求1所述的一种利用压电驻极体实现多模态测量的方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据所述相对电容变化量与所述静态力之间的变化关系施加所需偏置静态力。
3.根据权利要求1所述的一种利用压电驻极体实现多模态测量的方法，其特征在于，所述方法还包括：
通过电荷放大器对所述压电传感器在对所述动态力进行测量过程中的电荷响应进行放大。
4.根据权利要求1所述的一种利用压电驻极体实现多模态测量的方法，其特征在于，所述动态力随着所施加的所述静态力的改变而改变。
5.根据权利要求1所述的一种利用压电驻极体实现多模态测量的方法，其特征在于，所述动态力不随所施加的所述静态力的改变而改变。
6.根据权利要求1所述的一种利用压电驻极体实现多模态测量的方法，其特征在于，所述电容检测电路为差动脉宽调制电路、或者调频电路、或者运算放大器电路、或者电荷放大器电路、或者开关电容电路。
7.根据权利要求6所述的一种利用压电驻极体实现多模态测量的方法，其特征在于，所述电容检测电路用于将所述电容值转化为电压信号、或者频率信号、或者电流信号并传输至控制芯片，所述控制芯片获取所述电压信号、或者所述频率信号、或者所述电流信号并转换为对应的所述电容值后计算出与对应的所述静态力之间的变化关系。
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