基于壓電駐極體的無源高靈敏沖擊力傳感器及其測試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無源沖擊力傳感器，具體涉及一種基于壓電駐極體的無源高靈敏沖擊力傳感器及其測試方法。
【背景技術(shù)】
[0002]振動沖擊是自然界和工程界廣泛存在的現(xiàn)象，尤其是隨著航天飛行器的進步和汽車業(yè)的發(fā)展，使用低成本高效率的沖擊力傳感器就有很大的重要性。近年來，沖擊力傳感器正朝著更低功耗、更高敏感度的方向發(fā)展。目前，典型的無源沖擊力傳感器主要以聚偏氟乙烯PVDF壓電柔性材料和PZT壓電陶瓷為敏感材料，能實現(xiàn)自供電力學(xué)敏感。然而，PVDF壓電柔性材料的壓電敏感度較低，小于30pC/N，難以準確測量微弱沖擊力;PZT壓電陶瓷的壓電敏感度很高，大于200pC/N，但它屬于硬脆陶瓷材料，在沖擊力較大時，會造成壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)破壞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對以上現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出了一種基于壓電駐極體的無源高靈敏沖擊力傳感器及其測試方法，基于壓電駐極體機理和使用特殊的沖擊力的結(jié)構(gòu)方式產(chǎn)生一個極強的沖擊電壓信號，靈敏度可達80V/lMPa左右，具有耐高沖擊、可測高載荷、高靈敏度且無需后端信號放大電路等特點；并且，本發(fā)明中的無源高敏感度沖擊力傳感器不需要任何外載供電，在正常的運作過程中，可以做到自供電且無需偏執(zhí)電壓;相比較其他的基于駐極體的無源沖擊力傳感器，它具有更高的靈敏度;在目前的沖擊力傳感器發(fā)電技術(shù)中展現(xiàn)了零功耗、自供電以及超高靈敏度的特點。
[0004]本發(fā)明的一個目的在于提出一種基于壓電駐極體的無源高靈敏沖擊力傳感器。
[0005]本發(fā)明的基于壓電駐極體的無源高靈敏沖擊力傳感器包括:彈片電極、絕緣墊片、背電極、彈片電極駐極體層、背電極駐極體層、空腔、導(dǎo)線和測試電路;其中，背電極為平板狀，采用導(dǎo)電金屬材料;背電極駐極體層緊密貼合在背電極的上表面;在背電極的上表面并且位于駐極體的周圍，設(shè)置有絕緣墊片;彈片電極通過絕緣墊片設(shè)置在背電極上，絕緣墊片將彈片電極與背電極之間電學(xué)絕緣;彈片電極駐極體層緊密貼合在彈片電極的內(nèi)表面;彈片電極的形狀為中心對稱的曲面，在彈片電極駐極體層與背電極駐極體層之間形成空腔，并且構(gòu)成了一對壓電駐極體;背電極駐極體層與彈片電極駐極體層相對的表面分別均勻分布有異性的極化電荷，形成宏觀偶極子;彈片電極的外表面和背電極的下表面分別通過導(dǎo)線連接至測試電路的輸入端;外力作用在彈片電極上，彈片電極發(fā)生形變，彈片電極駐極體層與背電極駐極體層之間的距離發(fā)生變化，在彈片電極駐極體層與背電極駐極體層之間的宏觀偶極矩發(fā)生變化，使得彈片電極和背電極的感應(yīng)電荷發(fā)生變化，造成變化的電荷在導(dǎo)線移動，形成了沖擊外力作用下的電壓峰信號；電壓峰信號輸入至測試電路中，經(jīng)過計算最終得到?jīng)_擊外力的數(shù)字信號值。
[0006]本發(fā)明采用在背電極和彈片電極上分別設(shè)置駐極體層，彈片電極駐極體層與背電極駐極體層之間形成空腔，并且構(gòu)成了一對壓電駐極體，表面分別具有異性的極化電荷，彈片電極駐極體層與背電極駐極體層之間形成宏觀偶極子。當外力(沖擊力或壓力)作用在彈片電極上時，彈片電極受制于壓力而產(chǎn)生形變，彈片電極駐極體層與背電極駐極體層之間的距離發(fā)生變化，在彈片電極駐極體層與背電極駐極體層之間的宏觀偶極距也會發(fā)生變化，使得彈片電極和背電極的感應(yīng)電荷發(fā)生變化，造成變化的電荷在導(dǎo)線移動。在外力向下壓的過程中，產(chǎn)生一個沖擊型的電壓峰信號。由于背電極的下表面等同于接地狀態(tài)，背電極的下表面與地面之間的電容的值是不會發(fā)生任何改變的，但是由于距離的減小，彈片電極和背電極之間的宏觀偶極距發(fā)生變化，此時彈片電極的內(nèi)表面和背電極的上表面的感應(yīng)電荷改變，同時外表面產(chǎn)生相反的感應(yīng)電荷，隨導(dǎo)線流出，形成電流，進而在兩端就會有一定的電壓，由測試電路探測出這個電壓。由于沖擊力或者壓力不同，那么空腔也就是一對駐極體里的高度變化也是不同的，所以產(chǎn)生的電流以及電壓都不一樣。當壓力或者沖擊力釋放的時候，空腔的高度變大，那么同樣的道理，會產(chǎn)生一個相反的電壓。測試電路測量電壓，從而得到壓力或者沖擊力的值。
[0007]彈片電極作為上電極，當外力施加于彈片電極時，彈片電極變形，并且具有一定的回彈性;材料采用鋼、合金或者鐵等具有彈性的薄導(dǎo)電金屬材料;厚度在5μπι?5mm之間。彈片電極的形狀為球面或橢球面的一部分;或者彈片電極的頂部為平面且側(cè)面為曲面。
[0008]絕緣墊片提供一個高度，使得兩層駐極體層之間不接觸，從而不會發(fā)生短路現(xiàn)象，材料采用非彈性的絕緣體，可以是陶瓷或玻璃等;厚度在ΙΟμπι?2_之間。
[0009]背電極作為下電極，材料采用鋼、合金或者鐵等導(dǎo)電金屬材料;但與上電極不同的是，背電極不需要彈性形變，所以是平板狀的。
[0010]彈片電極駐極體層和背電極駐極體層為柔性的駐極體的薄膜，從而可以分別緊貼在彈片電極的內(nèi)表面以及背電極的上表面。駐極體的材料采用派瑞林Parylene、特氟龍Teflon和二氧化娃中的一種，一個表面具有負或正的極化電荷;厚度在ΙΟμπι?2mm之間。
[0011]彈片電極駐極體層與背電極駐極體層之間形成空腔，內(nèi)部充滿空氣；二者之間的距離在ΙΟμπι?Imm之間。
[0012]測試電路包括電壓跟隨器、整流濾波基本電路、檢波器、無線傳輸器以及微控制單元；其中，彈片電極與背電極之間的電壓峰信號通過導(dǎo)線輸入至電壓跟隨器，進行阻抗匹配;經(jīng)整流濾波基本電路濾掉電路當中不明噪音;檢波器對信號進行檢測，當有觸發(fā)電壓產(chǎn)生時，檢波器產(chǎn)生一個觸發(fā)信號，然后通過無線傳輸器將觸發(fā)信號傳輸?shù)轿⒖刂茊卧?微控制單元對觸發(fā)信號進行采集和整合，經(jīng)過計算最終得到?jīng)_擊外力的數(shù)字信號值。
[0013]本發(fā)明的另一個目的在于提供一種基于壓電駐極體的無源高靈敏沖擊力傳感器的測試方法。
[0014]本發(fā)明的基于壓電駐極體的無源高靈敏沖擊力傳感器的測試方法，包括以下步驟:
[0015]I)對兩層駐極體層分別進行極化，在兩層駐極體層的表面分別形成異性的極化電荷；
[0016]2)兩層駐極體層分別緊密貼合在背電極的上表面以及彈片電極的內(nèi)表面，分別形成背電極駐極體層和彈片電極駐極體層，彈片電極通過絕緣墊片設(shè)置在背電極上，在背電極駐極體層和彈片電極駐極體層之間形成空腔，彈片電極駐極體層和背電極駐極體層相對的表面分別分布有異性的極化電荷，形成宏觀偶極子，彈片電極的外表面和背電極的下表面分別通過導(dǎo)線連接至測試電路的輸入端；
[0017]3)外力作用在彈片電極上，彈片電極發(fā)生形變，彈片電極駐極體層和背電極駐極體層之間的距離發(fā)生變化，在彈片電極駐極體層和背電極駐極體層之間的宏觀偶極距發(fā)生變化，使得彈片電極和背電極的感應(yīng)電荷發(fā)生變化，造成變化的電荷在導(dǎo)線移動，形成了沖擊外力作用下的電壓峰信號；
[0018]4)電壓峰信號通過導(dǎo)線輸入至電壓跟隨器，進行阻抗匹配;經(jīng)整流濾波電路濾掉電路當中不明噪音;檢波器對信號進行檢測，當有觸發(fā)電壓產(chǎn)生時，檢波器產(chǎn)生一個觸發(fā)信號，然后通過無線傳輸器將觸發(fā)信號傳輸?shù)轿⒖刂茊卧?微控制單元對觸發(fā)信號進行采集和整合，經(jīng)過計算最終得到?jīng)_擊外力的數(shù)字信號值。
[0019]本發(fā)明的優(yōu)點:
[0020]本發(fā)明在背電極以及彈片電極上分別設(shè)置駐極體層，彈片電極駐極體層與背電極駐極體層之間形成空腔，并構(gòu)成了一對壓電駐極體，表面分別具有異性的極化電荷，彈片電極駐極體層與背電極駐極體層之間形成宏觀偶極子，當受到外力時，宏觀偶極距改變，形成沖擊型的電壓峰信號，通過測量電壓從而得到外力;本發(fā)明使用特殊的沖擊力的結(jié)構(gòu)方式提供一個沖擊電壓，靈敏度可達80V/lMPa，具有高沖擊