[發(fā)明專利]一種基于撓曲電效應(yīng)的流速變化率的傳感結(jié)構(gòu)和測量方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510429040.2
• 申請日: 2015-07-21
• 公開（公告）號: CN105137118B
• 公開（公告）日: 2018-04-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉開園;徐明龍;張舒文;申勝平;馮勃;邵恕寶
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號: G01P15/09
• 分類號: G01P15/09
• 代理公司: 西安智大知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所61215
• 代理人: 何會俠

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于撓曲電效應(yīng)的流速變化率的傳感結(jié)構(gòu)和測量方法。

背景技術(shù)

現(xiàn)有的流量、流速測量技術(shù)中，大多采用電磁測量技術(shù)、激光測量技術(shù)。而除了流速測量，流速變化率的實時監(jiān)測也在軍事、生活中有著重要的應(yīng)用，如：飛機蒙皮在飛機飛行中，來流速度發(fā)生變化，蒙皮受到的力發(fā)生變化，飛機飛行受到影響；通過石油管道輸送石油時，石油流速變化，石油對管道的沖擊力不同，給管道造成的傷害不同；汽車高速行駛時，側(cè)風(fēng)風(fēng)速變化率對汽車行駛有著嚴(yán)重的影響?，F(xiàn)有的流速變化率測量手段主要基于流量測量、流速測量，通過對流量、流速測量結(jié)果進行數(shù)字化-差分-計算等步驟來計算得到流速變化率。該方法具有計算繁瑣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度較低等缺點，并且不能實現(xiàn)實時監(jiān)測。

現(xiàn)有的基于壓電材料的壓電式加速度傳感器在測量加速度的裝置中得到了廣泛的應(yīng)用。但壓電式加速度傳感器需在壓電晶體上放置一個質(zhì)量塊，并且為了隔離試件的任何應(yīng)變傳送到壓電元件上去，一般要加厚基座或選用由剛度較大的材料來制造，殼體和基座的重量差不多占傳感器重量的一半，實際有效部件所占重量較小，且壓電材料作為一種含重金屬材料，其材料本身也對環(huán)境有潛在威脅。

為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于撓曲電效應(yīng)的流速變化率的傳感結(jié)構(gòu)和測量方法。

撓曲電存在于所有電介質(zhì)中，其原理早在上世紀(jì)60年代就已被提出并在一定范圍內(nèi)得到了極大的發(fā)展，含壓電效應(yīng)的材料電極化的簡化描述方程為：

其中P_i,e_ijk,σ_jk,ε_jk,μ_ijkl,x_l分別為極化程度，壓電常數(shù)、應(yīng)力、應(yīng)變、撓曲電常數(shù)和梯度方向，等式右邊第一項是因應(yīng)力導(dǎo)致的壓電效應(yīng)，第二項是因應(yīng)變梯度導(dǎo)致的梯度方向的撓曲電效應(yīng)，由于在中心對稱晶體中不存在壓電效應(yīng)，因此只有第二項存在，即

而電極化可描述為電荷與電荷分布面積的比，即

其中Q_i,A分別是電荷量和電荷所分布的面積。

而電荷量與電壓存在一定的關(guān)系，即

其中Q,C,U分別是電荷量、電容和電勢。

由(1)-(4)可以看出，在材料、試件等條件一定的情況下，分子對稱晶體的極化電荷輸出與其應(yīng)變梯度成正比，而極化電荷與電壓存在一定的關(guān)系，因此，本發(fā)明采用了通過應(yīng)變梯度實現(xiàn)電荷輸出的原理，測量由極化電荷產(chǎn)生的電壓，從而對待測流場內(nèi)流速變化情況進行實時監(jiān)測。

通常而言，撓曲電現(xiàn)象與尺寸的數(shù)量級密切相關(guān)，尺寸數(shù)量級越小，其撓曲電現(xiàn)象越在極化中起決定性作用。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于撓曲電效應(yīng)的流速變化率的傳感結(jié)構(gòu)和測量方法，具有量程寬、響應(yīng)速度快、實時性良好、重量輕、直接測量、精度高、結(jié)構(gòu)簡單等特點。

為達到以上目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種基于撓曲電效應(yīng)的流速變化率的傳感結(jié)構(gòu)，包括上下側(cè)的絕緣層1，位于絕緣層1間的多個疊層單元，每個疊層單元包括上下側(cè)的電極層2，位于電極層2間的撓曲電材料層3，所述撓曲電材料層3的長度和寬度均略小于電極層2，電極層2相對于撓曲電材料層3突出部分用絕緣黏性材料4填充，起到粘結(jié)和絕緣的作用，所述絕緣層1相對于電極層2突出部分用絕緣黏性材料4填充，起到粘結(jié)和絕緣的作用，在絕緣層1和絕緣黏性材料4外圍用熱縮管緊固，形成層板狀測量元件，整個層板狀測量元件外圍部分均有絕緣材料包裹；所述撓曲電材料層3上下側(cè)的電極層2分別通過導(dǎo)線連接電荷放大器5的輸入端，電荷放大器5的輸出端與信號處理、顯示、存儲模塊6相連接；所述層板狀測量元件的一端用夾持裝置夾持，組成懸臂梁結(jié)構(gòu)，夾持裝置固定在靜止不動的固件上。

在有測量不同來流速度變化率需求時，所述絕緣層1采取的絕緣材料不同，采用的疊層單元層數(shù)不同，每一層疊層單元包含一層撓曲電材料層3。

所述層板狀測量元件的尺寸遠小于待測流場尺寸，對流場的影響極小。

所述撓曲電材料層3為介電常數(shù)大于1的分子結(jié)構(gòu)具有中心對稱性的材料。

所述介電常數(shù)大于1的分子結(jié)構(gòu)具有中心對稱性的材料為PVDF、聚四氟乙烯或鈦酸鍶鋇。

所述絕緣黏性材料4為液態(tài)時具有黏性、能夠由液態(tài)轉(zhuǎn)為固態(tài)的絕緣材料。