[發明專利]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

有效

• 申請號: 201510930336.2
• 申請日: 2015-12-15
• 公開（公告）號: CN105547553B
• 公開（公告）日: 2018-06-05
• 發明（設計）人: 馮躍;韓炎暉;婁文忠
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01L5/00
• 分類號: G01L5/00;G01L25/00
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理事務所(普通合伙) 11360
• 代理人: 王巖

本發明公開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。本發明在背電極以及彈片電極上分別設置駐極體層，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；本發明使用特殊的沖擊力的結構方式提供一個沖擊電壓，靈敏度可達80V/1MPa，具有高沖擊高載荷以及超高靈敏度等特點；本發明不需要任何的外載供電，自供電且無需偏執電壓，實現無源工作；在目前的沖擊力傳感器發電技術中展現了低消耗高效率以及超高靈敏度的特點。

技術領域

本發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

振動沖擊是自然界和工程界廣泛存在的現象，尤其是隨著航天飛行器的進步和汽車業的發展，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，能實現自供電力學敏感。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構破壞。

發明內容

針對以上現有技術中存在的問題，本發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構方式產生一個極強的沖擊電壓信號，靈敏度可達80V/1MPa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電技術中展現了零功耗、自供電以及超高靈敏度的特點。

本發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。

本發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、導線和測試電路；其中，背電極為平板狀，采用導電金屬材料；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，設置有絕緣墊片；彈片電極通過絕緣墊片設置在背電極上，絕緣墊片將彈片電極與背電極之間電學絕緣；彈片電極駐極體層緊密貼合在彈片電極的內表面；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生變化，使得彈片電極和背電極的感應電荷發生變化，造成變化的電荷在導線移動，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，經過計算最終得到沖擊外力的數字信號值。