[发明专利]低阻抗应变率传感器

说明书

(一)技术领域：

本发明提供一种低阻抗应变率传感器，它涉及一种基于压电原理的低阻抗应变率传感器，特别涉及一种包含压电陶瓷以及常见电子元器件构成的一种低阻抗应变率传感器，属于传感器技术领域。

(二)背景技术：

目前，测量应变率所用的都是应变计。利用应变式变换原理制成电阻式应变片或应变薄膜，它可以感受测量物体受力或力矩时所产生的应变，并将应变转换为电阻变化，通过电桥进一步转换为电压或电流的变化。

应变计的缺陷为：由于应变计是多线的，线与线之间连接部分不在测量方向上，引起横向效应，横向效应使传感器的灵敏度下降；机械应变以声波的形式在材料中传播，当它依次通过一定厚度的基底、胶层并引起应变计的响应时，会有时间的滞后。应变计的这种响应滞后尤其在动态(高频)应变测量时会产生误差。

(三)发明内容：

为了克服现有技术中的不足，本发明的的目的是提供一种低阻抗应变率传感器，该传感器消除了因横向效应引起的灵敏度下降和因响应滞后引起的测量误差。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明一种低阻抗应变率传感器，是由压电陶瓷、线性运算放大器及反馈电阻组成，其特征在于：它把压电陶瓷直接连接到线性运算放大器的负输入端，线性运算放大器的正输入端接地，并且在线性运算放大器的负输入端和输出端之间连接反馈电阻。

其中，压电陶瓷的厚度小于0.3毫米，面积小于3平方厘米；

其中，线性运算放大器及反馈电阻无特殊要求，购买市场通用产品即可。

本发明一种低阻抗应变率传感器，其优点和有益效果是：因为本发明采用了与现有应变率测量方法完全不同的压电原理，没有传统方法带来的横向效应，同时也不会有时间上的滞后。此外本发明可以直接输出微分信号，而不像应变计-前置放大器需经模拟或数字微分求应变率。该发明它对噪声微分的敏感程度也比应变计式传感器要小，因为它省去了应变计式传感器因前置放大器环节而造成的噪声微分增量。所以它是一种结构简单，易于制造，测量精度高，各方面性能更加优秀的应变率传感器。

(四)附图说明：

图1是本发明的电路原理图

图2是本发明的设计辅助图

图中的标号及符号说明如下：

1压电陶瓷      2反馈电阻   3线性运算放大器           4电阻

Up压电陶瓷输出电压         Us线性运算放大器输出电压  Rf反馈电阻2

i压电陶瓷输出电流          R电阻4

(五)具体实施方式：

下面结合附图1对本发明作进一步描述：

本发明一种低阻抗应变率传感器，是由压电陶瓷1、线性运算放大器3及反馈电阻2组成。该压电陶瓷1直接与线性运算放大器3的负输入端相连接，线性运算放大器3的正输入端接地，在线性运算放大器3的负输入端和输出端之间连接一个反馈电阻2。

该压电陶瓷1被粘贴于被测结构的表面，当被测结构受力发生形变时，压电陶瓷1也会发生相应地形变。该压电陶瓷1的应变率通过压电效应被转化为电流，再经过线性运算放大器3和反馈电阻2将电流转化为输出电压。通过测量输出电压就能获取被测结构的应变率。

在具体的实施过程中，该反馈电阻2可取值为300K欧姆，该压电陶瓷1的厚度小于0.3毫米，面积小于3平方厘米；该线性运算放大器3选Linear选Linear公司生产的型号为LTC2052。

关于传感器的理论推导说明如下

压电体的机——电本构关系也即压电方程描述其机械量(应力T和应变S)及电学量(电场强度E和电位移D)间的耦合关系。首先推导出压电陶瓷片(属6mm点群晶体)的压电方程。

设压电薄片平面内坐标为x、y，法线方向也即极化方向为z。在说明中将以力学分析中惯用的符号为主，但在本节及以后有关分析压电陶瓷为主的论述中，为保持压电体分析的原貌，将沿用压电体分析文献中的一般符号，二者对照表如下：