[发明专利]一种基于挠曲电效应的流速变化率的传感结构和测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及测量技术领域，具体涉及一种基于挠曲电效应的流速变化率的传感结构和测量方法。

背景技术

现有的流量、流速测量技术中，大多采用电磁测量技术、激光测量技术。而除了流速测量，流速变化率的实时监测也在军事、生活中有着重要的应用，如：飞机蒙皮在飞机飞行中，来流速度发生变化，蒙皮受到的力发生变化，飞机飞行受到影响；通过石油管道输送石油时，石油流速变化，石油对管道的冲击力不同，给管道造成的伤害不同；汽车高速行驶时，侧风风速变化率对汽车行驶有着严重的影响。现有的流速变化率测量手段主要基于流量测量、流速测量，通过对流量、流速测量结果进行数字化-差分-计算等步骤来计算得到流速变化率。该方法具有计算繁琐、结构复杂、精度较低等缺点，并且不能实现实时监测。

现有的基于压电材料的压电式加速度传感器在测量加速度的装置中得到了广泛的应用。但压电式加速度传感器需在压电晶体上放置一个质量块，并且为了隔离试件的任何应变传送到压电元件上去，一般要加厚基座或选用由刚度较大的材料来制造，壳体和基座的重量差不多占传感器重量的一半，实际有效部件所占重量较小，且压电材料作为一种含重金属材料，其材料本身也对环境有潜在威胁。

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于挠曲电效应的流速变化率的传感结构和测量方法。

挠曲电存在于所有电介质中，其原理早在上世纪60年代就已被提出并在一定范围内得到了极大的发展，含压电效应的材料电极化的简化描述方程为：

其中P_i,e_ijk,σ_jk,ε_jk,μ_ijkl,x_l分别为极化程度，压电常数、应力、应变、挠曲电常数和梯度方向，等式右边第一项是因应力导致的压电效应，第二项是因应变梯度导致的梯度方向的挠曲电效应，由于在中心对称晶体中不存在压电效应，因此只有第二项存在，即

而电极化可描述为电荷与电荷分布面积的比，即

其中Q_i,A分别是电荷量和电荷所分布的面积。

而电荷量与电压存在一定的关系，即

其中Q,C,U分别是电荷量、电容和电势。

由(1)-(4)可以看出，在材料、试件等条件一定的情况下，分子对称晶体的极化电荷输出与其应变梯度成正比，而极化电荷与电压存在一定的关系，因此，本发明采用了通过应变梯度实现电荷输出的原理，测量由极化电荷产生的电压，从而对待测流场内流速变化情况进行实时监测。

通常而言，挠曲电现象与尺寸的数量级密切相关，尺寸数量级越小，其挠曲电现象越在极化中起决定性作用。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于挠曲电效应的流速变化率的传感结构和测量方法，具有量程宽、响应速度快、实时性良好、重量轻、直接测量、精度高、结构简单等特点。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于挠曲电效应的流速变化率的传感结构，包括上下侧的绝缘层1，位于绝缘层1间的多个叠层单元，每个叠层单元包括上下侧的电极层2，位于电极层2间的挠曲电材料层3，所述挠曲电材料层3的长度和宽度均略小于电极层2，电极层2相对于挠曲电材料层3突出部分用绝缘黏性材料4填充，起到粘结和绝缘的作用，所述绝缘层1相对于电极层2突出部分用绝缘黏性材料4填充，起到粘结和绝缘的作用，在绝缘层1和绝缘黏性材料4外围用热缩管紧固，形成层板状测量元件，整个层板状测量元件外围部分均有绝缘材料包裹；所述挠曲电材料层3上下侧的电极层2分别通过导线连接电荷放大器5的输入端，电荷放大器5的输出端与信号处理、显示、存储模块6相连接；所述层板状测量元件的一端用夹持装置夹持，组成悬臂梁结构，夹持装置固定在静止不动的固件上。

在有测量不同来流速度变化率需求时，所述绝缘层1采取的绝缘材料不同，采用的叠层单元层数不同，每一层叠层单元包含一层挠曲电材料层3。

所述层板状测量元件的尺寸远小于待测流场尺寸，对流场的影响极小。

所述挠曲电材料层3为介电常数大于1的分子结构具有中心对称性的材料。

所述介电常数大于1的分子结构具有中心对称性的材料为PVDF、聚四氟乙烯或钛酸锶钡。

所述绝缘黏性材料4为液态时具有黏性、能够由液态转为固态的绝缘材料。