[发明专利]一种基于驻极体的无源冲击力学传感器及其测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及无源冲击传感器，具体涉及一种基于驻极体的无源冲击力学传感器及其测试 方法。

背景技术

振动冲击是自然界和工程界广泛存在的现象，尤其是随着航天飞行器的进步和汽车业的 发展，使用低成本高效率的冲击传感器就有很大的重要性。近年来，冲击力学传感器正朝着 更低功耗、更高敏感度的方向发展。目前，典型的无源冲击力学传感器主要以PVDF压电柔 性材料和PZT压电陶瓷为敏感材料，能实现自供电力学敏感。然而，PVDF压电柔性材料的 压电敏感度较低，小于30pC/N，难以准确测量微弱冲击力；PZT压电陶瓷的压电敏感度很高， 大于200pC/N，但它属于硬脆陶瓷材料，在冲击力较大时，会造成压电陶瓷的结构破坏。

因此，研究一种新型无源冲击力学传感器，兼有超高敏感度和出色机械性能，意义重大。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于驻极体的无源冲击力学传感器， 基于驻极体机理和使用特殊的冲击力的结构方式产生一个极强的冲击电压信号，灵敏度可达 10V/1MPa左右，具有耐高冲击、可测高载荷以及高灵敏度等特点；并且，本发明中的无源冲 击力学传感器是不需要任何的外载供电的，在正常的运作过程中，可以做到自供电且无需偏 执电压；在目前的冲击传感器发电技术中展现了零功耗、自供电的特点。

本发明的一个目的在于提出一种基于驻极体的无源冲击力学传感器。

在本发明中，驻极体可以紧密贴合背电极设置，还可以紧密贴合弹片电极。

驻极体紧密贴合背电极，本发明的基于驻极体的无源冲击力学传感器包括：冲击力学传 感器包括：弹片电极、绝缘垫片、背电极、驻极体、空腔、导线和测试电路；其中，背电极 为平板状，采用导电金属材料；驻极体紧密贴合在背电极的上表面；在背电极的上表面并且 位于驻极体的周围，设置有绝缘垫片；弹片电极通过绝缘垫片设置在背电极上方，绝缘垫片 将弹片电极与背电极之间电学绝缘；弹片电极的形状为中心对称的曲面，在弹片电极与驻极 体之间形成空腔，并且绝缘垫片将弹片电极与驻极体绝缘；在驻极体的上表面均匀分布有极 化电荷，弹片电极的内表面由于电荷感应具有与驻极体的电荷相反的电荷，形成等效可变电 容；弹片电极的外表面和背电极的下表面分别通过导线连接至测试电路的输入端；冲击外力 作用在弹片电极上，弹片电极发生形变，弹片电极与驻极体之间的距离发生变化，在弹片电 极与驻极体之间的空腔的等效可变电容发生变化，导致感应电荷发生变化，使得电荷在导线 移动，形成了冲击外力作用下的电压峰信号；电压峰信号输入至测试电路中，经过计算最终 得到冲击外力的数字信号值。

本发明采用在背电极上设置驻极体，驻极体与弹片电极之间形成空腔，在驻极体的表面 具有极化电荷，由于电荷感应，弹片电极的内表面产生相反的电荷，驻极体与弹片电极之间 形成电容。当外力(冲击力或压力)作用在弹片电极上时，弹片电极受制于压力而产生形变， 弹片电极和驻极体之间的距离发生变化，在空腔的范围之内，电容也会发生变化而导致感应 电荷发生移动。在外力向下压的过程中，产生一个冲击型的电压峰信号。在这个时候由于背 电极等同于接地状态，背电极与地面之间的电容的值是不会发生任何改变的，但是由于距离 的减小，弹片电极和背电极之间的电容增大，此时弹片电极内表面的感应电荷改变，同时外 表面产生相反的感应电荷，随导线线流出，形成电流，进而在两端就会有一定的电压，由测 试电路探测出这个电压。由于冲击力或者是压力不同，那么空腔里的高度变化也是不同的， 所以产生的电流以及电压都不一样。当压力或者冲击力释放的时候，空腔的高度变大，那么 同样的道理，会产生一个相反的电压。测试电路测量电压，从而得到压力或者冲击力的值。