[发明专利]基于压电驻极体的无源高灵敏冲击力传感器及其测试方法

权利要求书

1.一种基于压电驻极体的无源高灵敏冲击力传感器，其特征在于，所述冲击力传感器包括：弹片电极、绝缘垫片、背电极、弹片电极驻极体层、背电极驻极体层、空腔、导线和测试电路；其中，所述背电极为平板状，采用导电金属材料；所述背电极驻极体层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；所述弹片电极通过绝缘垫片设置在背电极上，绝缘垫片将弹片电极与背电极之间电学绝缘；所述弹片电极驻极体层紧密贴合在弹片电极的内表面；所述弹片电极的形状为中心对称的曲面，在弹片电极驻极体层与背电极驻极体层之间形成空腔，并且构成了一对压电驻极体；所述背电极驻极体层与弹片电极驻极体层相对的表面分别均匀分布有异性的极化电荷，形成宏观偶极子；所述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；外力作用在弹片电极上，弹片电极发生形变，弹片电极驻极体层与背电极驻极体层之间的距离发生变化，在弹片电极驻极体层与背电极驻极体层之间的宏观偶极矩发生变化，使得弹片电极和背电极的感应电荷发生变化，造成变化的电荷在导线移动，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。

2.如权利要求1所述的冲击力传感器，其特征在于，所述弹片电极具有回弹性；材料采用具有弹性的薄导电金属材料。

3.如权利要求1所述的冲击力传感器，其特征在于，所述弹片电极的厚度在5μm～5mm之间。

4.如权利要求1所述的冲击力传感器，其特征在于，所述弹片电极的形状为球面或椭球面的一部分；或者，弹片电极的顶部为平面且侧面为曲面。

5.如权利要求1所述的冲击力传感器，其特征在于，所述绝缘垫片的材料采用非弹性的绝缘体；厚度在10μm～2mm之间。

6.如权利要求1所述的冲击力传感器，其特征在于，所述弹片电极驻极体层和背电极驻极体层为柔性的驻极体的薄膜，驻极体的材料采用派瑞林Parylene、特氟龙Teflon和二氧化硅中的一种。

7.如权利要求1所述的冲击力传感器，其特征在于，所述弹片电极驻极体层和背电极驻极体层的厚度在10μm～2mm之间。

8.如权利要求1所述的冲击力传感器，其特征在于，所述测试电路包括电压跟随器、整流滤波基本电路、检波器、无线传输器以及微控制单元；其中，弹片电极与背电极之间的电压峰信号通过导线输入至电压跟随器，进行阻抗匹配；经整流滤波基本电路滤掉电路当中不明噪音；检波器对信号进行检测，当有触发电压产生时，检波器产生一个触发信号，然后通过无线传输器将触发信号传输到微控制单元；微控制单元对触发信号进行采集和整合，经过计算最终得到冲击外力的数字信号值。

9.一种基于压电驻极体的无源高灵敏冲击力传感器的测试方法，其特征在于，所述测试方法包括以下步骤：

1)对两层驻极体层分别进行极化，在两层驻极体层的表面分别形成异性的极化电荷；

2)两层驻极体层分别紧密贴合在背电极的上表面以及弹片电极的内表面，分别形成背电极驻极体层和弹片电极驻极体层，弹片电极通过绝缘垫片设置在背电极上，在背电极驻极体层和弹片电极驻极体层之间形成空腔，弹片电极驻极体层和背电极驻极体层相对的表面分别分布有异性的极化电荷，形成宏观偶极子，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；

3)外力作用在弹片电极上，弹片电极发生形变，弹片电极驻极体层和背电极驻极体层之间的距离发生变化，在弹片电极驻极体层和背电极驻极体层之间的宏观偶极距发生变化，使得弹片电极和背电极的感应电荷发生变化，造成变化的电荷在导线移动，形成了冲击外力作用下的电压峰信号；

4)电压峰信号通过导线输入至电压跟随器，进行阻抗匹配；经整流滤波电路滤掉电路当中不明噪音；检波器对信号进行检测，当有触发电压产生时，检波器产生一个触发信号，然后通过无线传输器将触发信号传输到微控制单元；微控制单元对触发信号进行采集和整合，经过计算最终得到冲击外力的数字信号值。