[发明专利]一种基于多孔材料巨挠曲电效应的多种载荷传感器及载荷解耦方法

说明书

本发明涉及传感器领域，具体涉及一种基于多孔材料巨挠曲电效应的多种载荷传感器及载荷解耦的方法。其中，该传感器包括电介质基底、阵列多孔结构、金属电极、导线。基于多孔电介质材料的巨挠曲电效应，即多孔材料在受到任意形式载荷的时候均会产生电信号，并且电信号相较于实体结构更大，可以针对压缩、弯曲、剪切、冲击等载荷形式设计载荷传感器。同时由于现实载荷往往是多轴的，该发明依据多孔电介质材料的电信号输出与受力的线性关系，通过分别收集正交平面上电信号的方式设计了完善的解耦方法将其分解从而得到详细的载荷大小、方向，本发明可以有效地改善现有的传感器需要外接电源、成本高、易受环境影响、易腐蚀的问题，并且具有质量轻、灵敏度高、精度高以及能够吸能的优点。

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体为一种基于多孔材料巨挠曲电效应的多种载荷传感器及载荷解耦方法。

背景技术

挠曲电效应作为一种具有独特优势和性质的新型力电耦合效应，能够定量地描述极化场与应变梯度的线性关系。相比较于其他力电耦合效应，挠曲电效应普遍存在于所有电介质材料中，不受材料的中心对称性影响。并且挠曲电效应不受温度的限制，相比较于压电效应在材料居里温度以上时的失效，挠曲电效应在温度远高于材料居里温度时仍然存在。因此基于挠曲电效应制备的传感器在选材方面不受限制，可以根据环境的需要以及应用的需要更加合理的选材。挠曲电效应的表达式为：

在多孔材料中，由于多孔材料本身微结构在受到任意形式的载荷是均会发生非均匀应变，因此在受到宏观均匀的载荷时也会发生挠曲电效应，产生极化场，并且输出的电信号与载荷成线性关系。并且由于挠曲电效应具有尺寸效应，随着尺寸的缩小其电信号输出会增大，因此对于多孔材料中的微结构其产生的电信号相当可观，这为基于多孔材料巨挠曲电效应的传感器的灵敏度和精度提供了支持。

当多孔电介质材料受到载荷时，自发极化产生的电信号能够精确输出载荷信息。因此，相较于传统传感器，基于多孔材料巨挠曲电效应的传感器具有无需外接电源、成本低、易维护、质量轻、结构简单、适用于恶劣环境的优点，并且可以根据需求选取具有不同力学性能的材料来实现大变形工况下的载荷传感，且具有对被测量/传感的物体提供缓冲保护的功能。对于航空航天、机械设计、石油化工、健康监测、运动科学等领域都具有重大的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于多孔材料巨挠曲电效应的多种载荷传感器。该发明简洁明了且易于实施，能利用多孔电介质材料在发生变形时的自发极化产生的电信号来输出载荷信息，且过程中不对环境造成污染。本发明保护的传感装置无需外加电源、结构简单、质量较小、所需材料易得、成本低、易维护、适用范围广、可大规模应用、灵敏度高、精度高，能够完整地输出载荷的大小、方向信息，克服了现有的部分载荷传感器所存在的结构复杂、成本高昂、不便于保存维护、精度不足等问题，并且能够对被测量物体提供缓冲和保护。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种基于多孔材料巨挠曲电效应的多种载荷传感器，所述传感器利用多孔电介质材料受到载荷时的自发极化所输出的电信号来实现传感。

所述传感器包括电介质基底1，该电介质基底1上粘接阵列多孔结构2，阵列多孔结构2包括多个单体，在阵列多孔结构2的每个单体上选择至少三个法向不共面的表面，在上述表面覆盖金属电极3，每个金属电极3上均由导线4引出用于输出电信号。进一步的，所述传感器用于多种载荷形式，所述载荷形式为压缩、弯曲、剪切或冲击。

所述电介质基底1材料包括所有电介质材料，优选聚二甲基硅氧烷、聚偏氟乙烯、氧化铝陶瓷、锆酸钡陶瓷或锆酸钙陶瓷。

所述阵列多孔结构材料包括所有电介质材料，优选与电介质基底1材料一致。

进一步的，所述阵列多孔结构内部具有微结构所述阵列多孔结构采用电介质材料，包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚偏氟乙烯(PVDF)、氧化铝陶瓷、锆酸钡陶瓷或锆酸钙陶瓷。