[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

说明书

本发明公开了一种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。本发明在背电极以及弹片电极上分别设置驻极体层，弹片电极驻极体层与背电极驻极体层之间形成空腔，并构成了一对压电驻极体，表面分别具有异性的极化电荷，弹片电极驻极体层与背电极驻极体层之间形成宏观偶极子，当受到外力时，宏观偶极距改变，形成冲击型的电压峰信号，通过测量电压从而得到外力；本发明使用特殊的冲击力的结构方式提供一个冲击电压，灵敏度可达80V/1MPa，具有高冲击高载荷以及超高灵敏度等特点；本发明不需要任何的外载供电，自供电且无需偏执电压，实现无源工作；在目前的冲击力传感器发电技术中展现了低消耗高效率以及超高灵敏度的特点。

技术领域

本发明涉及无源冲击力传感器，具体涉及一种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。

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力传感器就有很大的重要性。近年来，冲击力传感器正朝着更低功耗、更高敏感度的方向发展。目前，典型的无源冲击力传感器主要以聚偏氟乙烯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。

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压电驻极体的无源高灵敏冲击力传感器及其测试方法，基于压电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80V/1MPa左右，具有耐高冲击、可测高载荷、高灵敏度且无需后端信号放大电路等特点；并且，本发明中的无源高敏感度冲击力传感器不需要任何外载供电，在正常的运作过程中，可以做到自供电且无需偏执电压；相比较其他的基于驻极体的无源冲击力传感器，它具有更高的灵敏度；在目前的冲击力传感器发电技术中展现了零功耗、自供电以及超高灵敏度的特点。

本发明的一个目的在于提出一种基于压电驻极体的无源高灵敏冲击力传感器。

本发明的基于压电驻极体的无源高灵敏冲击力传感器包括：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，背电极为平板状，采用导电金属材料；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；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；弹片电极驻极体层紧密贴合在弹片电极的内表面；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；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；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。