[发明专利]一种基于挠曲电效应的高g值加速度传感器及测量方法

说明书

一种基于挠曲电效应的高g值加速度传感器及测量方法，该传感器包括相固连的基体和绝缘刚性圆柱壳体，两个挠曲电材料圆台相对的置于绝缘刚性圆柱壳体内，通过绝缘刚性圆柱壳体上盖给其一定的预紧力，挠曲电材料圆台的上下表面涂有电极，电极与电荷放大器输入端相连，电荷放大器输出端与信号处理、显示、存储模块相连；测量高g值加速度时，基体存在高g值的加速度，通过绝缘刚性圆柱壳体传递给挠曲电材料圆台，挠曲电材料圆台受惯性力发生变形产生应变梯度，产生极化电荷，经电极传递至电荷放大器，经处理实时的显示基体运动高g值的加速度变化情况；本发明无需对挠曲电材料圆台供电，具有无外加质量块、量程宽、适用频带宽、实时性良好、直接测量、结构简单等特点。

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种基于挠曲电效应的高 g值加速度传感器及测量方法。

背景技术

现有的加速度测量技术中，大多采用压电式、压阻式、电容式、伺服式。加速度的实时监测在军事、生活中有着重要的应用，如：汽车中根据测量的加速度值判断是否开启安全气囊，超重力环境的模拟，地震波检测、卫星的天体的姿态调整。

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，并且压电式加速度传感器不能测量零频率的信号。而压阻式加速度传感器的敏感芯体为半导体材料，受温度影响较大；电容式加速度传感器对电缆电容的影响较大、量程有限。

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、挠曲电系数和梯度方向，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

由上述公式可以看出，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，从而对基体加速度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高g值加速度传感器及测量方法，无需对挠曲电材料圆台供电，具有无外加质量块、量程宽、适用频带宽、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高g值加速度传感器，包括基体1和绝缘刚性圆柱壳体4，所述基体1为运动体本身，基体1与刚性圆柱壳体4固结，绝缘刚性圆柱壳体4的上盖能够移动和锁止，两个挠曲电材料圆台2相对的置于绝缘刚性圆柱壳体4内，通过绝缘刚性圆柱壳体4上盖给两个相对的挠曲电材料圆台2一定的预紧力，挠曲电材料圆台2的上下表面涂有电极3，电极3与电荷放大器5的输入端相连，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。

在测量不同加速度时，所述挠曲电材料圆台2的大小和采用的挠曲电材料不同。

所述挠曲电材料圆台2、绝缘刚性圆柱壳体4尺寸较小，对基体 1自身运动影响很小。