一種基于駐極體的無源沖擊力學(xué)傳感器及其測(cè)試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無源沖擊傳感器，具體涉及一種基于駐極體的無源沖擊力學(xué)傳感器及其測(cè)試方法。
【背景技術(shù)】
[0002]振動(dòng)沖擊是自然界和工程界廣泛存在的現(xiàn)象，尤其是隨著航天飛行器的進(jìn)步和汽車業(yè)的發(fā)展，使用低成本高效率的沖擊傳感器就有很大的重要性。近年來，沖擊力學(xué)傳感器正朝著更低功耗、更高敏感度的方向發(fā)展。目前，典型的無源沖擊力學(xué)傳感器主要以PVDF壓電柔性材料和PZT壓電陶瓷為敏感材料，能實(shí)現(xiàn)自供電力學(xué)敏感。然而，PVDF壓電柔性材料的壓電敏感度較低，小于30pC/N，難以準(zhǔn)確測(cè)量微弱沖擊力;PZT壓電陶瓷的壓電敏感度很高，大于200pC/N，但它屬于硬脆陶瓷材料，在沖擊力較大時(shí)，會(huì)造成壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)破壞。
[0003]因此，研究一種新型無源沖擊力學(xué)傳感器，兼有超高敏感度和出色機(jī)械性能，意義重大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出了一種基于駐極體的無源沖擊力學(xué)傳感器，基于駐極體機(jī)理和使用特殊的沖擊力的結(jié)構(gòu)方式產(chǎn)生一個(gè)極強(qiáng)的沖擊電壓信號(hào)，靈敏度可達(dá)1V/IMPa左右，具有耐尚沖擊、可測(cè)尚載荷以及尚靈敏度等特點(diǎn)；并且，本發(fā)明中的無源沖擊力學(xué)傳感器是不需要任何的外載供電的，在正常的運(yùn)作過程中，可以做到自供電且無需偏執(zhí)電壓;在目前的沖擊傳感器發(fā)電技術(shù)中展現(xiàn)了零功耗、自供電的特點(diǎn)。
[0005]本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種基于駐極體的無源沖擊力學(xué)傳感器。
[0006]在本發(fā)明中，駐極體可以緊密貼合背電極設(shè)置，還可以緊密貼合彈片電極。
[0007]駐極體緊密貼合背電極，本發(fā)明的基于駐極體的無源沖擊力學(xué)傳感器包括:沖擊力學(xué)傳感器包括:彈片電極、絕緣墊片、背電極、駐極體、空腔、導(dǎo)線和測(cè)試電路;其中，背電極為平板狀，采用導(dǎo)電金屬材料;駐極體緊密貼合在背電極的上表面;在背電極的上表面并且位于駐極體的周圍，設(shè)置有絕緣墊片;彈片電極通過絕緣墊片設(shè)置在背電極上方，絕緣墊片將彈片電極與背電極之間電學(xué)絕緣;彈片電極的形狀為中心對(duì)稱的曲面，在彈片電極與駐極體之間形成空腔，并且絕緣墊片將彈片電極與駐極體絕緣;在駐極體的上表面均勻分布有極化電荷，彈片電極的內(nèi)表面由于電荷感應(yīng)具有與駐極體的電荷相反的電荷，形成等效可變電容；彈片電極的外表面和背電極的下表面分別通過導(dǎo)線連接至測(cè)試電路的輸入端;沖擊外力作用在彈片電極上，彈片電極發(fā)生形變，彈片電極與駐極體之間的距離發(fā)生變化，在彈片電極與駐極體之間的空腔的等效可變電容發(fā)生變化，導(dǎo)致感應(yīng)電荷發(fā)生變化，使得電荷在導(dǎo)線移動(dòng)，形成了沖擊外力作用下的電壓峰信號(hào)；電壓峰信號(hào)輸入至測(cè)試電路中，經(jīng)過計(jì)算最終得到?jīng)_擊外力的數(shù)字信號(hào)值。
[0008]本發(fā)明采用在背電極上設(shè)置駐極體，駐極體與彈片電極之間形成空腔，在駐極體的表面具有極化電荷，由于電荷感應(yīng)，彈片電極的內(nèi)表面產(chǎn)生相反的電荷，駐極體與彈片電極之間形成電容。當(dāng)外力(沖擊力或壓力)作用在彈片電極上時(shí)，彈片電極受制于壓力而產(chǎn)生形變，彈片電極和駐極體之間的距離發(fā)生變化，在空腔的范圍之內(nèi)，電容也會(huì)發(fā)生變化而導(dǎo)致感應(yīng)電荷發(fā)生移動(dòng)。在外力向下壓的過程中，產(chǎn)生一個(gè)沖擊型的電壓峰信號(hào)。在這個(gè)時(shí)候由于背電極等同于接地狀態(tài)，背電極與地面之間的電容的值是不會(huì)發(fā)生任何改變的，但是由于距離的減小，彈片電極和背電極之間的電容增大，此時(shí)彈片電極內(nèi)表面的感應(yīng)電荷改變，同時(shí)外表面產(chǎn)生相反的感應(yīng)電荷，隨導(dǎo)線線流出，形成電流，進(jìn)而在兩端就會(huì)有一定的電壓，由測(cè)試電路探測(cè)出這個(gè)電壓。由于沖擊力或者是壓力不同，那么空腔里的高度變化也是不同的，所以產(chǎn)生的電流以及電壓都不一樣。當(dāng)壓力或者沖擊力釋放的時(shí)候，空腔的高度變大，那么同樣的道理，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相反的電壓。測(cè)試電路測(cè)量電壓，從而得到壓力或者沖擊力的值。
[0009]駐極體緊密貼合彈片電極，本發(fā)明的基于駐極體的無源沖擊力學(xué)傳感器包括:彈片電極、絕緣墊片、背電極、駐極體、空腔、導(dǎo)線和測(cè)試電路;其中，背電極為平板狀，采用導(dǎo)電金屬材料;在背電極的上表面并且位于駐極體的周圍，設(shè)置有絕緣墊片;彈片電極的底邊緣通過絕緣墊片設(shè)置在背電極上方，絕緣墊片將彈片電極與背電極之間電學(xué)絕緣;彈片電極的形狀為中心對(duì)稱的曲面;駐極體的上表面緊密貼合在彈片電極的內(nèi)表面，在駐極體與背電極之間形成空腔，并且絕緣墊片將背電極與駐極體絕緣;在駐極體的下表面均勻分布有極化電荷，背電極的上表面由于電荷感應(yīng)具有與駐極體的電荷相反的電荷，形成等效可變電容;彈片電極的外表面和背電極的下表面分別通過導(dǎo)線連接至測(cè)試電路;沖擊外力作用在彈片電極上，彈片電極發(fā)生形變，駐極體與背電極之間的距離發(fā)生變化，在背電極與駐極體之間的空腔的等效可變電容發(fā)生變化，導(dǎo)致感應(yīng)電荷發(fā)生變化，使得電荷在導(dǎo)線移動(dòng)，形成了沖擊外力作用下的電壓峰信號(hào)；電壓峰信號(hào)輸入至測(cè)試電路中，經(jīng)過計(jì)算最終得到?jīng)_擊外力的數(shù)字信號(hào)值。
[0010]彈片電極作為上電極，當(dāng)外力施加于彈片電極時(shí)，彈片電極變形，并且具有一定的回彈性，以滿足動(dòng)態(tài)脈寬響應(yīng)范圍；材料采用鋼、合金或者鐵等具有彈性的薄導(dǎo)電金屬材料;厚度在5μπι?5mm之間。彈片電極的形狀為球面或橢球面的一部分;或者彈片電極的頂部為平面且側(cè)面為曲面。
[0011]絕緣墊片提供一個(gè)高度，使得駐極體不與彈性電極或背電極接觸而發(fā)生短路現(xiàn)象，材料采用非彈性的絕緣體，可以是陶瓷或玻璃等;厚度在ΙΟμπι?2_之間。
[0012]背電極作為下電極，材料采用鋼、合金或者鐵等導(dǎo)電金屬材料;但與上電極不同的是，背電極不需要彈性形變，所以是平板狀的。
[0013]駐極體的材料采用派瑞林Parylene、特氟龍Tef1n和二氧化娃中的一種，一個(gè)表面具有負(fù)或正電荷，從而使得彈片電極的內(nèi)表面或者背電極的上表面由于電荷感應(yīng)產(chǎn)生的相反的電荷;厚度在ΙΟμπι?2mm之間。駐極體的材料為柔性材料，能夠緊密貼合在背電極的上表面或者彈片電極的內(nèi)表面。
[0014]彈片電極與駐極體之間，或者駐極體與背電極之間形成空腔，內(nèi)部充滿空氣;彈片電極與駐極體之間的距離在ΙΟμπι?Imm之間。
[0015]測(cè)試電路包括電壓跟隨器、整流濾波基本電路、檢波器、無線傳輸器以及微控制單元；其中，彈片電極與背電極之間的電壓峰信號(hào)通過導(dǎo)線輸入至電壓跟隨器，進(jìn)行阻抗匹配;經(jīng)整流濾波基本電路濾掉電路當(dāng)中不明噪音;檢波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)有觸發(fā)電壓產(chǎn)生時(shí)，檢波器產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，然后通過無線傳輸器將觸發(fā)信號(hào)傳輸?shù)轿⒖刂茊卧?微控制單元對(duì)觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行采集和整合，經(jīng)過計(jì)算最終得到?jīng)_擊外力的數(shù)字信號(hào)值。
[0016]駐極體緊密貼合背電極，本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種基于駐極體的無源沖擊力學(xué)傳感器的測(cè)試方法。
[0017]本發(fā)明的基于駐極體的無源沖擊力學(xué)傳感器的測(cè)試方法，包括以下步驟:
[0018]I)對(duì)駐極體進(jìn)行極化，在駐極體的表面形成極化電荷；
[0019]2)駐極體緊密貼合在背電極的上表面，彈片電極的底邊緣通過絕緣墊片設(shè)置在背電極上，在彈片電極與駐極體之間形成空腔，彈片電極的內(nèi)表面由于電荷感應(yīng)具有與駐極體的電荷相反的電荷，形成等效可變電容，彈片電極的外表面和背電極的下表面分別通過導(dǎo)線連接至測(cè)試電路的輸入端；
[0020]3)沖擊外力作用在彈片電極上，彈片電極發(fā)生形變，彈片電極與駐極體之間的距離發(fā)生變化，在彈片電極與駐極體之間的空腔的等效可變電容發(fā)生變化，導(dǎo)致感應(yīng)電荷發(fā)生變化，使得電荷在導(dǎo)線移動(dòng)，形成了沖擊外力作用下的電壓峰信號(hào)；
[0021]4)電壓峰信號(hào)通過導(dǎo)線輸入至電壓跟隨器，進(jìn)行阻抗匹配;經(jīng)整流濾波電路濾掉電路當(dāng)中不明噪音;檢波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)有觸發(fā)電壓產(chǎn)生時(shí)，檢波器產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，然后通過無線傳輸器將觸發(fā)信號(hào)傳輸?shù)轿⒖刂茊卧?微控制單元對(duì)觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行采集和整合，經(jīng)過計(jì)算最終得到?jīng)_擊外力的數(shù)字信號(hào)值。
[0022]駐極體緊密貼合彈片電極，本發(fā)明的基于駐極體的無源沖擊力學(xué)傳感器的測(cè)試方法，包括以下步驟:
[0023]I)對(duì)駐極體進(jìn)行極化，在駐極體的表面形成極化電荷；
[0024]2)駐極體的上表面緊密貼合在彈片電極的內(nèi)表面，在駐極體與背電極之間形成空腔，并且絕緣墊片將背電極與駐極體絕緣;在駐極體的下表面均勻分布有極化電荷，背電極的上表面由于電荷感應(yīng)具有與駐極體的電荷相反的電荷，形成等效可變電容;彈片電極的外表面和背電極的下表面分別通過導(dǎo)線連接至測(cè)試電路；
[0025]3)沖擊外力作用在彈片電極上，彈片電極發(fā)生形變，駐極體與背電極之間的距離發(fā)生變化，在背電極與駐極體之間的空腔的等效可變電容發(fā)生變化，導(dǎo)致感應(yīng)電荷發(fā)生變化，使得電荷沿導(dǎo)線移動(dòng)，形成了沖擊外力作用下的電壓峰信號(hào)；
[0026]4)電壓峰信號(hào)通過導(dǎo)線輸入至電壓跟隨器，進(jìn)行阻抗匹配;經(jīng)整流濾波電路濾掉電路當(dāng)中不明噪音;檢波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)有觸發(fā)電壓產(chǎn)生時(shí)，檢波器產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，然后通過無線傳輸器將觸發(fā)信號(hào)傳輸?shù)轿⒖刂茊卧?微控制單元對(duì)觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行采集和整合，經(jīng)過計(jì)算最終得到?jīng)_擊外力的數(shù)字信號(hào)值。
[0027]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):
[0028]本發(fā)明在背電極或彈片電極上設(shè)置駐極體，駐極體的表面分布有極化電荷，在駐極體與彈片電極或背電極之間形成電容，當(dāng)沖擊外力作用在彈片電極上時(shí)，彈片電極發(fā)生形變，等效可變電容改變，形成了沖擊外力作用下的電壓峰信號(hào)，電壓峰信號(hào)輸入至測(cè)試電路中，經(jīng)過計(jì)算最終得到?jīng)_擊外力的數(shù)字信號(hào)值;本發(fā)明使用特殊的沖擊力的結(jié)構(gòu)方式提供一個(gè)沖擊電壓，靈敏度可達(dá)10V/