一種可用于沖擊波檢測的高靈敏度撓曲電傳感器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及傳感器技術領域，具體涉及一種可用于沖擊波檢測的高靈敏度撓曲電 傳感器。
【背景技術】
[0002] 力電耦合現象廣泛存在于各種人工和天然材料中。傳統的壓電式傳感器利用某些 電介質材料受力后具有壓電效應的現象制成。壓電效應是指某些電介質在收到一定方向上 外力作用而發生彎曲或伸縮變形時，由于內部電荷發生極化而在其表面上產生電荷聚集的 現象。壓電傳感器就是通過測量表面電荷量，利用力電耦合關系實現其它非電量的測量，被 廣泛應用在力學、聲學、醫學、宇航和國防等方面。
[0003] 雖然壓電材料具有優越的力電轉換效應，但是在晶體學中，壓電效應僅存在于在 具有非中心對稱結構的晶體，這樣極大的限制了材料的選取和利用。天然存在的壓電材料 壓電效應非常微弱，壓電率太低，很難用于實際檢測。目前廣泛使用的壓電材料主要由石英 晶體、壓電高分子和壓電陶瓷等材料。在實際工業應用中，所采用的壓電材料大多為鎬鈦酸 鉛類的壓電陶瓷，然而鎬鈦酸鉛含有重金屬鉛，容易對環境和人類健康造成傷害。
[0004] 與壓電效應不同，撓曲電效應是指由非均勻應變場或應變梯度產生電極化現象， 即使對于中心對稱晶體，撓曲電效應同樣可以使材料產生電極化。由于對晶體結構對稱性 相對寬松的要求，撓曲電效應普遍存在于所有的電介質中，包括非壓電材料和各向同性材 料。
[0005] 當沖擊波通過撓曲電介電材料時，發生高應變率變形，產生依賴于時間的應變梯 度，而應變梯度會產生離子的極化位移;對于沖擊壓縮波來說，原子的加速度正比于應變梯 度，不同質量的離子的加速度產生額外的極化位移，從而產生撓曲電動態效應，產生極化電 荷，撓曲電動態效應通常定義為：
[0007] 其中μ<! = -XcM/p是動態撓曲電系數。Μ是由晶格動力學計算出的系數。ε是材料的 彈性應變，X是梯度的方向，Ρ是由撓曲電效應導致的應變梯度產生的極化，Ρ是密度，c是彈 性常數。在國際單位制下，撓曲電系數的單位是C/m。
[0008] 撓曲電式材料選擇范圍更廣，環境和人類友好型材料可用來制備撓曲電式傳感 器、驅動器等功能器件。另外一個顯著的特點是撓曲電效應與尺寸相關，有研究表明應變梯 度是隨著結構尺寸的減小而增大，小尺寸高靈敏度的撓曲電式微型器件在實際中是可行 的，并且測量更加精確。
【發明內容】
[0009] 為了克服上述現有技術存在的問題，本發明的目的在于提供一種可用于沖擊波檢 測的高靈敏度撓曲電傳感器，通過沖擊波壓縮作用撓曲電介電材料產生的應變梯度與基于 撓曲電效應產生電荷之間的線性關系，來測量沖擊波壓力的大小，能夠準確、簡單的實現壓 力的測量。
[0010]為了達到以上目的，本發明采用如下技術方案：
[0011] -種可用于沖擊波檢測的高靈敏度撓曲電傳感器，包括分別設置在撓曲電介電材 料3左右表面的左金屬電極2和右金屬電極4;所述左金屬電極2與右金屬電極4分別連接有 兩條輸出測量電荷的引線5,兩條引線5的另一端與外接金屬電極8連接;所述撓曲電介電材 料3、左金屬電極2、右金屬電極4和引線5密封在環氧樹脂7內；外殼7與金屬篩1粘接在一起， 把環氧樹脂7固結在內；所述金屬篩1具有沖擊波施加壓力的壓力通道。
[0012] 所述左金屬電極2和右金屬電極4為蒸鍍金屬電極。
[0013] 所述引線5與左金屬電極2和右金屬電極片4及外接金屬電極8通過引線鍵合的方 式連接。
[0014] 所述撓曲電電介質3為碳酸鍶鋇塊體。
[0015] 所述外接金屬電極8為兩根銅棒。
[0016] 當高速沖擊波通過撓曲電介電材料3時，發生高應變率變形，產生依賴于時間的應 變梯度，而應變梯度會產生離子的極化位移;對于沖擊壓縮波來說，原子的加速度正比于應 變梯度，不同質量的離子的加速度產生額外的極化位移，從而產生撓曲電動態效應，產生極 化電荷，其表達式為：
[0018] U = kQ
[0019]其中yd = -xcM/p是動態撓曲電系數，Μ是由晶格動力學計算出的系數，P是密度，c 是彈性常數;μ是靜態撓曲電系數，ε是材料的彈性應變，X是梯度的方向，Ρ是由撓曲電效應 導致的應變梯度產生的極化，Q是左金屬電極2和右金屬電極片4金屬電極的輸出電荷，k為 電荷放大系數，U為電壓值的輸出量，Η為材料試件下表面邊長。以上公式能夠看出，只要測 量輸出電荷值，通過沖擊波壓縮作用撓曲電介電材料產生的應變梯度與基于撓曲電效應產 生電荷之間的線性關系，能夠準確、簡單的實現沖擊波壓力的測量。
[0020] 和現有技術相比較，本發明具有以下優點：
[0021] 1)本發明米用燒曲電動態效應測量沖擊波壓力，與傳統的壓式傳感器不同，燒曲 電式傳感器材料的選取范圍更寬。
[0022] 2)相對于壓電式壓力傳感器，具有高靈敏度，并具有尺寸效應，隨塊體尺寸的減小 靈敏度增加。
[0023] 3)由于撓曲電效應主要是由于應變梯度產生的，在小變形情況下，應變的測量較 為困難，大應變梯度依然存在，可極為容易的檢測到電信號，甚至可直接輸出電信號分析， 為結構的現場檢測提供了可能。
【附圖說明】
[0024] 附圖為本發明傳感器結構示意圖。
【具體實施方式】
[0025] 下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明做進一步詳細說明。
[0026] 如附圖所示，本發明一種可用于沖擊波檢測的高靈敏度撓曲電傳感器，包括分別 設置在撓曲電介電材料3左右表面的左金屬電極2和右金屬電極3,所述左金屬電極2與撓曲 電介電材料3的左表面相接觸;所述右金屬電極4與撓曲電介電材料3的右表面相接觸;所述 左金屬電極2與右金屬電極4分別連接有兩條輸出測量電荷的引線5,兩條引線5的另一端與 外接金屬電極8連接，環氧樹脂7把燒曲電介電材料3、金屬電極2、4和引線5密封在內；金屬 篩1具有沖擊波施加壓力的壓力通道;所述外殼7與金屬篩1粘接在一起，把環氧樹脂7固結 在內。
[0027] 所述左金屬電極2和右金屬電極4為蒸鍍金屬電極。
[0028] 所述引線5與左金屬電極2和右金屬電極片4及外接金屬電極8通過引線鍵合的方 式連接。
[0029] 所述撓曲電電介質3為碳酸鍶鋇塊體。
[0030] 所述外接金屬電極8為兩根銅棒。
[0031 ]當高速沖擊波通過撓曲電介電材料3時，發生高應變率變形，產生依賴于時間的應 變梯度，而應變梯度會產生離子的極化位移;對于沖擊壓縮波來說，原子的加速度正比于應 變梯度，不同質量的離子的加速度產生額外的極化位移，從而產生撓曲電動態效應，產生極 化電荷，其表達式為：
[0033] U = kQ
[0034] 其中yd = -xcM/p是動態撓曲電系數，Μ是由晶格動力學計算出的系數，P是密度，c 是彈性常數;μ是靜態撓曲電系數，ε是材料的彈性應變，X是梯度的方向，Ρ是由撓曲電效應 導致的應變梯度產生的極化，Q是左金屬電極2和右金屬電極片4金屬電極的輸出電荷，k為 電荷放大系數，U為電壓值的輸出量，Η為材料試件下表面邊長。以上公式能夠看出，只要測 量輸出電荷值，通過沖擊波壓縮作用撓曲電介電材料產生的應變梯度與基于撓曲電效應產 生電荷之間的線性關系，能夠準確、簡單的實現沖擊波壓力的測量。
【主權項】
1. 一種可用于沖擊波檢測的高靈敏度撓曲電傳感器，其特征在于:包括分別設置在撓 曲電介電材料(3)左右表面的左金屬電極(2)和右金屬電極(4);所述左金屬電極(2)與右金 屬電極(4)分別連接有兩條輸出測量電荷的引線(5)，兩條引線(5)的另一端與外接金屬電 極(8)連接;所述撓曲電介電材料(3)、左金屬電極(2)、右金屬電極(4)和引線（5)密封在環 氧樹脂(7)內；外殼(6)與金屬篩（1)粘接在一起，把環氧樹脂(7)固結在內；所述金屬篩（1) 具有沖擊波施加壓力的壓力通道。2. 根據權利要求1所述的一種可用于沖擊波檢測的高靈敏度撓曲電傳感器，其特征在 于:所述左金屬電極(2)和右金屬電極(4)為蒸鍍金屬電極。3. 根據權利要求1所述的一種可用于沖擊波檢測的高靈敏度撓曲電傳感器，其特征在 于:所述引線（5)與左金屬電極(2)和右金屬電極片(4)及外接金屬電極(8)通過引線鍵合的 方式連接。4. 根據權利要求1所述的一種可用于沖擊波檢測的高靈敏度撓曲電傳感器，其特征在 于:所述撓曲電介電材料(3)為碳酸鍶鋇塊體。5. 根據權利要求1所述的一種可用于沖擊波檢測的高靈敏度撓曲電傳感器，其特征在 于:所述外接金屬電極(8)為兩根銅棒。
【專利摘要】一種可用于沖擊波檢測的高靈敏度撓曲電傳感器，包括分別設置在撓曲電介電材料左右表面的左金屬電極和右金屬電極；左金屬電極與右金屬電極分別連接有兩條輸出測量電荷的引線，兩條引線的另一端與兩外接金屬電極連接，環氧樹脂把撓曲電介電材料、金屬電極和引線密封在內；金屬篩具有沖擊波施加壓力的壓力通道；外殼與金屬篩粘接在一起，把環氧樹脂固結在內；本發明通過在沖擊波壓縮作用下撓曲電介電材料產生的應變梯度與基于撓曲電動態效應產生電荷之間的線性關系，來測量沖擊波壓力的大小。
【IPC分類】G01L1/16, G01L5/00
【公開號】CN105571756
【申請號】CN201510929110
【發明人】胡濤濤, 申勝平, 梁旭, 盧建鋒, 賈坤, 劉群峰
【申請人】西安交通大學
【公開日】2016年5月11日
【申請日】2015年12月12日