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环形剪切式挠曲电加速度 传感器及层叠结构加速度传感器

阅读：1032发布：2020-08-05

专利汇可以提供环形剪切式挠曲电加速度传感器及层叠结构加速度传感器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种环形剪切式挠曲电加速度传感器及层叠结构加速度传感器，包括支撑杆、输出端子、环形质量块和挠曲电介电材料制成的环形敏感块,环形敏感块的内圈和外圈均镀有金属膜层，环形敏感块内圈设置在支撑杆的上端，环形质量块的内圈固定在环形敏感块的外圈；环形敏感块内圈的金属膜层和外圈的金属膜层分别通过引线与两只输出端子连接。本发明通过在环形质量块产生的剪切应力作用下挠曲电介电材料沿着轴向产生的应变梯度与基于挠曲电效应产生电荷之间的线性关系，来测量加速度的大小，从而实现对振动的测量。，下面是环形剪切式挠曲电加速度传感器及层叠结构加速度传感器专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种环形剪切式挠曲电加速度传感器，其特征在于：包括支撑杆(5)、输出端子(7)、环形质量块(2)和挠曲电介电材料制成的环形敏感块(3)，所述环形敏感块(3)的内圈和外圈均镀有金属膜层(1)，环形敏感块(3)的内圈设置在支撑杆(5)的上端，环形质量块(2)的内圈固定在环形敏感块(3)的外圈；环形敏感块(3)内圈的金属膜层(1)和外圈的金属膜层(1)分别通过引线(8)与两只输出端子(7)连接。
2.根据权利要求1所述的环形剪切式挠曲电加速度传感器，其特征在于：支撑杆(5)的下端固定在基座(4)上，基座上设置有密封传感器的壳体(6)，两只输出端子(7)固定在壳体(6)上。
3.根据权利要求1所述的环形剪切式挠曲电加速度传感器，其特征在于：金属膜层(1)为厚度10nm的蒸镀金电极，输出端子(7)为直径2mm、长10mm的铜棒。
4.根据权利要求1所述的环形剪切式挠曲电加速度传感器，其特征在于：环形敏感块(3)为5mm厚、1mm高的非极化钛酸锶钡圆环，环形质量块(2)为8mm厚、1mm高的钨圆环。
5.根据权利要求1所述的环形剪切式挠曲电加速度传感器，其特征在于：环形敏感块(3)和环形质量块(2)之间以及环形敏感块(3)与支撑杆(5)之间均采用胶粘接方式联接。
6.一种层叠结构的环形剪切式挠曲电加速度传感器，其特征在于：包括支撑杆(5)、输出端子(7)、n只环形质量块(2)和n只挠曲电介电材料制成的环形敏感块(3)，所述环形敏感块(3)的内圈和外圈均镀有金属膜层(1)，n只环形敏感块(3)和n只环形质量块(2)由中心向外间隔层叠设置，其中最内层环形敏感块(3)的内圈设置在支撑杆(5)的上端；n只环形敏感块(3)内圈的金属膜层(1)通过引线(8)串接至一只输出端子(7)，n只环形敏感块(3)外圈的金属膜层(1)通过引线(8)串接至另一只输出端子(7)。
7.根据权利要求6所述的层叠结构的环形剪切式挠曲电加速度传感器，其特征在于：支撑杆(5)的下端固定在基座(4)上，基座上设置有密封传感器的壳体(6)，两只输出端子(7)固定在壳体(6)上。
8.根据权利要求6所述的层叠结构的环形剪切式挠曲电加速度传感器，其特征在于：金属膜层(1)为厚度10nm的蒸镀金电极，输出端子(7)为直径2mm、长10mm的铜棒。
9.根据权利要求6所述的层叠结构的环形剪切式挠曲电加速度传感器，其特征在于：环形敏感块(3)为5mm厚、1mm高的非极化钛酸锶钡圆环，环形质量块(2)为8mm厚、1mm高的钨圆环，n＝3。
10.根据权利要求6所述的层叠结构的环形剪切式挠曲电加速度传感器，其特征在于：
环形敏感块(3)和环形质量块(2)之间以及环形敏感块(3)与支撑杆(5)之间均采用胶粘接方式联接。

说明书全文

环形剪切式挠曲电加速度 传感器及层叠结构加速度传感器

技术领域

[0001] 本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种环形剪切式挠曲电加速度传感器及一种层叠结构的环形剪切式挠曲电加速度传感器。

背景技术

[0002] 压电效应是应力与电极化的线性耦合，通常描述为对晶体施加压力后伴随有电荷产生的现象。传统的压电式加速度传感器就是利用某些电介质材料受力后具有压电效应的现象制成。虽然压电材料具有优越的力电转换效应，但同样存在一些弊端：第一，在介电材料的选择方面，许多介电材料虽然具有良好的力电耦合特性，如PMNT、PZT等，但是却因为它们含铅等重金属极易污染环境；第二，压电陶瓷材料在使用之前必须经过高压极化出来，这将使成本增加；第三，由于压电效应的机理使它必须在低于居里温度的环境工作；第四，压电效应存在随时间退化现象。

[0003] 力电耦合除了应力与电极化的耦合，还存在一种相对特殊的力电耦合现象，即挠曲电效应。挠曲电效应是指由于应变梯度局部破坏结构的反演对称性，从而导致晶体表面发生电极化现象。压电效应只存在于20种非中心对称的点群晶体中，而挠曲电效应可以存在于所有的32种点群晶体中。因此，挠曲电材料选择范围更广泛，可以选择无污染、低成本的材料制备传感器。

[0004] 目前基于挠曲电效应设计的压力传感器主要为两类：基于纵向挠曲电效应的梯台形结构压力传感器，横向挠曲电效应的悬臂梁结构压力传感器。然而，梯台形结构压力传感器基座材料一旦发生相变将严重影响测试的准确度，而悬臂梁结构压力传感器稳定性差，不耐高温。另外这两类结构传感器由于激励的电信号弱，因而不便于设计为g值较小的加速度传感器。

发明内容

[0005] 为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种环形剪切式挠曲电加速度传感器及层叠结构的环形剪切式挠曲电加速度传感器，通过在环形质量块产生的剪切应力作用下挠曲电介电材料沿着轴向产生的应变梯度与基于挠曲电效应产生电荷之间的线性关系来测量加速度大小，从而实现对振动的测量。

[0006] 本发明的技术方案如下：

[0007] 一种环形剪切式挠曲电加速度传感器，包括支撑杆、输出端子、环形质量块和挠曲电介电材料制成的环形敏感块，所述环形敏感块的内圈和外圈均镀有金属膜层，环形敏感块的内圈设置在支撑杆的上端，环形质量块的内圈固定在环形敏感块的外圈；环形敏感块内圈的金属膜层和外圈的金属膜层分别通过引线与两只输出端子连接。

[0008] 上述环形剪切式挠曲电加速度传感器中，支撑杆的下端固定在基座上，基座上设置有密封传感器的壳体，两只输出端子固定在壳体上。

[0009] 上述环形剪切式挠曲电加速度传感器中，金属膜层为厚度10nm的蒸镀金电极，输出端子为直径2mm、长10mm的铜棒。

[0010] 上述环形剪切式挠曲电加速度传感器中，环形敏感块为5mm厚、1mm高的非极化钛酸锶钡圆环，环形质量块为8mm厚、1mm高的钨圆环。

[0011] 上述环形剪切式挠曲电加速度传感器中，环形敏感块和环形质量块之间以及环形敏感块与支撑杆之间均采用胶粘接方式联接。

[0012] 一种层叠结构的环形剪切式挠曲电加速度传感器，包括支撑杆、输出端子、n只环形质量块和n只挠曲电介电材料制成的环形敏感块，所述环形敏感块的内圈和外圈均镀有金属膜层，n只环形敏感块和n只环形质量块由中心向外间隔层叠设置，其中最内层环形敏感块的内圈设置在支撑杆的上端；n只环形敏感块内圈的金属膜层通过引线串接至一只输出端子，n只环形敏感块外圈的金属膜层通过引线串接至另一只输出端子。

[0013] 上述层叠结构的环形剪切式挠曲电加速度传感器中，支撑杆的下端固定在基座上，基座上设置有密封传感器的壳体，两只输出端子固定在壳体上。

[0014] 上述层叠结构的环形剪切式挠曲电加速度传感器中，金属膜层为厚度10nm的蒸镀金电极，输出端子为直径2mm、长10mm的铜棒。

[0015] 上述层叠结构的环形剪切式挠曲电加速度传感器中，环形敏感块为5mm厚、1mm高的非极化钛酸锶钡圆环，环形质量块为8mm厚、1mm高的钨圆环，n＝3。

[0016] 上述层叠结构的环形剪切式挠曲电加速度传感器中，环形敏感块和环形质量块之间以及环形敏感块与支撑杆之间均采用胶粘接方式联接。

[0017] 和现有技术相比较，本发明具有以下优点：

[0018] 1)本发明突破了传统挠曲电效应采用的纵向挠曲电效应和横向挠曲电效应方式，提出了一种基于剪切挠曲电效应测量加速度的大小，与现有技术相比，环形剪切形结构设计方便，易于加工，而且剪切式结构减小了基座和温度变化对传感器灵敏度的影响，比较适用于加速度的力学参数的测量。

[0019] 2)本发明提出了层叠结构的环形剪切式挠曲电加速度传感器方案，采用多层中心对称的环形层叠的传感器结构，使得多只质量块作用下的多个环形敏感块产生的电荷信号叠加，信号幅度增大，提高了传感器灵敏度，易于实现力学参数的精确测量。附图说明

[0020] 图1为本发明环形剪切式挠曲电加速度传感器结构示意图。

[0021] 图2为本发明环形剪切式挠曲电加速度传感器的敏感块和质量块俯视图。

[0022] 图3为本发明层叠结构的传感器结构示意图。

[0023] 图4为本发明层叠结构传感器的敏感块和质量块俯视图。

[0024] 图5为本发明加速度传感器的受力分析原理示意图。

[0025] 图中:1—金属膜层；2—环形质量块；3—环形敏感块；4—基座；5—支撑杆；6—壳体；7—输出端子；8—引线。

具体实施方式

[0026] 下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

[0027] 如附图1-2所示，本发明公开了一种环形剪切式挠曲电加速度传感器，包括支撑杆5、输出端子7、环形质量块2和环形敏感块3，环形敏感块3采用挠曲电介电材料制成，优选
5mm厚、1mm高的非极化钛酸锶钡圆环，在圆环的内圈和外圈均镀有金属膜层1，该金属膜层1采用蒸镀的方式，通常情况下厚度为10nm的金膜，用来作为挠曲电介电材料的输出电极。

[0028] 环形质量块2优选8mm厚、1mm高的钨圆环，环形敏感块3的内圈固定在支撑杆5的上端，环形质量块2的内圈固定在环形敏感块3的外圈，优选采用环氧胶粘接的方式来实现固定。环形敏感块3内圈的金属膜层1和外圈的金属膜层1分别通过引线8与两只输出端子7联接。

[0029] 支撑杆5的下端固定在基座4上，基座4上设置有密封传感器的壳体6，将上述器件密封在壳体6内部，满足室外场合的应用。两只输出端子7固定在壳体6上，并外露出接头。所述壳体6采用聚合有机物材料制成，基座4采用合金钢制成，支撑杆5为合金钢结构的圆棒，可通过螺纹结构固定在基座4上。输出端子7为两根直径2mm、长10mm的铜棒，实现传感器电信号的输出。引线8与金属膜层电极以及外接输出端子7可以通过引线键合的方式连接。

[0030] 图3和图4给出了本发明优选的一种层叠结构的环形剪切式挠曲电加速度传感器，其与图1和图2的区别在于，采用了n只环形敏感块3和n只环形质量块2由中心向外间隔层叠设置，其中最内层环形敏感块3的内圈设置在支撑杆5的上端；最外层则为环形质量块2。n只环形敏感块3内圈的金属膜层1，也就是挠曲电介电材料的输出电极通过引线8串联后，联接至一只输出端子7，n只环形敏感块3外圈的金属膜层1，也就是挠曲电介电材料的输出电极通过引线8串联后，联接至另一只输出端子7。其中优选n＝3。

[0031] 这种采用多层中心对称的环形层叠的传感器结构，使得多只质量块作用下的多个环形敏感块产生的电荷信号叠加，信号幅度增大，提高了传感器灵敏度，易于实现力学参数的精确测量。

[0032] 下面分析传感器的工作机理：

[0033] 当试样发生平行于轴向振动时，套于支撑杆的质量块2产生的轴向附加力使环形敏感块3受到剪切应力，从而使环形敏感块3产生应变梯度沿径向产生应变梯度，沿着厚度方向产生较大的应变梯度。由于环形敏感块3为5mm厚、1mm高的非极化钛酸锶钡圆环，其受力分析如图5所示(图5中仅对应图1和图2的单层结构)。由于圆环的对称性和厚度、高度之间关系，产生的应变分布可以利用悬臂梁理论来求解。对于矩形截面梁来说，极性惯性矩I为

[0034]

[0035] 其中，梁的宽度取为单位长度、h为梁的厚度。设梁的总长为l。而根据弹性力学相关理论对上述实验方法进行理论分析，悬臂梁的应变(ε0)沿厚度(x)和长度(z)方向的分布为

[0036]

[0037] 其中F为悬臂梁自由端施加的力，E为材料的弹性模量。

[0038] 所以沿厚度方向产生的应变梯度的表达式为

[0039]

[0040] 梁的l0点到l点的产生的应变梯度表达式为

[0041]

[0042] 而对于图3和图4所示的层叠结构的环形挠曲电材料的总应变梯度表达式为[0043]

[0044] 其中，n为环形挠曲电材料的层数。

[0045] 质量块的惯性力表达式为

[0046] F＝ma

[0047] 其中，m为环形质量块的质量，a为所要求的加速度。

[0048] 因此，悬臂梁沿厚度方向产生挠曲电效应，产生极化电荷，其表达式为[0049]

[0050] 其中μ是挠曲电系数，ε是材料的弹性应变，x是梯度的方向，是沿厚度产生的应变梯度，P是由挠曲电效应导致的应变梯度产生的极化，Q是传感器的总输出电荷，A为挠曲电介电材料的表面面积。

[0051] 通过上面公式推导，得出层叠结构传感器的加速度表达式为

[0052]

[0053] 以上公式能够看出，只要测量输出电荷值，通过在环形质量块产生的剪切应力作用下挠曲电介电材料沿着轴向产生的应变梯度与基于挠曲电效应产生电荷之间的线性关系，能够准确测量加速度的大小，从而实现对振动的测量。这种环形剪切形结构设计方便，易于加工，且三层环形挠曲电材料的结合使产生的电荷信号幅度增大，易于精确测量。进一步的研究结果及验证试验表明，挠曲电效应具有尺寸相关特性，应变梯度是随着结构尺寸的减小而的增大，小尺寸高灵敏度的挠曲电式微型器件测量更加精确，比较适用于高灵敏度力学参数的测量。

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环形剪切式挠曲电加速度传感器及层叠结构加速度传感器

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