一種基于撓曲電效應(yīng)的流速變化率的傳感結(jié)構(gòu)和測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于撓曲電效應(yīng)的流速變化率的傳感結(jié) 構(gòu)和測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)有的流量、流速測(cè)量技術(shù)中，大多采用電磁測(cè)量技術(shù)、激光測(cè)量技術(shù)。而除了流 速測(cè)量，流速變化率的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)也在軍事、生活中有著重要的應(yīng)用，如：飛機(jī)蒙皮在飛機(jī)飛 行中，來(lái)流速度發(fā)生變化，蒙皮受到的力發(fā)生變化，飛機(jī)飛行受到影響；通過(guò)石油管道輸送 石油時(shí)，石油流速變化，石油對(duì)管道的沖擊力不同，給管道造成的傷害不同；汽車高速行駛 時(shí)，側(cè)風(fēng)風(fēng)速變化率對(duì)汽車行駛有著嚴(yán)重的影響?，F(xiàn)有的流速變化率測(cè)量手段主要基于流 量測(cè)量、流速測(cè)量，通過(guò)對(duì)流量、流速測(cè)量結(jié)果進(jìn)行數(shù)字化-差分-計(jì)算等步驟來(lái)計(jì)算得到 流速變化率。該方法具有計(jì)算繁瑣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度較低等缺點(diǎn)，并且不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
[0003] 現(xiàn)有的基于壓電材料的壓電式加速度傳感器在測(cè)量加速度的裝置中得到了廣泛 的應(yīng)用。但壓電式加速度傳感器需在壓電晶體上放置一個(gè)質(zhì)量塊，并且為了隔離試件的任 何應(yīng)變傳送到壓電元件上去，一般要加厚基座或選用由剛度較大的材料來(lái)制造，殼體和基 座的重量差不多占傳感器重量的一半，實(shí)際有效部件所占重量較小，且壓電材料作為一種 含重金屬材料，其材料本身也對(duì)環(huán)境有潛在威脅。
[0004] 為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于撓曲電效應(yīng) 的流速變化率的傳感結(jié)構(gòu)和測(cè)量方法。
[0005] 撓曲電存在于所有電介質(zhì)中，其原理早在上世紀(jì)60年代就已被提出并在一定范 圍內(nèi)得到了極大的發(fā)展，含壓電效應(yīng)的材料電極化的簡(jiǎn)化描述方程為：
[0006]
{1)
[0007] 其中P1, eljk, 〇 jk, ε jk, μ ijkl, 別為極化程度，壓電常數(shù)、應(yīng)力、應(yīng)變、撓曲電常 數(shù)和梯度方向，等式右邊第一項(xiàng)是因應(yīng)力導(dǎo)致的壓電效應(yīng)，第二項(xiàng)是因應(yīng)變梯度導(dǎo)致的梯 度方向的撓曲電效應(yīng)，由于在中心對(duì)稱晶體中不存在壓電效應(yīng)，因此只有第二項(xiàng)存在，即
[0008]
、2)
[0009] 而電極化可描述為電荷與電荷分布面積的比，即 [0010]
(3)
[0011] 其中Q1, A分別是電荷量和電荷所分布的面積。
[0012] 而電荷量與電壓存在一定的關(guān)系，SP
[0013]
(4)
[0014] 其中Q，C，U分別是電荷量、電容和電勢(shì)。
[0015] 由（1)-(4)可以看出，在材料、試件等條件一定的情況下，分子對(duì)稱晶體的極化電 荷輸出與其應(yīng)變梯度成正比，而極化電荷與電壓存在一定的關(guān)系，因此，本發(fā)明采用了通過(guò) 應(yīng)變梯度實(shí)現(xiàn)電荷輸出的原理，測(cè)量由極化電荷產(chǎn)生的電壓，從而對(duì)待測(cè)流場(chǎng)內(nèi)流速變化 情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
[0016] 通常而言，撓曲電現(xiàn)象與尺寸的數(shù)量級(jí)密切相關(guān)，尺寸數(shù)量級(jí)越小，其撓曲電現(xiàn)象 越在極化中起決定性作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017] 為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于撓曲電效應(yīng) 的流速變化率的傳感結(jié)構(gòu)和測(cè)量方法，具有量程寬、響應(yīng)速度快、實(shí)時(shí)性良好、重量輕、直接 測(cè)量、精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。
[0018] 為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0019] -種基于撓曲電效應(yīng)的流速變化率的傳感結(jié)構(gòu)，包括上下側(cè)的絕緣層1，位于絕緣 層1間的多個(gè)疊層單元，每個(gè)疊層單元包括上下側(cè)的電極層2,位于電極層2間的撓曲電材 料層3,所述撓曲電材料層3的長(zhǎng)度和寬度均略小于電極層2,電極層2相對(duì)于撓曲電材料 層3突出部分用絕緣黏性材料4填充，起到粘結(jié)和絕緣的作用，所述絕緣層1相對(duì)于電極 層2突出部分用絕緣黏性材料4填充，起到粘結(jié)和絕緣的作用，在絕緣層1和絕緣黏性材料 4外圍用熱縮管緊固，形成層板狀測(cè)量元件，整個(gè)層板狀測(cè)量元件外圍部分均有絕緣材料包 裹；所述撓曲電材料層3上下側(cè)的電極層2分別通過(guò)導(dǎo)線連接電荷放大器5的輸入端，電荷 放大器5的輸出端與信號(hào)處理、顯示、存儲(chǔ)模塊6相連接；所述層板狀測(cè)量元件的一端用夾 持裝置夾持，組成懸臂梁結(jié)構(gòu)，夾持裝置固定在靜止不動(dòng)的固件上。
[0020] 在有測(cè)量不同來(lái)流速度變化率需求時(shí)，所述絕緣層1采取的絕緣材料不同，采用 的疊層單元層數(shù)不同，每包含一層撓曲電材料層3為一層。
[0021] 所述層板狀測(cè)量元件的尺寸遠(yuǎn)小于待測(cè)流場(chǎng)尺寸，對(duì)流場(chǎng)的影響極小。
[0022] 所述撓曲電材料層3為介電常數(shù)大于1的分子結(jié)構(gòu)具有中心對(duì)稱性的材料。
[0023] 所述介電常數(shù)大于1的分子結(jié)構(gòu)具有中心對(duì)稱性的材料為PVDF、聚四氟乙烯或鈦 酸鍶鋇。
[0024] 所述絕緣粘性材料4為液態(tài)時(shí)具有粘性、能夠由液態(tài)轉(zhuǎn)為固態(tài)的絕緣材料。
[0025] 所述液態(tài)時(shí)具有粘性、能夠由液態(tài)轉(zhuǎn)為固態(tài)的絕緣材料為環(huán)氧樹(shù)脂。
[0026] 所述的電極層2厚度小于撓曲電材料層3厚度至少一個(gè)數(shù)量級(jí)。
[0027] 所述電荷放大器5的放大倍數(shù)、信噪比和下限截止頻率滿足層板狀測(cè)量元件和待 測(cè)流場(chǎng)的要求。
[0028] 上述所述一種基于撓曲電效應(yīng)的流速變化率的傳感結(jié)構(gòu)的測(cè)量方法，待測(cè)流場(chǎng) 內(nèi)，流體以不同的流速?zèng)_擊層板狀測(cè)量元件時(shí)，層板狀測(cè)量元件產(chǎn)生撓曲變形，使得各層發(fā) 生形變，撓曲電材料層3產(chǎn)生撓曲變形，在其撓度方向產(chǎn)生了應(yīng)變梯度，由于撓曲電原理， 該無(wú)源的撓曲電材料層3上下表面產(chǎn)生極化電荷，經(jīng)電極層2傳遞至電荷放大器5并由其 線性轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)由電荷放大器5的輸出端送至信號(hào)處理、顯示、存 儲(chǔ)模塊6,信號(hào)處理、顯示、存儲(chǔ)模塊6記錄并顯示流場(chǎng)內(nèi)的流速變化率。
[0029] 本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0030] 1)相比于電磁流量計(jì)，所述傳感結(jié)構(gòu)無(wú)需對(duì)流量進(jìn)行二次微分，可直接測(cè)量出流 速變化率，實(shí)時(shí)性好。
[0031] 2)相比于流速計(jì)，所述傳感結(jié)構(gòu)無(wú)需對(duì)流速進(jìn)行一次微分，可直接測(cè)量出流速變 化率，實(shí)時(shí)性好。
[0032] 3)相比于壓電式加速度傳感器，所述傳感結(jié)構(gòu)無(wú)需質(zhì)量塊，基座質(zhì)量無(wú)需太大，結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。
[0033] 4)所述層板狀測(cè)量結(jié)構(gòu)小，對(duì)流場(chǎng)的影響極小，并且對(duì)流速變化率進(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè) 量，適用于多種流場(chǎng)內(nèi)，應(yīng)用范圍大。
[0034] 5)所述層板狀測(cè)量結(jié)構(gòu)無(wú)需供電，減少了系統(tǒng)對(duì)電源的需求。
[0035] 總之，本發(fā)明能夠避免傳統(tǒng)測(cè)量流速變化率通過(guò)對(duì)流量或流速進(jìn)行微分、測(cè)量裝 置重量大、精度低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、實(shí)時(shí)性較差等缺點(diǎn)，具有量程寬、響應(yīng)速度快、實(shí)時(shí)性良好、重 量輕、直接測(cè)量、精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0036] 附圖為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
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