一种基于挠曲电效应的三维流速变化率传感器及测量方法
【技术领域】
[0001] 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三维流速变化率传 感器及测量方法。
【背景技术】
[0002] 现有的流量、流速测量技术中，大多采用电磁测量技术、激光测量技术。而除了流 速测量，流速变化率的实时监测也在军事、生活中有着重要的应用，如：飞机蒙皮在飞机飞 行中，来流速度发生变化，蒙皮受到的力发生变化，飞机飞行受到影响；通过石油管道输送 石油时，石油流速变化，石油对管道的冲击力不同，给管道造成的伤害不同；汽车高速行驶 时，侧风风速变化率对汽车行驶有着严重的影响。现有的流速变化率测量手段主要基于流 量测量、流速测量，通过对流量、流速测量结果进行数字化-差分-计算等步骤来计算得到 流速变化率。该方法具有计算繁琐、结构复杂、精度较低等缺点，并且不能实现实时监测。
[0003] 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。
[0004] 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 的流速变化率的传感结构和测量方法。
[0005] 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：
[0006]
(1 )
[0007] 其中P1, eljk, 〇 jk, ε jk, μ ijkl, 别为极化程度，压电常数、应力、应变、挠曲电常 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
[0008]
O )
[0009] 由（1) (2)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，从而对待测流场内流速变化 情况进行实时监测。
[0010] 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】
[0011] 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 的三维流速变化率传感器及测量方法，具有量程宽、响应速度快、实时性良好、重量轻、直接 测量、精度高、结构简单等特点。
[0012] 为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
[0013] -种基于挠曲电效应的三维流速变化率传感器，包括L状三维主体元件1，所述L 状三维主体元件1 一端固结于基体上，另一端连接球状绝缘材料2, L状三维主体元件1包 括L状中空腔体绝缘层3,贯穿设置在L状中空腔体绝缘层3内部的挠曲电材料层3-1，其 中挠曲电材料层3-1的长度、宽度和高度均小于L状中空腔体绝缘层3中空腔体的长度、宽 度和高度；在靠近球状绝缘材料2 -端的L状中空腔体绝缘层3内部一段，L状中空腔体绝 缘层3与挠曲电材料层3-1之间的间隙的四个面设置有两对电极层，分别为上下相对的Z 电极层对3-2和左右相对的Y电极层对3-3,所述Z电极层对3-2、Y电极层对3-3与挠曲 电材料层3-1紧密接触，各个电极层之间互不连接；在远离球状绝缘材料2 -端且与设置Z 电极层对3-2、Y电极层对3-3的L状中空腔体绝缘层3相垂直的另一段，L状中空腔体绝 缘层3与挠曲电材料层3-1之间的间隙的四个面设置有两对电极层，分别为上下相对的去 耦电极层对4-1和左右相对的X电极层对4-2,所述去耦电极层对4-1和X电极层对4-2与 挠曲电材料层3-1紧密接触，各个电极层之间互不连接；所述L状三维主体元件1内部的间 隙由绝缘黏性材料3-4填充，所述L状三维主体元件1外表面用热缩管紧固；所述Z电极层 对3-2与电荷放大器5的第一通道相连接，Y电极层对3-3与电荷放大器5的第二通道相 连接，X电极层对4-2与电荷放大器5的第三通道相连接，去耦电极层对4-1与电荷放大器 5的第四通道相连接，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。
[0014] 在有测量不同来流速度变化率需求时，所述L状中空腔体绝缘层3和球状绝缘材 料2采取的绝缘材料不同。
[0015] 所述球状绝缘材料2作为主要受力构件，并且三维流速变化率传感器的尺寸远小 于待测流场尺寸，对流场的影响极小。
[0016] 所述挠曲电材料层3-1为介电常数大于1的分子结构具有中心对称性的材料。
[0017] 所述介电常数大于1的分子结构具有中心对称性的材料为PVDF、聚四氟乙烯或钛 酸锶钡。
[0018] 所述绝缘黏性材料3-4为液态时具有黏性、能够由液态转为固态的绝缘材料。
[0019] 所述液态时具有黏性、能够由液态转为固态的绝缘材料为环氧树脂。
[0020] 所述Z电极层对3-2、Y电极层对3-3, X电极层对4-2和去耦电极层对4-1的厚度 小于挠曲电材料层3-1的厚度至少一个数量级。
[0021] 所述X电极层对4-2、Y电极层对3-3、Z电极层对3-2主要功能为输出各方向流速 变化率导致的电荷，去耦电极层对4-1的主要功能为对照组和去耦。
[0022] 上述所述基于挠曲电效应的三维流速变化率传感器的测量方法，在待测流场内， 流体沿三个方向以不同的流速冲击三维流速变化率传感器的球状绝缘材料2时，球状绝缘 材料2将受到的力传递给L状三维主体元件1，L状中空腔体绝缘层3将受到的力传递给 电极层和绝缘黏性材料3-4,电极层和绝缘黏性材料3-4将受到的力传递给挠曲电材料层 3-1，挠曲电材料层3-1发生形变，产生挠曲变形，在其挠度方向产生了应变梯度，由于挠曲 电原理，该无源的挠曲电材料层3-1表面共产生四组极化电荷，四组极化电荷经电极层传 递至电荷放大器5并由其线性转换为相应的电压信号，其中由Z电极层对3-2传递的电荷 是由于三维流速变化率传感器受到流场内Z方向的冲击而产生的，Y电极层对3-3传递的 电荷是由于三维流速变化率传感器受到流场内Y方向的冲击而产生的，X电极层对4-2传 递的电荷是由于三维流速变化率传感器受到流场内X方向的冲击而产生的，去耦电极层对 4-1传递的电荷作为对照，并且有去耦的作用，四组电荷对应的电压信号经电荷放大器5的 输出端送至信号处理、显示、存储模块6,信号处理、显示、存储模块6记录并显示流场内的 三维流速变化率。
[0023] 其中信号处理、显示、存储模块6内部的数据处理主要基于以下方法：
[0024] 中心对称晶体即挠曲电材料中不存在压电效应，材料电极化简单描述为：
[0025]
O .)
[0026] 其中P1, ε jk, μ ijkl, X1*别为极化程度、应变、挠曲电常数和梯度方向。
[0027] 而电极化可描述为电荷与电荷分布面积的比，即
[0028]
(3 )
[0029] 其中Qi, A分别是电荷量和电荷所分布的面积。
[0030] 而电荷量与电压存在一定的关系，即
[0031]
C4 )
[0032] 其中Q，C，U分别是电荷量、电容和电势。
[0033] 由于X，Y，Z方向流速变化率的存在，使挠曲电材料层3-1产生挠曲变形，即流速变 化率与挠曲变形存在一定的关系：
[0034]
(5 )
[0035] 其中x，V，ε jk，yijkl，Xl分别为来流方向、来流方向速度、应变、挠曲电常数和梯度 方向。
[0036] 挠曲电材料层3-1在各个表面上产生极化电荷，分别经过X电极层对4-2、Y电极 层对3-3、Z电极层对3-2输出，去耦电极层对4-1作为对照组，同时有去耦的作用，当机体 坐标系与大地坐标系存在一定的偏角时，需要设置信号处理、显示、存储模块对各基于机体 坐标系的流速变化率进行坐标系变换，转化为大地坐标系下的三维的流速变化率。
[0037] 本发明和现有技术相比，具有如下优点：
[0038] 1)相比于电磁流量计，所述三维流速变化率传感器无需对流量进行二次微分，可 直接测量出流速变化率，实时性好。
[0039] 2)相比于流速计，所述三维流速变化率传感器无需对流速进行一次微分，可直接 测量出流速变化率，实时性好。
[0040] 3)相比于压电式加速度传感器，所述三维流速变化率传感器无需质量块，基座质 量无需太大，结构简单，使用方便。
[0041] 4)所述三维流速变化率传感器小，对流场的影响极小，并且对流速变化率进行实 时的测量，适用于多种流场内，应用范围大。
[0042] 5)所述三维流速变化率传感器无需供电，减少了系统对电源的需求。
[0043] 6)所述三维流速变化率传感器可同时测量三维的流速变化率。
[0044] 总之，本发明能够避免传统测量流速变化率通过对流量或流速进行微分、测量装 置重量大、精度低、结构复杂、实时性较差等缺点，具有量程宽、响应速度快、实时性良好、重 量轻、直接测量、精度高、结构简单等优点。
【附图说明】
[0045] 图1为本发明传感器结构示意图。
[0046] 图2为本发明传感器原理图。
[0047] 图3为本发明传感器剖视图。
【具体实施方式】
[0048] 以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。
[0049] 如图1、图2和图3所示，本发明一种基于挠曲电效应的三维流速变化率传感器，包 括L状三维主体元件1，所述L状三维主体元件1 一端固结于基体上，另一端连接球状绝缘 材料2, L状三维主体元件1包括L状中空腔体绝缘层3,贯穿设置在L状中空腔体绝缘层 3内部的挠曲电材料层3-1，其中挠曲电材料层3-1的长度、宽度和高度均小于L状中空腔 体绝缘层3中空腔体的长度、宽度和高度；在靠近球状绝缘材料2-端的L状中空腔体绝缘 层3内部一段，L状中空腔体绝缘层3与挠曲电材料层3-1之间的间隙的四个面设置有两对 电极层，分别为上下相对的Z电极层对3-2和左右相对的Y电极层对3-3,所述Z电极层对 3_2、Υ电极层对3-3与挠曲电材料层3-1紧密接触，各个电极层之间互不连接；在远离球状 绝缘材料2 -端且与设置Z电