用于车辆的传感器化制动装置、压电式剪切力检测传感器以及剪切力检测方法与流程

以下公开涉及用于车辆的传感器化制动装置、压电式剪切力检测传感器以及剪切力检测方法。

背景技术：

技术实现思路

1、压电性是某些材料在受到机械应力时极化，从而生成电荷积累，并且因此形成电势差的特性。类似地，压电性可具有相反的效应，即生成材料变形，使该材料承受电压。这被称为反压电效应。

2、压电材料包括石英晶体、电气石和罗谢尔盐。这些压电材料对外部运动表现出相对小的压电响应，这对于某些应用(诸如例如所讨论的应用)来说不是最优的。为了克服该问题，合成了某些诸如钛酸钡(batio3)和锆钛酸铅(pzt)等的多晶铁电陶瓷，使得合成的陶瓷表现出更显著的压电特性，即在相同的机械应力下具有更高的电压，或在受到电应力时具有更大的位移。

3、为了赋予压电陶瓷材料压电性能，这些压电陶瓷材料必须经受极化程序。

4、为此，施加若干kv/mm的强电场以在陶瓷化合物中产生不对称性，该陶瓷化合物先前看起来具有无规定向的域，并且因此没有净极化。施加外部电场会重新排列材料的偶极子，这些偶极子平行于其方向对齐，使总电偶极子不再为零。材料因此被极化。

5、在极化之后，即使在不施加电场的情况下，大部分重新定向也被保留，直到材料达到大于居里温度(ct)的温度，这是材料的特征。

6、在低于ct的温度下，pzt晶粒的晶格结构可能由于外部机械应力而扭曲，从而导致全局极化的变化。因此，这是压电技术感兴趣的机制。在高于ct的温度下，压电陶瓷材料失去了其在晶格内的不对称性，从而导致其压电性能的损失。

7、在合成和极化之后，压电陶瓷材料呈现为非常硬和高密度，并且可以在必要的情况下进行锯切和机械加工。压实材料有不同的形状，如盘状、棒状和圆柱状。制造过程的最后阶段包括电极的放置。通过丝网印刷或pvd(阴极溅射)技术将电极施加到压电陶瓷材料，然后对电极进行烘烤。根据传感器的最终应用，导电材料的厚度可在1μm至10μm之间变化。

8、电极几何排列的方式确定了两种不同类型的传感器：一种是电极在2个相对的面上，并且另一种是两个接触件都在压电陶瓷的同一面上。最后一种传感器被称为缠绕电极(wac)，因为两个电极中的一个电极缠绕在压电材料的周边边缘上，以与另一电极放置在同一表面上。

9、极化压电材料的特征在于不同的系数和关系。

10、简单地说，电性能和弹性性能之间的基本关系可以表示如下：

11、d＝d·t+εt·e

12、s＝se·t+d·e

13、其中，d是电通量密度，t是机械应力，e是电场，s是机械应力，d是压电电荷系数，εt是介电常数，并且se是弹性系数。这些关系适用于小的电振幅和机械振幅，即小的信号值。在该范围内，机械应变、弹性s或应力t与电场e或磁通密度d之间的关系是线性的，并且系数值是恒定的。

14、如图1所示，方向由1、2和3表示，对应于经典右手正交坐标轴系的x轴、y轴和z轴。旋转轴由4、5和6表示。极化方向(轴3)在极化过程期间通过施加在两个电极之间的强电场来建立。

15、压电材料的特征基本参数是，在某个方向j上的机械变形和在方向i上的面上生成的电势之间的耦合由系数dij控制，该系数分组在d矩阵中：

16、通常，在压缩力或牵引力测量中采用的压电式传感器被

17、

18、极化，使得它们的极化轴与要测量的机械变形的方向一致(z轴，3)，同时从与该方向正交的面(面3)收集电荷。结果是，通过系数d33来调节对传感器的压缩的响应。

19、通过类似的推理，我们因此推断出在剪切应力测量中即在两个相对面之间存在相对滑动的情况下使用的传感器主要由系数d15(极化的1个与x轴正交的表面，5个沿z轴的剪切应变)控制。

20、在机械变形不是完全单向的情况下，其他系数可对最终信号产生影响，有时也会生成不可控或破坏性的影响，正如我们稍后在具有所报告的电极的传感器的情况下所看到的那样。

21、用于车辆的传感器化制动装置(特别是但不仅是智能制动垫片)是一种制动装置，该制动装置被配置(例如，具有足够的硬件和软件系统架构以及一些算法)为测量一个或多个参数，诸如制动垫片的温度以及/或者静态和动态量，包括制动期间施加的法向力和剪切力。

22、剪切力检测传感器可包括压电材料片，该压电材料片具有由正交的y和z方向限定的主放置平面、由与主放置平面yz正交的x方向限定的厚度、根据z方向的极化，并且被配置为在平行于主放置平面yz的面上收集电荷。

23、上述独特性的限制在以下事实于，当用于读取剪切力信号时，电极收集甚至在法线方向上产生的大量电荷，这在一定程度上可能使信号的正确解释复杂化。这种现象被称为“串扰”。

24、“串扰”由剪切力传感器在仅根据方向x施加力时生成的电信号组成。

25、“串扰”是任何压电组件中都存在的现象，但一些类型的压电式剪切传感器受到串扰的影响更明显，如所报告的电极传感器。

26、具体地，如果压电式剪切传感器集成到其中剪切力在制动期间总是与法向力相关联的制动装置中，则“串扰”可能使测量结果不可靠且不可重复。

27、传感器化制动垫片上的所报告的电极传感器是用于实现大规模生产过程的最佳解决方案，但如果设计和生产不正确，也是对“串扰”最敏感的。

28、如果将该类型的剪切力传感器集成到构成盘式制动器的两个制动垫片中，则这两个剪切力传感器将产生完全不同的读出信号，因为“串扰”信号会做出可与纯剪切力生成的信号一致或不一致的不同的贡献。

29、在工业上(大批量和低成本)，优选的是使用所报告的电极传感器，但如果设计不当，这最终不适合用于制动垫片。

30、本发明的技术任务是弥补已知技术的缺点。

31、在该技术任务的范围内，本发明的一个目的是提供一种剪切力传感器和结合剪切力传感器的传感器化制动装置，该剪切力传感器在剪切力传感器同时经受剪切力和法向力时产生可靠且可重复的测量。

32、本发明的另一个目的是提供一种剪切力传感器和结合剪切力传感器的传感器化制动装置，该剪切力传感器易于工业化并且当剪切力传感器同时经受剪切力和法向力时产生可靠且可重复的测量。

33、根据本发明的技术任务以及该目的和其他目的通过用于车辆的传感器化制动装置来实现，该传感器化制动装置由以下组成：

34、至少一个压电式剪切力传感器；

35、电路，该电路被配置为收集来自至少一个所述传感器的信号；

36、其中所述传感器由以下组成：

37、压电材料、第一读出电极和至少第二读出电极，其中所述压电材料包括第一平坦面和面向所述第一平坦面的第二平坦面，第一平坦面和第二平坦面在由两个正交方向y和z确定的平行平面中延伸，其中所述压电材料在所述z方向上被极化，并且其中当所述压电材料同时经受在与所述两个方向y和z正交的方向x上的法向力和在所述z方向上的所述剪切力时，能够通过所述读出电极收集电信号；

38、其特征在于以下事实，所述第一电极定位在第一面上，并且所述第二电极定位在第二面上并且在第一面上具有与所述第一电极分离的至少一个延伸部，并且其特征在于以下事实，所述第二电极的至少一个延伸部相对于y轴和z轴对称地布置。

39、在具体实施的优选模式中，用于车辆的传感器化制动装置包括制动垫片，该制动垫片包括背板和摩擦材料块，其中所述电路置于所述背板和所述摩擦材料块之间，并且所述至少一个传感器置于所述电路和所述摩擦材料块之间。本发明还包括压电式剪切力传感器，该压电式剪切力传感器由压电材料、第一读出电极和至少第二读出电极组成，其中所述压电材料包括第一平坦面和面向所述第一平坦面的第二平坦面，第一平坦面和第二平坦面在由两个正交方向y和z确定的平行平面中延伸，其中所述压电材料在所述z方向上被极化，并且其中当所述压电材料同时经受在与所述两个方向y和z正交的方向x上的法向力和在所述z方向上的所述剪切力时，能够通过所述读出电极收集电信号；

40、其特征在于以下事实，所述第一电极定位在第一面上，并且所述第二电极定位在第二面上并在第一面上具有与所述第一电极分离的至少一个延伸部，并且其特征在于以下事实，所述第二电极的至少一个延伸部相对于所述y轴和所述z轴对称地布置。

41、还优选地，所述第一电极相对于所述轴y和所述z对称地放置。

42、本发明最后包括一种使用用于车辆的传感器化制动装置进行剪切力感测的方法，该方法包括：

43、至少一个压电式剪切力传感器；

44、电路，该电路被配置为收集来自至少一个所述传感器的信号；

45、其中所述传感器由以下组成：

46、压电材料、第一读出电极和至少第二读出电极，其中所述压电材料包括第一平坦面和面向所述第一平坦面的第二平坦面，所述第一平坦面和第二平坦面在由两个正交方向y和z标识的平行平面中延伸，其中所述压电材料在所述z方向上被极化，其中所述第一电极定位在所述第一面上，并且所述第二电极定位在所述第二面上，其特征在于以下事实，在所述第一面上延伸所述第二电极，该第二电极具有与所述第一电极分离的至少一个延伸部，其特征在于以下事实，相对于所述y轴和所述z轴对称地布置所述第二电极的至少一个延伸部，以及以下事实，当所述压电材料同时经受在与所述两个方向y和z正交的方向x上的法向力和在所述z方向上的剪切力时，从所述读出电极收集电信号。