基于巨挠曲电效应的冲击载荷防护传感器及其测量方法

本发明属于传感器，具体涉及基于巨挠曲电效应的冲击载荷防护传感器及其测量方法。

背景技术：

1、挠曲电效应是指材料在应变梯度或非均匀应变场的作用下，材料微观反演对称性被局部破坏导致的极化现象。挠曲电效应具有不受材料对称性以及居里温度的限制，因此具有应用温度区间广、更加适应环境变化的优势，在结构应变梯度传感器、储能器等方面具有广阔的应用前景。挠曲电效应的基本方程为：

2、

3、其中μijkl是四阶挠曲电系数张量，是材料的应变梯度，pl是应变梯度引起的材料极化场。

4、由于微纳米尺度上材料的应变梯度会大大提高，从而增强引起的极化场大小，因此材料在微纳米尺度上会表现出更大的挠曲电输出。多孔材料的特殊微结构使得其在外加载荷下能够发生较大的变形，从而具有很好的缓冲、减震和吸能的特点。当冲击载荷加载在多孔材料外表面时，首先会在冲击表面产生具有应变率效应的变形，并且在冲击的动能通过多孔材料的过程中也会发生较大的衰减，因此具有一定的保护作用。

5、由于多孔材料内部微观结构表现为随机分布的孔洞和韧带相互交错成的网络状结构，在冲击载荷作用下，多孔材料先发生宏观变形，进而导致其内部微梁发生弯曲变形，从而实现在冲击载荷形式作用下的挠曲电响应输出。由于多孔材料的固体韧带可以看作是微梁单元，整个结构由若干个微纳米尺度的微梁组成，因此多孔材料整体在冲击载荷的作用下会产生大量的极化电荷，即产生巨大的挠曲电信号，从而实现高精度的冲击载荷传感。当多孔电介质材料受到冲击载荷时，其所发生的宏观变形会导致其内部微结构发生非均匀变形从而引起挠曲电极化，其产生的电信号能够精确输出载荷信息。

6、在冲击载荷测试中，由于加载速度快、时间短、载荷强度高，因此传感器的动态响应特性是保证冲击载荷精准测量的基础。如果能够准确记录冲击载荷的变化曲线以及冲击物体的冲击速度和冲击时间，有利于对冲击载荷信号的进一步分析，对冲击的损伤结果以及被冲击部分的安全防护都具有重要的意义。但是传统的传感器有需要外接电源、成本高、不适用于恶劣环境等缺点，不能保证冲击载荷的精准测量。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供基于巨挠曲电效应的冲击载荷防护传感器及其测量方法，无需外加电源、结构简单、适用范围广，能够完整地输出冲击载荷的信息，且兼具吸能缓冲的功能，能克服现有部分冲击传感器结构复杂、成本高的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了基于巨挠曲电效应的冲击载荷防护传感器，包括多孔电介质、电极、导线、外壳；所述多孔电介质固定在外壳内，所述多孔电介质的上下表面均涂覆电极，所述电极上均连接导线，所述外壳对多孔电介质、电极、导线进行封装。

3、优选的，所述多孔电介质为第一电介质材料或第一电介质材料和第二电介质材料复合，所述第一电介质材料为聚二甲基硅氧烷、聚偏氟乙烯、氧化铝陶瓷、钛酸钡陶瓷、钛酸锶钡陶瓷、钛酸锶陶瓷、锆酸钡陶瓷、锆酸钙陶瓷中的一种或多种。

4、优选的，所述第二电介质材料为高介电常数陶瓷粉末，所述高介电常数陶瓷粉末为钛酸钡、钛酸锶钡、钛酸铜钙中的一种或多种，所述第二电介质材料在多孔电介质中体积占比小于10％。

5、优选的，所述多孔电介质的形状为任意宏观底面投影形状的直棱柱。

6、优选的，所述电极为柔性导电电极，所述柔性导电电极为铜箔、导电银浆、碳电极中的一种。

7、基于巨挠曲电效应的冲击载荷防护传感器的测量方法，包括以下步骤：

8、s1、根据薄板变形理论，在以冲击位置为原点的极坐标下，计算其受到冲击载荷的t时刻、r位置的宏观变形，

9、

10、其中jn为n阶贝塞尔函数，in为n阶虚宗量贝塞尔函数，λi与薄板的边界条件相关，对于固支边界，λi为下列方程的根，

11、

12、

13、其中w(r,t)为宏观变形，ci，qi均为与薄板尺寸以及基频相关的常数，f(τ)为冲击载荷；

14、s2、建立多孔电介质薄板微结构变形与其挠曲电信号输出的关系，

15、

16、其中q(t)为t时刻收集到的挠曲电电荷；k为与材料、多孔孔隙率特征相关的材料常数，d为所使用多孔材料微结构的特征尺寸，δh(i·d,t)为微结构上变形的特征；

17、s3、建立微结构变形特征与宏观变形特征满足如下关系，

18、

19、其中d为所使用多孔材料微结构的特征尺寸；

20、s4、根据步骤s1-s3建立的多孔电介质薄板的宏观变形、微观变形、挠曲电信号的定量关系，得到无基底多孔电介质薄板在四周固支的约束条件下对冲击载荷的传感。

21、优选的，所述步骤s1中，f(τ)表示为，

22、

23、其中v0为冲击速度，k和a均为与冲击物体的几何特征、质量相关的常数。

24、本发明的有益效果：

25、(1)本发明基于多孔材料的挠曲电效应，材料选择范围广，包括所有电介质材料；

26、(2)本发明基于多孔材料的挠曲电效应，电信号输出与电介质的变形是同步的，灵敏度和精度较高；

27、(3)本发明结构简单，原材料简单易得，因此成本低、易维护；

28、(4)本发明材料的选择上优选生物相容性好的环保材料，不会对人体健康造成影响并且不会对环境造成污染；

29、(5)本发明基于挠曲电效应，材料可以自供电，无需外接电源，是一种无源传感器，可进一步降低成本，便于实际应用，减轻质量和维护负担；

30、(6)本发明受冲击部分采用多孔材料，因此在载荷传感的过程中还可以对基底下被测的人体或器件等提供保护，在冲击的工况下能够保证人体以及器件的安全；

31、(7)本发明采用多孔材料，质量轻，可以做成可穿戴型设备而不造成负担；

32、(8)本发明可以根据需求通过更换不同力电性能材料的方式实现大变形工况下的载荷传感，且对传感器覆盖的物体提供缓冲保护的功能，这对航空航天、机械、石油化工、健康监测、运动科学等领域都具有重大的意义。

33、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

技术特征：

1.基于巨挠曲电效应的冲击载荷防护传感器，其特征在于：包括多孔电介质、电极、导线、外壳；所述多孔电介质固定在外壳内，所述多孔电介质的上下表面均涂覆电极，所述电极上均连接导线，所述外壳对多孔电介质、电极、导线进行封装。

2.根据权利要求1所述的基于巨挠曲电效应的冲击载荷防护传感器，其特征在于：所述多孔电介质为第一电介质材料或第一电介质材料和第二电介质材料复合，所述第一电介质材料为聚二甲基硅氧烷、聚偏氟乙烯、氧化铝陶瓷、钛酸钡陶瓷、钛酸锶钡陶瓷、钛酸锶陶瓷、锆酸钡陶瓷、锆酸钙陶瓷中的一种或多种。

3.根据权利要求2所述的基于巨挠曲电效应的冲击载荷防护传感器，其特征在于：所述第二电介质材料为高介电常数陶瓷粉末，所述高介电常数陶瓷粉末为钛酸钡、钛酸锶钡、钛酸铜钙中的一种或多种，所述第二电介质材料在多孔电介质中体积占比小于10％。

4.根据权利要求1所述的基于巨挠曲电效应的冲击载荷防护传感器，其特征在于：所述多孔电介质的形状为任意宏观底面投影形状的直棱柱。

5.根据权利要求1所述的基于巨挠曲电效应的冲击载荷防护传感器，其特征在于：所述电极为柔性导电电极，所述柔性导电电极为铜箔、导电银浆、碳电极中的一种。

6.基于巨挠曲电效应的冲击载荷防护传感器的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的基于巨挠曲电效应的冲击载荷防护传感器的测量方法，其特征在于：所述步骤s1中，f(τ)表示为，

技术总结
本发明公开了基于巨挠曲电效应的冲击载荷防护传感器及其测量方法，包括外壳、多孔电介质、电极、导线；所述多孔电介质固定在外壳内，所述多孔电介质的上下表面均涂覆电极，所述电极上均连接导线，所述外壳对整个部件进行封装。本发明采用上述基于巨挠曲电效应的冲击载荷防护传感器及其测量方法，可以有效地简化现有的冲击传感器装置，改善现有的传感器无法同时传感和防护、对面外载荷传感性能差、成本高、需要外接电源的问题，并且具有质量轻，兼具传感和保护功能的优点。

技术研发人员：邵丽华,苏恒昌
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/4