低阻抗应变率传感器制造技术

一种低阻抗应变率传感器，是由压电陶瓷、线性运算放大器及反馈电阻组成；其特征在于：它把压电陶瓷直接连接到一个线性运算放大器的负输入端，线性运算放大器的正输入端接地，并且在线性运算放大器的负输入端和输出端之间连接一个反馈电阻。因为本发明专利技术采用了与现有应变率测量方法完全不同的压电原理，没有传统方法带来的横向效应和时间滞后，它可以直接输出微分信号，而不像应变计－前置放大器需经模拟或数字微分求应变率。所以，它是一种结构简单，易于制造，测量精度高，各方面性能更加优秀的应变率传感器。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术提供一种低阻抗应变率传感器,它涉及一种基于压电原理的低阻抗应 变率传感器，特别涉及一种包含压电陶瓷以及常见电子元器件构成的一种低阻抗 应变率传感器，属于传感器
(二)
技术介绍
目前，测量应变率所用的都是应变计。利用应变式变换原理制成电阻式应变 片或应变薄膜，它可以感受测量物体受力或力矩时所产生的应变，并将应变转换 为电阻变化，通过电桥进一步转换为电压或电流的变化。应变计的缺陷为由于应变计是多线的，线与线之间连接部分不在测量方向 上，引起横向效应，横向效应使传感器的灵敏度下降；机械应变以声波的形式在 材料中传播，当它依次通过一定厚度的基底、胶层并引起应变计的响应时，会有 时间的滞后。应变计的这种响应滞后尤其在动态(高频)应变测量时会产生误差。
技术实现思路
为了克服现有技术中的不足，本专利技术的的目的是提供一种低阻抗应变率传感 器，该传感器消除了因横向效应引起的灵敏度下降和因响应滞后引起的测量误差。本专利技术是通过以下技术方案实现的本专利技术一种低阻抗应变率传感器，是由压电陶瓷、线性运算放大器及反馈电 阻组成，其特征在于它把压电陶瓷直接连接到线性运算放大器的负输入端，线 性运算放大器的正输入端接地，并且在线性运算放大器的负输入端和输出端之间 连接反馈电阻。其中，压电陶瓷的厚度小于0.3毫米，面积小于3平方厘米；其中，线性运算放大器及反馈电阻无特殊要求，购买市场通用产品即可。本专利技术一种低阻抗应变率传感器，其优点和有益效果是因为本专利技术采用了 与现有应变率测量方法完全不同的压电原理，没有传统方法带来的横向效应，同 时也不会有时间上的滞后。此外本专利技术可以直接输出微分信号，而不像应变计-前置放大器需经模拟或数字微分求应变率。该专利技术它对噪声微分的敏感程度也比 应变计式传感器要小，因为它省去了应变计式传感器因前置放大器环节而造成的 噪声微分增量。所以它是一种结构简单，易于制造，测量精度高，各方面性能更 加优秀的应变率传感器。附图说明图l是本专利技术的电路原理图 图2是本专利技术的设计辅助图 图中的标号及符号说明如下1压电陶瓷 2反馈电阻 3线性运算放大器4电阻 Up压电陶瓷输出电压 US线性运算放大器输出电压 Rf反馈电阻2i压电陶瓷输出电流 R电阻具体实施例方式下面结合附图1对本专利技术作进一步描述本专利技术一种低阻抗应变率传感器，是由压电陶瓷l、线性运算放大器3及反馈电阻2组成。该压电陶瓷1直接与线性运算放大器3的负输入端相连接，线性 运算放大器3的正输入端接地，在线性运算放大器3的负输入端和输出端之间连 接一个反馈电阻2。该压电陶瓷l被粘贴于被测结构的表面，当被测结构受力发生形变时，压电 陶瓷1也会发生相应地形变。该压电陶瓷1的应变率通过压电效应被转化为电流，再经过线性运算放大器3和反馈电阻2将电流转化为输出电压。通过测量输出电压就能获取被测结构的应变率。在具体的实施过程中，该反馈电阻2可取值为300K欧姆，该压电陶瓷1的厚 度小于0.3毫米，面积小于3平方厘米；该线性运算放大器3选Linear选Linear 公司生产的型号为LTC 2052。关于传感器的理论推导说明如下压电体的机一一电本构关系也即压电方程描述其机械量(应力T和应变S)及电学量(电场强度^和电位移D)间的耦合关系。首先推导出压电陶瓷片(属 6鹏点群晶体)的压电方程。设压电薄片平面内坐标为x、 y,法线方向也即极化方向为z。在说明中将以 力学分析中惯用的符号为主，但在本节及以后有关分析压电陶瓷为主的论述中， 为保持压电体分析的原貌，将沿用压电体分析文献中的一般符号，二者对照表如 下<table>table see original document page 5</column></row><table>压电陶瓷作为6mm点群晶体，有2种最基本的压电效应方程；其一，电学短 路(￡1 = ^=五3=0)条件下的正压电效应<formula>formula see original document page 5</formula>其二，力学自由(r(=o，/=i-6)条件下的逆压电效应<formula>formula see original document page 6</formula>(2)其中和D,分别为压电体沿/轴的内部场强和极面电位移，&为有关/和y'轴的 压电常数，有其中下标p标志"压电陶瓷"，在说明中以后将一直沿用这一下标。对于我们关心的2维压电陶瓷，有 禾口r3 =0(4)并且我们也只关心1)3、 5,和52，方程(1) (2)成为<formula>formula see original document page 6</formula>(8)其中五p和/Zp分别为压电陶瓷的弹性模量和泊桑比。<formula>formula see original document page 7</formula>一 (8)，得到压电陶瓷的机-1 — 五p义五 义丄、-电耦合本构方禾:'王(9)它全面地反映了压电陶瓷6水」(4个机械量7，、r' r， & &和2个电学量"3和^)间的耦合关系，既包含了正压电效应，又包含了逆压电效应。在不同的场合，用不同的自变量和因变量将更为方便。为此，把方程(9) 称为第一类压电方程；从中，还可以导得与其等价的其它三类压电方程。第二类压电方程 五 其中压电系数而1-《五d<formula>formula see original document page 7</formula>为压电陶瓷在夹持以上标S标志)条件下的介电常数, 第三类压电方程其中压电系数<formula>formula see original document page 8</formula>第四类压电方程 五 其中压电系数<formula>formula see original document page 8</formula>压电陶瓷常用于如梁之类的一维应力结构中，r2=o，相应的四类压电方程成为<formula>formula see original document page 8</formula>其中<formula>formula see original document page 9</formula>在接下来的部分说明如何构造低阻抗应变率传感器见图2，设压电陶瓷1的二极间通过电阻4，构成回路。由第四类压电方程 (15)，压电陶瓷内场强为￡3 (/) =-~ , + & (,)) + "3/ 、输出电压为(25)(26)《W其中^为压电陶瓷厚度。单位面积压电陶瓷提供的电流为 〖(0 = _鴻(/) = 4 = (/) "2 W) + + D:从中可得关于电位移z)3 (o的一阶微分方程<formula>formula see original document page 9</formula>在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低阻抗应变率传感器，是由压电陶瓷、线性运算放大器及反馈电阻组成；其特征在于：该压电陶瓷直接连接到线性运算放大器的负输入端，线性运算放大器的正输入端接地，并且在线性运算放大器的负输入端和输出端之间连接一个反馈电阻。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：姚军，李晓钢，王晓慧，金有刚，叶建华，熊泽涛，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]