[go: up one dir, main page]

CN108039405B - 一种压电元件、压电传感器和速度及位移检测装置 - Google Patents

一种压电元件、压电传感器和速度及位移检测装置 Download PDF

Info

Publication number
CN108039405B
CN108039405B CN201810026290.5A CN201810026290A CN108039405B CN 108039405 B CN108039405 B CN 108039405B CN 201810026290 A CN201810026290 A CN 201810026290A CN 108039405 B CN108039405 B CN 108039405B
Authority
CN
China
Prior art keywords
piezoelectric
piezoelectric element
flexible
sensor
speed
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201810026290.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108039405A (zh
Inventor
凌明祥
刘谦
黎启胜
李思忠
田光明
岳新武
蒋宁
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Engineering Research Institute China Academy of Engineering Physics
Original Assignee
General Engineering Research Institute China Academy of Engineering Physics
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by General Engineering Research Institute China Academy of Engineering Physics filed Critical General Engineering Research Institute China Academy of Engineering Physics
Priority to CN201810026290.5A priority Critical patent/CN108039405B/zh
Publication of CN108039405A publication Critical patent/CN108039405A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108039405B publication Critical patent/CN108039405B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/704—Piezoelectric or electrostrictive devices based on piezoelectric or electrostrictive films or coatings
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D21/00—Measuring or testing not otherwise provided for
    • G01D21/02—Measuring two or more variables by means not covered by a single other subclass
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
    • H10N30/302—Sensors
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
    • H10N30/308—Membrane type
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
    • H10N30/857—Macromolecular compositions

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Abstract

本发明涉及一种压电元件、压电传感器和速度及位移检测装置。压电元件包括压电片，压电片包括压电薄膜层、压电薄膜层上下表面设置的电极层、以及每个电极层的外表面覆盖的绝缘层；每个电极层均引出信号线。压电传感器包括压电元件和柔性机构，柔性机构包括作为传感器测头的基座和镶嵌在基座两侧的柔性基板，压电元件粘贴到至少任一柔性基板表面，且压电元件的底端与柔性基板的一端对齐，顶端与基座的边缘对齐。速度及位移检测装置包括压电传感器，其中一根信号线连接电荷放大器和电流放大器的正极，另一根信号线连接电荷放大器和电流放大器的负极。该压电元件及压电传感器能满足体积要求苛刻的位移和线速度高精度、高频响测量需求。

Description

一种压电元件、压电传感器和速度及位移检测装置
技术领域
本发明属于传感与测试技术领域，尤其涉及一种压电元件、压电传感器和速度及位移检测装置。
背景技术
压电薄膜，例如公知的PVDF压电片、公知的压电纤维等，因其优良的柔韧可弯曲性质，被大量用于制造传感器。压电传感器的基本原理是基于压电材料的正压电效应，即外力或位移促使压电片产生应变，进而在压电片表面产生电荷。压电传感器的优点是精度高、频响高，尤其适用于动态测量。
目前公知的压电片大量用于风速、应变、力和振动加速度的测量。例如，专利号201310634131.0设计了用于气流检测的PVDF超声传感器；专利201310712358.2利用压电PVDF薄膜进行混凝土应力测量；专利号200810243318.7提出了测量脉搏的PVDF阵列触觉传感器。
目前公知的体位移高精度测量大多数传感器是激光位移传感器、电容测位移、电涡流传感器等。激光位移传感器体积较大，虽然电容测微仪和电涡流传感器体积可以做到厘米量级，但是这些传感器仍然不能用于非常狭窄空间的位移测量，例如小型多自由度精密定位平台对传感器的体积和安装非常苛刻。另外，对于高精度(亚微米和纳米量级)、高频响(上千赫兹)的位移测量，传统的激光位移传感器、电容测微仪等的价格非常昂贵。
另一方面，目前公知的转速测量一般采用光栅或其他方式，但是对于线速度的测量，相应的传感器较少，尤其是对于往复运动的高频响、高精度线速度测量，目前公知的激光多普勒传感器价格非常昂贵，而且测量系统复杂。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种压电元件、压电传感器和速度及位移检测装置，该压电元件及压电传感器能满足体积要求苛刻的位移和线速度高精度、高频响测量需求。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种基于压电薄膜的压电元件，包括压电片，所述压电片包括压电薄膜层、所述压电薄膜层上下表面设置的电极层、以及每个所述电极层的外表面覆盖的绝缘层；每个电极层均引出一根信号线。
本发明的有益效果是：减小了压电片的电荷泄露，提高测量精度。
进一步，所述压电片为三角形形状，且为柔性压电片，所述绝缘层为柔性绝缘层。
采用上述进一步方案的有益效果是：确保了体位移和线速度的高灵敏度测量。
进一步，所述压电薄膜层为PVDF压电薄膜。
一种基于压电薄膜的压电传感器，包括上述压电元件和柔性机构，柔性机构包括作为传感器测头的基座和镶嵌在基座两侧的柔性基板，所述压电元件粘贴到至少任一所述柔性基板的表面，且所述压电元件的底端与所述柔性基板的一端对齐，顶端与所述基座的边缘对齐。
本发明的有益效果是：利用柔性机构的变形实现位移量和速度的传递和感测。
进一步，还包括两个支撑块，每个支撑块分别与每个柔性基板的一端刚性连接。
采用上述进一步方案的有益效果是：使测量时支撑结构相对被测对象是静止的，从而实现体位移和速度的测量。
本发明还提供了一种基于压电薄膜的速度及位移检测装置，包括上述压电传感器，其中一根信号线连接电荷放大器和电流放大器的正极，另一根信号线连接电荷放大器和电流放大器的负极。
本发明的有益效果是：本发明是一种采用柔性压电片和柔性机构来构成的压电传感器，其突出特点是柔性压电片为三角形形状，电荷放大器为公知的电荷放大电路，其输出电压用于测量位移；电流放大器为公知的电流放大电路，其输出的电压用于测量速度，从而确保了体位移和线速度的测量，适用于体积和安装空间非常狭小的场合，而且测量精度和频响高，具有推广使用的价值。
附图说明
图1是本发明涉及的压电元件结构示意图；
图2是本发明涉及的传感器结构图；
图3是本发明涉及的传感器五种压电元件布局方式示意图；图中A-E分别表示传感器五种压电元件布局方式；
图4是本发明的速度及位移检测装置结构图；
图5是本发明测量方法用于精密定位平台位移和速度测量的一个实施例；
图6是本发明传感器用于振动位移和速度测量的一个实施例。
图中：1-压电片，2-绝缘层，3-信号线，4-支撑结构，5-电荷放大器，6-电流放大器，7-柔性基板，8-基座，9-压电薄膜层，10-电极层，11-精密定位平台，12-振动台。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，本发明涉及一种基于压电薄膜的压电元件，包括压电片1，所述压电片1包括压电薄膜层9、所述压电薄膜层9上下表面设置的电极层10、以及每个所述电极层10的外表面覆盖的绝缘层2；每个电极层10均引出一根信号线3。
所述压电片1为三角形形状，且为柔性压电片，所述绝缘层为柔性绝缘层。所述压电薄膜层9为PVDF压电薄膜。
如图2、图3所示，一种基于压电薄膜的压电传感器，包括上述压电元件和柔性机构，柔性机构包括作为传感器测头的基座8和镶嵌在基座8两侧的柔性基板7，所述压电元件粘贴到至少任一柔性基板7表面，且所述压电元件的底端与柔性基板7的一端对齐，顶端与基座8的边缘对齐。
还包括两个支撑块，每个支撑块分别与每个柔性基板的一端刚性连接。
如图4所示，一种基于压电薄膜的速度及位移检测装置，包括上述压电传感器，其中一根信号线3连接电荷放大器5和电流放大器6的正极，另一根信号线3连接电荷放大器5和电流放大器6的负极。其中所述电荷放大器5为公知的电荷放大电路，其输出电压用于测量位移；所述电流放大器6为公知的电流放大电路，其输出的电压用于测量速度。所述柔性机构为两端固定，由柔性基板7和基座8组成，所述基座的运动位移和速度即为被测对象。所述压电元件粘贴在所述柔性机构的柔性基板7表面，压电元件的底端与所述柔性基板7的固定端对齐，所述压电元件的顶端与所述柔性机构的基座8的边缘对齐。当所述柔性机构的基座8发生运动位移时，所述柔性基板7产生弯曲，进而在柔性基板内部产生应变，导致所述压电元件产生电荷，实现被测量的感测。所述支撑结构4为所述传感器的结构支撑主体，测量时所述支撑结构4相对被测对象是静止的。
如图5所示是公知的精密定位平台11，该精密定位平台11内部大量存在所述的柔性机构，应用时只需将所述压电元件粘贴在所述柔性机构的柔性基板7表面，其中一根信号线3连接电荷放大器5和电流放大器6的正极，另一根信号线3连接电荷放大器5和电流放大器6的负极。其中所述电荷放大器5为公知的电荷放大电路，其输出电压用于测量位移；所述电流放大器6为公知的电流放大电路，其输出的电压用于测量速度。所述柔性机构的基座8的运动位移近似等于精密定位平台11的输出端的位移，通过所述压电元件测量出所述基座8的位移和速度，即可获得精密定位平台的运动位移和运动速度，该测量方法非常适用于对体积和安装空间要求苛刻的测量场合。
具体地，作为优选，所述压电片1为公知的压电聚合物薄膜，即PVDF压电薄膜。
具体地，在所述柔性基板7的上下表面同时粘贴两片一样的压电片1，构成差分测量模式，提高测量精度。
如图6所示，是本发明涉及的在振动台12上用于测量振动位移和线速度的实施例，包括上述压电传感器，其中一根信号线连接电荷放大器和电流放大器的正极，另一根信号线连接电荷放大器和电流放大器的负极。测量时，将所述传感器的基座8，即传感器测头粘贴到被测对象上，其中一根信号线3连接电荷放大器5和电流放大器6的正极，另一根信号线3连接电荷放大器5和电流放大器6的负极。其中所述电荷放大器5为公知的电荷放大电路，其输出电压用于测量位移；所述电流放大器6为公知的电流放大电路，其输出的电压用于测量速度。当被测对象发生位移时，本发明涉及传感器的柔性基板7发生弯曲变形，致使粘贴在所述柔性基板7表面的所述压电元件产生应变，实现振动位移和速度的测量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种压电传感器，其特征在于，包括压电元件和柔性机构，所述柔性机构包括作为传感器测头的基座和镶嵌在基座两侧的柔性基板，所述压电元件粘贴到至少任一所述柔性基板的表面，且所述压电元件的底端与所述柔性基板的一端对齐，顶端与所述基座的边缘对齐；
压电元件包括压电片，所述压电片包括压电薄膜层、所述压电薄膜层上下表面设置的电极层、以及每个所述电极层的外表面覆盖的绝缘层；每个所述电极层均引出一根信号线；所述压电片为三角形形状，且为柔性压电片，所述绝缘层为柔性绝缘层；所述压电薄膜层为PVDF压电薄膜。
2.根据权利要求1所述的压电传感器，其特征在于，还包括两个支撑块，每个支撑块分别与每个柔性基板的一端刚性连接。
3.一种速度及位移检测装置，其特征在于，包括权利要求1或2所述的压电传感器，其中一根信号线连接电荷放大器和电流放大器的正极，另一根信号线连接电荷放大器和电流放大器的负极。
CN201810026290.5A 2018-01-11 2018-01-11 一种压电元件、压电传感器和速度及位移检测装置 Active CN108039405B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810026290.5A CN108039405B (zh) 2018-01-11 2018-01-11 一种压电元件、压电传感器和速度及位移检测装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810026290.5A CN108039405B (zh) 2018-01-11 2018-01-11 一种压电元件、压电传感器和速度及位移检测装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108039405A CN108039405A (zh) 2018-05-15
CN108039405B true CN108039405B (zh) 2023-10-20

Family

ID=62099190

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810026290.5A Active CN108039405B (zh) 2018-01-11 2018-01-11 一种压电元件、压电传感器和速度及位移检测装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108039405B (zh)

Citations (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2637125A1 (fr) * 1988-09-29 1990-03-30 Vectavib Procede de fabrication d'un capteur integre de grandeurs mecaniques et capteur obtenu
JPH08327305A (ja) * 1995-03-27 1996-12-13 Omron Corp 変位センサ
JPH1137762A (ja) * 1997-07-18 1999-02-12 Nippon Ceramic Co Ltd 圧電式加速度センサ
KR20070056950A (ko) * 2005-11-29 2007-06-04 가부시키가이샤 니혼 마이크로닉스 센서기판과 이것을 이용하는 검사 방법 및 장치
JP2007185049A (ja) * 2006-01-06 2007-07-19 Canon Inc 振動子及び振動波駆動装置
EP1953499A2 (en) * 2007-02-02 2008-08-06 Wacoh Corporation Sensor for detecting acceleration and angular velocity
JP3158583U (ja) * 2010-01-26 2010-04-08 株式会社ワコー 加速度と角速度との双方を検出するセンサ
CN202256381U (zh) * 2011-09-06 2012-05-30 浙江吉利汽车研究院有限公司 压电薄膜式加速度传感器
WO2013021597A1 (ja) * 2011-08-05 2013-02-14 パナソニック株式会社 超音波探触子及び超音波探触子に用いるフレキシブル基板
CN103720486A (zh) * 2012-10-12 2014-04-16 精工爱普生株式会社 超声波转换器装置、探测头、超声波探测器及电子设备
CN104009669A (zh) * 2014-06-10 2014-08-27 大连理工大学 一种分块悬臂梁结构的压电地板装置
CN104614196A (zh) * 2015-02-11 2015-05-13 重庆大学 压电陶瓷叠堆执行器刚度测量装置
CN105300572A (zh) * 2015-11-20 2016-02-03 浙江大学 压电式柔性三维触觉传感阵列及其制备方法
CN107356359A (zh) * 2017-09-19 2017-11-17 沈阳建筑大学 一种pvdf压电薄膜冲击监测传感器
CN208014745U (zh) * 2018-01-11 2018-10-26 中国工程物理研究院总体工程研究所 一种压电元件、压电传感器和速度及位移检测装置
CN110044522A (zh) * 2019-03-25 2019-07-23 北京航空航天大学 一种利用神经网络实现压电式压力检测触屏压电响应均匀化的方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10113660A1 (de) * 2001-03-21 2002-09-26 Koninkl Philips Electronics Nv Piezoelektrischer Antrieb
US6964201B2 (en) * 2003-02-25 2005-11-15 Palo Alto Research Center Incorporated Large dimension, flexible piezoelectric ceramic tapes
WO2009055767A2 (en) * 2007-10-26 2009-04-30 Trs Technologies, Inc. Micromachined piezoelectric ultrasound transducer arrays
JP5954773B2 (ja) * 2012-03-13 2016-07-20 東芝メディカルシステムズ株式会社 超音波プローブおよび超音波プローブの製造方法
US10130339B2 (en) * 2014-06-30 2018-11-20 Seiko Epson Corporation Ultrasound sensor and method of manufacturing thereof

Patent Citations (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2637125A1 (fr) * 1988-09-29 1990-03-30 Vectavib Procede de fabrication d'un capteur integre de grandeurs mecaniques et capteur obtenu
JPH08327305A (ja) * 1995-03-27 1996-12-13 Omron Corp 変位センサ
JPH1137762A (ja) * 1997-07-18 1999-02-12 Nippon Ceramic Co Ltd 圧電式加速度センサ
KR20070056950A (ko) * 2005-11-29 2007-06-04 가부시키가이샤 니혼 마이크로닉스 센서기판과 이것을 이용하는 검사 방법 및 장치
JP2007185049A (ja) * 2006-01-06 2007-07-19 Canon Inc 振動子及び振動波駆動装置
EP1953499A2 (en) * 2007-02-02 2008-08-06 Wacoh Corporation Sensor for detecting acceleration and angular velocity
JP3158583U (ja) * 2010-01-26 2010-04-08 株式会社ワコー 加速度と角速度との双方を検出するセンサ
WO2013021597A1 (ja) * 2011-08-05 2013-02-14 パナソニック株式会社 超音波探触子及び超音波探触子に用いるフレキシブル基板
CN202256381U (zh) * 2011-09-06 2012-05-30 浙江吉利汽车研究院有限公司 压电薄膜式加速度传感器
CN103720486A (zh) * 2012-10-12 2014-04-16 精工爱普生株式会社 超声波转换器装置、探测头、超声波探测器及电子设备
CN104009669A (zh) * 2014-06-10 2014-08-27 大连理工大学 一种分块悬臂梁结构的压电地板装置
CN104614196A (zh) * 2015-02-11 2015-05-13 重庆大学 压电陶瓷叠堆执行器刚度测量装置
CN105300572A (zh) * 2015-11-20 2016-02-03 浙江大学 压电式柔性三维触觉传感阵列及其制备方法
CN107356359A (zh) * 2017-09-19 2017-11-17 沈阳建筑大学 一种pvdf压电薄膜冲击监测传感器
CN208014745U (zh) * 2018-01-11 2018-10-26 中国工程物理研究院总体工程研究所 一种压电元件、压电传感器和速度及位移检测装置
CN110044522A (zh) * 2019-03-25 2019-07-23 北京航空航天大学 一种利用神经网络实现压电式压力检测触屏压电响应均匀化的方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN108039405A (zh) 2018-05-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN204495495U (zh) 一种三维力电容式触觉传感器单元
CN106197772B (zh) 一种柔性压力传感器及其制备方法
CN103063867A (zh) 一种电容式风速风向传感器
Elbestawi Force measurement
CN112082674A (zh) 一种基于正挠曲电效应的土压力测量盒
CN113607975B (zh) 一种用于mems传感器的位置检测与校准装置
CN119374470A (zh) 一种形变检测集成微纳传感器及其制作与检测方法
CN205861876U (zh) 一种基于超磁致伸缩薄膜的悬臂梁叉指电容磁场传感探头
CN101140158A (zh) 电致伸缩材料特性的电容法测试装置
CN110441551B (zh) 一种基于石英圆环谐振器的原子力探针式传感器
CN108039405B (zh) 一种压电元件、压电传感器和速度及位移检测装置
CN107976274B (zh) 一种基于同步共振的压力检测装置及检测方法
JP2019060667A (ja) 三次元容量式タッチセンサ
CN114486046B (zh) 基于柔性触觉电容的三维压力传感器
CN107036739A (zh) 一种利用压电原理测量压力的压力传感器及其工作方法
US6633172B1 (en) Capacitive measuring sensor and method for operating same
CN108594007B (zh) 基于固支梁压阻效应的微波功率传感器
Neumann et al. Comparison of piezoresistive and capacitive ultrasonic transducers
CN101750010B (zh) 双滚轮非接触式厚度测量系统
CN115856348B (zh) 仿蚊子触角多级鞭毛结构的高精度流场传感器及测量方法
CN208092125U (zh) 基于固支梁压阻效应的微波功率传感器
CN207763861U (zh) 一种联轴器型压电扭矩传感器
CN115575661B (zh) 二维电容差分式mems风速风向传感器
CN101545819B (zh) 一种测量旋转体表压时标定pvdf电压系数的方法
CN208014745U (zh) 一种压电元件、压电传感器和速度及位移检测装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant