[发明专利]高阻抗应变传感器

说明书

(一)技术领域：

本发明提供一种高阻抗应变传感器，它涉及一种基于压电原理的高阻抗应变传感器，特 别涉及一种包含压电陶瓷以及常见电子元器件构成的高阻抗应变传感器，属于传感器技术领 域。

(二)背景技术：

目前，测量应变所用的都是应变计。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，会产生时间滞后，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。

(三)发明内容：

为了解决上述技术上的不足，本发明的目的是提供一种高阻抗应变传感器，该传感器消 除因横向效应引起的灵敏度下降和响应滞后引起的测量误差。

本发明通过以下技术方案实现的：

本发明系一种高阻抗应变传感器，是由压电陶瓷、线性运算放大器、电阻及负反馈电阻 组成。该压电陶瓷经过一电阻接入线性运算放大器的负输入端，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负反馈电阻。

其中，该压电陶瓷的厚度小于0.3毫米，面积小于3平方厘米；

其中，该线性运算放大器和电阻无特殊要求，购买市场通用产品即可。

本发明一种高阻抗应变传感器，其优点和有益效果是：因为本发明采用与现有应变测量 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。它 只需后接十分廉价的、可大量集成的运算放大器而不必如常规应变计之类要后接相对昂贵和 体积大的前置放大器。此外通过观察该传感器的传递函数可分析出的动态特性，比应变计要 好很多。本发明提供了一种结构简单，易于制造，测量精度高，各方面性能更加优秀的应变 传感器。

(四)附图说明：

图1是本发明的电路原理图

图2是本发明的设计辅助说明图

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    5电阻

Up压电陶瓷输出电压        Us线性运算放大器输出电压     R₁电阻4       R₂电阻5

R_f反馈电阻2               i压电陶瓷输出电流

(五)具体实施方式：

下面结合附图1对本发明作进一步描述：

见图1所示，本发明一种高阻抗应变传感器，是由压电陶瓷1、线性运算放大器3、电 阻4及负反馈电阻2组成。该压电陶瓷1经一个电阻4接入线性运算放大器3的负输入端 相连接，在线性运算放大器3的负输入端和输出端之间连接一个负反馈电阻2。

压电陶瓷1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 生与被测结构相同的形变。由于压电陶瓷1后连接一个电阻4，压电陶瓷1的应变通过压电 效应正比于输出电流，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，该电阻4可取值为1M欧姆，该反馈电阻2可取值为100K欧姆， 该线性运算放大器3选Linear选Linear公司生产的型号为LTC2052。该压电陶瓷1的 厚度小于0.3毫米，面积小于3平方厘米。

关于传感器的理论推导说明如下

压电体的机——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E和电位移D)间的耦合关系。首先推导出压电陶瓷片(属6mm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：