專利名稱：：微型寬頻帶正交異性—聲發(fā)射傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本實(shí)用新型涉及一種智能材料結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)用的傳感器，特指一種寬頻帶正交異性壓電復(fù)合材料制作的聲發(fā)射傳感器。
背景技術(shù)：
：目前，多數(shù)傳感/驅(qū)動(dòng)元件采用單一壓電陶瓷制成，脆性大，不易做成大平面或形狀復(fù)雜的薄片，經(jīng)不起機(jī)械沖擊和非對(duì)稱受力；密度大，硬度高，不易與結(jié)構(gòu)體相容，與結(jié)構(gòu)體粘貼后對(duì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能會(huì)產(chǎn)生較大的影響；極限應(yīng)變小，作為驅(qū)動(dòng)器使用時(shí)，驅(qū)動(dòng)性能太低，并且最不足之處是其橫觀各向同性；作為傳感器使用時(shí)不具備測(cè)定特定方向的應(yīng)力和應(yīng)力波的能力，且其具有較強(qiáng)的選頻特征，頻帶范圍較窄，信號(hào)的真實(shí)頻率特性往往被掩蓋掉，這樣遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工程結(jié)構(gòu)的檢測(cè)與應(yīng)用。為了解決上述問(wèn)題，在壓電傳感器方面大多集中在對(duì)1一1型和1一3型壓電復(fù)合材料的研究上，在聲發(fā)射傳感器的設(shè)計(jì)上，基本上是光纖聲發(fā)射傳感器和鐵電復(fù)合材料聲發(fā)射傳感器，頻帶范圍較窄、智能特性不夠且不易于加工制作。組成聲發(fā)射傳感器元件的壓電復(fù)合材料是將壓電相純陶瓷和有機(jī)壓電聚合物基體按照一定的連通方式、一定的體積或質(zhì)量比例和一定的幾何空間分布復(fù)合而成，它能夠成倍地提高復(fù)合材料的力電性能，并且具有單一壓電陶瓷所沒(méi)有的優(yōu)良性能。作為傳感材料，它既有靈敏度高、頻響特性好的特點(diǎn)，又可以準(zhǔn)確區(qū)分結(jié)構(gòu)中的各個(gè)應(yīng)力分量，使測(cè)量更加可靠、準(zhǔn)確。壓電復(fù)合材料以其優(yōu)越的力電性能在微型傳感器件領(lǐng)域的應(yīng)用方面取得了明顯的進(jìn)展，但由于其復(fù)合材料的成分、制備工藝、形狀選擇等方面存在許多技術(shù)問(wèn)題，如頻帶范圍較窄、信號(hào)的真實(shí)頻率特性往往被掩蓋掉等，就無(wú)法直接推動(dòng)其在傳感元件方面的廣泛應(yīng)用，大大限制了其應(yīng)用范圍。這就非常需要進(jìn)一步加強(qiáng)復(fù)合材料從配制成分、制備工藝到形狀設(shè)計(jì)等的一套合理方法運(yùn)用，以滿足工程檢測(cè)與應(yīng)用等多方面的需要。目前，正交各向異性壓電復(fù)合材料是由壓電相基體和聚合物相復(fù)合而成，與傳統(tǒng)的傳感元件相比具備更高的力電性能。
發(fā)明內(nèi)容針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本實(shí)用新型提供了一種新型的用于工程精確檢測(cè)的寬頻帶正交異性壓電復(fù)合材料制作的微型聲發(fā)射傳感器。本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是包括多個(gè)不同厚度的壓電元件，壓電元件由基體壓電相和聚合物相復(fù)合成，整個(gè)壓電元件的結(jié)構(gòu)由壓電陶瓷復(fù)合材料和上下兩片條形交叉電極構(gòu)成長(zhǎng)方形弧形切槽的形狀。所述基體壓電相的體積占?jí)弘娫?.689%，基體壓電相的最大外圍尺寸為9mmX6mmX2mm，壓電相和聚合物相寬度均為0.2mm。基體壓電相中的基體材料采用環(huán)氧導(dǎo)電膠、壓電相材料采用納米鋯鈦酸鉛壓電陶瓷。本實(shí)用新型的有益效果是-1、由于結(jié)構(gòu)上采用長(zhǎng)方形弧形槽，有效地避免了聚合物相對(duì)波的衰減作用，尤其是聚合物相的加入，使得形成的壓電復(fù)合材料傳感元件的橫觀各向異性特性得到了顯著的放大，具備測(cè)定特定方向應(yīng)力和應(yīng)力波的能力。2、隨著長(zhǎng)方形切槽深度的增加，使得元件各壓電相沿極化方向的尺寸在一定范圍內(nèi)變化，因此可在一定程度上達(dá)到展寬頻帶的目的，頻帶范圍為0.21.7MHz。3、該傳感器在加工過(guò)程中，由于聚合相的抗振效應(yīng)可保護(hù)壓電相，并使壓電相結(jié)構(gòu)具有抗切碎和抗裂的特性，因此其形狀是可以改變的，容易適應(yīng)其它各應(yīng)用領(lǐng)域；此外，排列和填充結(jié)構(gòu)件的像素分布是任意排列的，因此可消除與規(guī)則排列的像素間隙之間的相互干擾。圖l是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)圖中l(wèi).壓電相；2.聚合物相；H=4.5腿，L=3mm，厚度2麗，中心寬度h=l.5mm，箭頭P方向?yàn)闃O化方向；圖2是本實(shí)用新型頻響特性曲線。具體實(shí)施方式如圖1所示，傳感器包括多個(gè)不同厚度的壓電元件，整個(gè)壓電元件結(jié)構(gòu)由壓電陶瓷復(fù)合材料和上下兩片條形交叉電極構(gòu)成，該兩片條形交叉電極構(gòu)成長(zhǎng)方形弧形切槽的形狀，壓電元件的壓電復(fù)合材料由基體壓電相1和聚合物相2復(fù)合組成，基體壓電相1體積百分比占?jí)弘娫?.689%，其結(jié)構(gòu)最大外圍尺寸為9mmX6腿X2mm，壓電相1與聚合物相2寬度均為0.2匪，并且各壓電相沿極化方向的厚度不同。基體材料采用DAD-40型環(huán)氧導(dǎo)電膠，室溫剪切強(qiáng)度為14.7Mpa，體積電阻率《1.0x10—3Q.cm;壓電相材料為納米鋯鈦酸鉛壓電陶瓷,材料密度為P=7730kg/m3。該聲發(fā)射傳感器的主要性能與參數(shù)如下表所示4<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>本實(shí)用新型針對(duì)不同結(jié)構(gòu)中傳播的不同類型的波設(shè)計(jì)了波形，用于提高結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)的能力，對(duì)傳感元件主要起厚度振動(dòng)效應(yīng)。通過(guò)提高傳感元件在力學(xué)上的各向異性程度、改變傳感元件幾何尺寸，可提高靈敏方向振動(dòng)耦合效應(yīng)，同時(shí)降低不靈敏方向的振動(dòng)耦合效應(yīng)，從而更有效的提高了其正交異性；在制作工藝上，采用超高真空多靶磁控濺射技術(shù)構(gòu)造的條形交叉電極，在電極兩側(cè)能夠產(chǎn)生極性相反的電場(chǎng)機(jī)制，同時(shí)在正負(fù)電極的交匯處設(shè)置有絕緣膠隔離區(qū)將極性相反的兩電極完全隔開(kāi)，形成良好的絕緣帶以防漏電。電極間的阻值經(jīng)測(cè)定大于200MQ;應(yīng)用數(shù)字仿真技術(shù)驗(yàn)證了本實(shí)用新型的頻響特性，其頻響特性曲線如圖2所示；同時(shí)采用電聲互易原理的絕對(duì)標(biāo)定技術(shù)對(duì)自行設(shè)計(jì)和制作的傳感器進(jìn)行標(biāo)定。本實(shí)用新型通過(guò)l-l型正交異性一聲發(fā)射傳感器傳感特性試驗(yàn)，將制作的片狀壓電元件分別粘貼于1050XI000X20mm的鋼板和700X700X200m的混凝土表面。采用示波器接收信號(hào)，設(shè)定采樣頻率為2.5MHz、采樣長(zhǎng)度2048byte;采用直徑為0.5mm、伸長(zhǎng)量為2.5mm的HB鉛筆芯以30度角在各測(cè)點(diǎn)的折斷信號(hào)模擬構(gòu)件中的聲發(fā)射信號(hào)。采用兩通道根據(jù)波峰到達(dá)的時(shí)間差計(jì)算的波行速度分別為2958m/s和2103m/s,可見(jiàn)用鋼板和混凝土試件進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)該傳感器均表現(xiàn)出明顯的正交異性，具有良好應(yīng)用的效果。權(quán)利要求1.一種微型寬頻帶正交異性—聲發(fā)射傳感器，包括多個(gè)不同厚度的壓電元件，壓電元件由基體壓電相(1)和聚合物相(2)復(fù)合而成，其特征是整個(gè)壓電元件的結(jié)構(gòu)由壓電陶瓷復(fù)合材料和上下兩片條形交叉電極構(gòu)成長(zhǎng)方形弧形切槽的形狀。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型寬頻帶正交異性一聲發(fā)射傳感器，其特征是所述基體壓電相(1)的體積占?jí)弘娫?.689%，基體壓電相(1)的最大外圍尺寸為9X6X2mm，壓電相(1)和聚合物相(2)寬度均為0.2腿。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型寬頻帶正交異性一聲發(fā)射傳感器，其特征是基體壓電相(1)中的基體材料采用環(huán)氧導(dǎo)電膠、壓電相材料采用納米鋯鈦酸鉛壓電陶瓷。專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種微型寬頻帶正交異性—聲發(fā)射傳感器，包括多個(gè)不同厚度的壓電元件，壓電元件由基體壓電相和聚合物相復(fù)合成，整個(gè)壓電元件的結(jié)構(gòu)由壓電陶瓷復(fù)合材料和上下兩片條形交叉電極構(gòu)成長(zhǎng)方形弧形切槽的形狀；所述基體壓電相的體積占?jí)弘娫?.689％，基體壓電相的最大外圍尺寸為9mm×6mm×2mm，壓電相和聚合物相寬度均為0.2mm；由于結(jié)構(gòu)上采用長(zhǎng)方形弧形槽，有效地避免了聚合物相對(duì)波的衰減作用，具備測(cè)定特定方向應(yīng)力和應(yīng)力波的能力；一定程度上達(dá)到展寬頻帶的目的，頻帶范圍為0.2～1.7MHz；適應(yīng)各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。文檔編號(hào)G01N29/24GK201307102SQ20082021756公開(kāi)日2009年9月9日申請(qǐng)日期2008年12月2日優(yōu)先權(quán)日2008年12月2日發(fā)明者張禮華,英駱申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)