一種可消除橫向應(yīng)變影響的傳感器制造技術(shù)

本實(shí)用新型專利技術(shù)公布了一種可消除橫向應(yīng)變影響的傳感器，由1-3型壓電傳感器和3-3型壓電傳感器組成。通過理論推導(dǎo)并結(jié)合實(shí)際的傳感器尺寸計算，可選擇適當(dāng)?shù)膫鞲衅鞒叽绫壤⑼ㄟ^合適的接線方式使之組合為一組可消除橫向應(yīng)變影響的壓電動態(tài)應(yīng)變傳感器。該壓電動態(tài)傳感器使用時粘貼于目標(biāo)結(jié)構(gòu)表面，可消除目標(biāo)結(jié)構(gòu)橫向應(yīng)變變化的影響，僅對特定方向的應(yīng)變變化敏感并起到傳感作用。這一實(shí)用新型專利技術(shù)可以促進(jìn)壓電動態(tài)應(yīng)變傳感器在工程結(jié)構(gòu)上的廣泛應(yīng)用。（*該技術(shù)在2022年保護(hù)過期，可自由使用*）

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

技術(shù)涉及一種可消除橫向應(yīng)變影響的傳感器，屬于傳感器的

技術(shù)介紹
壓電材料既能作為傳感元件，又能作為激勵元件，具有壓電常數(shù)大，靈敏度高；制備容易，響應(yīng)頻率高、成本低廉、受環(huán)境溫度濕度等條件影響小等特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景，已經(jīng)大量應(yīng)用于實(shí)際工程。實(shí)際工程中常用的壓電傳感器通常分為1-3型壓電傳感器和3-3型壓電傳感器。其區(qū)別在于1-3型壓電傳感器在粘貼使用時，其極化方向垂直于目標(biāo)結(jié)構(gòu)表面，當(dāng)目標(biāo)結(jié)構(gòu)表面應(yīng)變發(fā)生變化時，壓電傳感器通過1-3方向的壓電效應(yīng)，在電極積累電荷，起到傳感作用；而1-3型壓電傳感器在粘貼使用時，其極化方向平行于目標(biāo)結(jié)構(gòu)表面，當(dāng)目標(biāo)結(jié)構(gòu)表面應(yīng)變發(fā)生變化時，壓電傳感器通過3-3方向的壓電效應(yīng)，在電極積累電荷，起到傳感作用。在實(shí)際工程應(yīng)用中，常常需要對目標(biāo)結(jié)構(gòu)表面的特定方向的應(yīng)變變化進(jìn)行監(jiān)測。而傳統(tǒng)壓電傳感器的上述特性使得其輸出電荷中既包含了目標(biāo)方向的應(yīng)變變化產(chǎn)生的電荷分量，又包含了橫向應(yīng)變變化產(chǎn)生的電荷分量。這就要求有一種新型的壓電動態(tài)應(yīng)變傳感器，能夠僅對目標(biāo)結(jié)構(gòu)表面特定方向的應(yīng)變變化進(jìn)行傳感，在電極積累電荷，而對橫向的應(yīng)變變化不敏感。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)目的是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷提供一種可以有效消除目標(biāo)結(jié)構(gòu)橫向應(yīng)變變化影響從而僅對特定方向應(yīng)變變化敏感并起到傳感作用的壓電動態(tài)應(yīng)變傳感器。該傳感器的輸出電荷信號消除了橫向應(yīng)變的影響，僅反應(yīng)結(jié)構(gòu)表面特定方向的應(yīng)變變化情況。本專利技術(shù)為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案本專利技術(shù)可消除橫向應(yīng)變影響的壓電動態(tài)應(yīng)變傳感器，其特征在于該傳感器由并排放置的1-3型壓電應(yīng)變傳感器和3-3型壓電應(yīng)變傳感器組成，1-3型壓電應(yīng)變傳感器的電極面上下放置，3-3型壓電應(yīng)變傳感器的電極面橫向放置，1-3型壓電應(yīng)變傳感器電極的正極與3-3型壓電應(yīng)變傳感器電極的正極連接構(gòu)成所述壓電動態(tài)應(yīng)變傳感器的正輸出端，1-3型壓電應(yīng)變傳感器電極的負(fù)極與3-3型壓電應(yīng)變傳感器電極的負(fù)極連接構(gòu)成所述壓電動態(tài)應(yīng)變傳感器的負(fù)輸出端，所述壓電動態(tài)應(yīng)變傳感器由柔性薄膜封裝，所述1-3型壓電應(yīng)變傳感器和3-3型壓電應(yīng)變傳感器的電極面積滿足以下條件條件a)Spa/Spb — - (d31+ U pd33) / (d31+ U pd31)，或條件b)SPa/Spb — - (d33+ U pd31) / (d31+ U pd31)，其中，Spa為1-3型壓電傳感器電極面積，Spa為3-3型壓電傳感器電極面積，U ^為壓電材料泊松比，d31為1-3型壓電傳感器的應(yīng)變壓電常數(shù)，d33為3-3型壓電應(yīng)變傳感器的應(yīng)變壓電常數(shù)；所述1-3型壓電應(yīng)變傳感器和3-3型壓電應(yīng)變傳感器采用壓電材料或超導(dǎo)材料制成。本專利技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)⑴提供了一種可消除橫向應(yīng)變影響的壓電動態(tài)應(yīng)變傳感器的實(shí)現(xiàn)方法，并提供了有確切公式表達(dá)的消除橫向應(yīng)變影響的條件；(2)當(dāng)工程實(shí)際結(jié)構(gòu)中需要監(jiān)測變化較快的單方向的應(yīng)變變化情況時，電阻應(yīng)變片由于高頻響應(yīng)能力不足而無法實(shí)現(xiàn)，而傳統(tǒng)的壓電應(yīng)變傳感器則由于難以消除橫向應(yīng)變的影響也同樣無法實(shí)現(xiàn)，本專利技術(shù)很好地解決了這一工程實(shí)際需要；(3)本專利技術(shù)成本低廉，僅需一對特定尺寸的1-3型和3-3型壓電傳感器即可實(shí)現(xiàn)；(4)操作簡便，僅需將1-3型壓電傳感器和3-3型壓電傳感器的正負(fù)極分別連接即可作為總體輸出；(5)以上優(yōu)點(diǎn)非常適合實(shí)際工程，尤其是對高速變化的結(jié)構(gòu)表面應(yīng)變變化進(jìn)行在線監(jiān)測的場合的應(yīng)用。附圖說明 圖I (a)、圖1(b)是壓電應(yīng)變傳感器的粘貼與工作原理示意圖，其中(a)為1_3型壓電應(yīng)變傳感器，(b)為3-3型壓電應(yīng)變傳感器，圖中標(biāo)記說明如下x-y平面為結(jié)構(gòu)表面所在平面，z方向為平面法向，εχ，ey為結(jié)構(gòu)表面應(yīng)變沿x、y方向的兩正交分量，灰色面為壓電應(yīng)變傳感器的電極。圖2是可消除橫向應(yīng)變影響的壓電動態(tài)應(yīng)變傳感器(TSE-PZT)的外形示意圖，圖中標(biāo)記說明如下x-y平面為結(jié)構(gòu)表面所在平面，z方向為平面法向，εχ，ey為結(jié)構(gòu)表面應(yīng)變沿X、y方向的兩正交分量，Pa為1-3型壓電應(yīng)變傳感器，Pb為同樣材料的3-3型壓電應(yīng)變傳感器，上下表面用絕緣柔性薄膜封裝，灰色面為TSE-PZT的電極，+，-分別標(biāo)明了電極的正負(fù)極。圖3是可消除橫向應(yīng)變影響的壓電動態(tài)應(yīng)變傳感器(TSE-PZT)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，圖中標(biāo)記說明如下x-y平面為結(jié)構(gòu)表面所在平面，Z方向為平面法向，εχ，ey為結(jié)構(gòu)表面應(yīng)變沿X、y方向的兩正交分量，Pa為1-3型壓電應(yīng)變傳感器，Pb為同樣材料的3-3型壓電應(yīng)變傳感器，灰色面為壓電傳感器的電極，+，-分別標(biāo)明了電極的正負(fù)極，Pa與Pb長度均為I，厚度均為h，Pa寬度為a，Pb寬度為b。圖4是可消除橫向應(yīng)變影響的壓電動態(tài)應(yīng)變傳感器(TSE-PZT)應(yīng)用于管道振動在線監(jiān)測的情況示意圖，圖中標(biāo)記說明如下監(jiān)測目標(biāo)對象為兩端固定的直徑20_的管道，εχ為管道表面的軸向應(yīng)變。圖5是可消除橫向應(yīng)變影響的壓電動態(tài)應(yīng)變傳感器(TSE-PZT)粘貼于管道表面的尺寸示意圖，圖中標(biāo)記說明如下=Pa與Pb長度均為1，厚度均為h，Pa寬度為a，Pb寬度為b，+，-分別為TSE-PZT的正負(fù)輸出電極，用于連接測量電路，ε χ為管道表面的軸向應(yīng)變，ey為管道表面的橫向應(yīng)變。具體實(shí)施方式以下結(jié)合附圖對技術(shù)的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明(I)壓電傳感器的工作原理與理論可行性如圖I (a)、圖I (b)所示為傳統(tǒng)的壓電應(yīng)變傳感器示意圖，圖I (a)為1_3型片狀壓電應(yīng)變傳感器，圖1(b)為3-3型條狀壓電應(yīng)變傳感器，灰色面為極化后的電極。對目標(biāo)結(jié)構(gòu)，定義χ-y平面為結(jié)構(gòu)表面所在平面，z方向為平面法向。對壓電傳感器，按慣例，設(shè)極化方向為3方向，目標(biāo)結(jié)構(gòu)表面的χ方向為I方向。則以下分析中，下標(biāo)x、y、z為目標(biāo)結(jié)構(gòu)參數(shù)，下標(biāo)1、2、3為壓電傳感器參數(shù)。設(shè)目標(biāo)結(jié)構(gòu)材料密度為P，彈性模量為E，泊松比為μ，剪切模量為G =Ε/2(1+μ)0兩類壓電應(yīng)變傳感器使用同種材料，密度為Pp，彈性模量為Ep，泊松比為μρ，剪切模量為Gp = Ερ/2(1+μρ)，應(yīng)力壓電常數(shù)為g31，g33，應(yīng)變壓電常數(shù)為d31，d33。當(dāng)結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生應(yīng)變變化時，結(jié)構(gòu)表面任意方向的應(yīng)變均可分解為εχ，ey兩個正交分量。設(shè)壓電傳感器的應(yīng)變?yōu)棣?1; ε 2，ε 3，目標(biāo)結(jié)構(gòu)的表面應(yīng)變?yōu)棣?χ，ε y，由于壓電傳感器粘貼于結(jié)構(gòu)表面，因此對1-3型壓電傳感器，其平面應(yīng)變?yōu)棣?i = εχ, ε2= ε y ;對3-3型壓電傳感器，其平面應(yīng)變?yōu)棣?i = εχ, ε 3 = ε y。對于用作傳感作用的壓電傳感器，其在無外加電場下的正壓電效應(yīng)方程為D3 = — (d31 ο i+d31 σ 2+d33 σ 3) (I)對1-3型壓電應(yīng)變傳感器，由于僅下表面與目標(biāo)結(jié)構(gòu)粘貼，上表面自由，所以σ 3=0，不考慮復(fù)雜力電耦合情況時，其力學(xué)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可由廣義胡克定律求解得出 ￡E=-—^(εχ+μρε2) = -~(2a)[-MP EEσ2 =-~ρ—(ε2 +με,) = -~ρ—(ε+μεχ)(2b)'-μΡμΡ同理，對3-3型壓電應(yīng)變傳感器，由于僅下表面與目標(biāo)結(jié)構(gòu)粘貼，上表面自由，所以σ2 = 0，不考慮復(fù)雜力電耦合情況時，其力學(xué)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可由廣義胡克定律求解得出本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種可消除橫向應(yīng)變影響的傳感器，其特征在于該傳感器由并排放置的1？3型壓電應(yīng)變傳感器和3？3型壓電應(yīng)變傳感器組成，1？3型壓電應(yīng)變傳感器的電極面上下放置，3？3型壓電應(yīng)變傳感器的電極面橫向放置，1？3型壓電應(yīng)變傳感器電極的正極與3？3型壓電應(yīng)變傳感器電極的正極連接構(gòu)成所述壓電動態(tài)應(yīng)變傳感器的正輸出端，1？3型壓電應(yīng)變傳感器電極的負(fù)極與3？3型壓電應(yīng)變傳感器電極的負(fù)極連接構(gòu)成所述壓電動態(tài)應(yīng)變傳感器的負(fù)輸出端，所述壓電動態(tài)應(yīng)變傳感器由柔性薄膜封裝，所述1？3型壓電應(yīng)變傳感器和3？3型壓電應(yīng)變傳感器的電極面積滿足以下條件：條件a)：SPa/SPb＝？(d31+μpd33)/(d31+μpd31)，或條件b)：SPa/SPb＝？(d33+μpd31)/(d31+μpd31)，其中，Spa為1？3型壓電傳感器電極面積，Spa為3？3型壓電傳感器電極面積，μp為壓電材料泊松比，d31為1？3型壓電傳感器的應(yīng)變壓電常數(shù)，d33為3？3型壓電應(yīng)變傳感器的應(yīng)變壓電常數(shù)；所述1？3型壓電應(yīng)變傳感器和3？3型壓電應(yīng)變傳感器采用壓電材料或超導(dǎo)材料制成。

【技術(shù)特征摘要】

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：朱海賓，
申請(專利權(quán))人：朱海賓，
類型：實(shí)用新型
國別省市：