專利名稱：一種可消除橫向應(yīng)變影響的傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
實(shí)用新型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)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
壓電材料既能作為傳感元件，又能作為激勵(lì)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(shí)，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(shí)，壓電傳感器通過(guò)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(shí)，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(shí)，壓電傳感器通過(guò)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(duì)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(cè)。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(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感器，能夠僅對(duì)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(duì)橫向的應(yīng)變變化不敏感。

實(shí)用新型內(nèi)容本發(fā)明目的是針對(duì)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(duì)特定方向應(yīng)變變化敏感并起到傳感作用的壓電動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感器。該傳感器的輸出電荷信號(hào)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。本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案本發(fā)明可消除橫向應(yīng)變影響的壓電動(dòng)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(dòng)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(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感器的負(fù)輸出端，所述壓電動(dòng)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。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)⑴提供了一種可消除橫向應(yīng)變影響的壓電動(dòng)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(cè)變化較快的單方向的應(yīng)變變化情況時(shí)，電阻應(yīng)變片由于高頻響應(yīng)能力不足而無(wú)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(wú)法實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明很好地解決了這一工程實(shí)際需要；(3)本發(fā)明成本低廉，僅需一對(duì)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(jiǎn)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(duì)高速變化的結(jié)構(gòu)表面應(yīng)變變化進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)的場(chǎng)合的應(yīng)用。


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(shuō)明如下x-y平面為結(jié)構(gòu)表面所在平面，z方向?yàn)槠矫娣ㄏ?，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(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感器(TSE-PZT)的外形示意圖，圖中標(biāo)記說(shuō)明如下x-y平面為結(jié)構(gòu)表面所在平面，z方向?yàn)槠矫娣ㄏ?，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T(mén)SE-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(dòng)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(shuō)明如下x-y平面為結(jié)構(gòu)表面所在平面，Z方向?yàn)槠矫娣ㄏ?，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(zhǎng)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(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感器(TSE-PZT)應(yīng)用于管道振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)的情況示意圖，圖中標(biāo)記說(shuō)明如下監(jiān)測(cè)目標(biāo)對(duì)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(dòng)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(shuō)明如下=Pa與Pb長(zhǎng)度均為1，厚度均為h，Pa寬度為a，Pb寬度為b，+，-分別為T(mén)SE-PZT的正負(fù)輸出電極，用于連接測(cè)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(duì)實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)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(duì)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?yàn)槠矫娣ㄏ?。?duì)壓電傳感器，按慣例，設(shè)極化方向?yàn)?方向，目標(biāo)結(jié)構(gòu)表面的χ方向?yàn)镮方向。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(shí)，結(jié)構(gòu)表面任意方向的應(yīng)變均可分解為εχ，ey兩個(gè)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(duì)1-3型壓電傳感器，其平面應(yīng)變?yōu)棣?i = εχ, ε2= ε y ;對(duì)3-3型壓電傳感器，其平面應(yīng)變?yōu)棣?i = εχ, ε 3 = ε y。對(duì)于用作傳感作用的壓電傳感器，其在無(wú)外加電場(chǎng)下的正壓電效應(yīng)方程為D3 = — (d31 ο i+d31 σ 2+d33 σ 3) (I)對(duì)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(shí)，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(duì)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(shí)，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
EEσ, =-~ρ—(ε,+μ ε2) = -~ρ—{εχ+μ εγ)(3a)
X~MP'-μΡ
EEσ3 =-ρ-{ε^+μελ) = -~ρ—{εν+μεχ)(3b)
μΡ\-μΡ將⑵(3)式分別代入⑴式，得到壓電傳感器電極積累的電荷密度為
EE1-3 型壓電傳感器Α-3=-7~^Τ岣丨G +丨+(4a)
I^-Mp
EE3-3 型壓電傳感器A-3 =-—^τ(^3 +ΜΡ^3)εχ --^t(^33 +Mpd^)sy ( 5a )
{~mpμ p從而，壓電傳感器的輸出電荷為1-3型壓電傳感器
βE0-3 = JjA-3 = - Π -—+~Ρ~ ^{\ + μρ)εγ(4b)
51-3'一 Pp3-3型壓電傳感器03-3 = HA-3 = - JJ -~S'(^31 +Mpd3})sx+-~p—{dn + μpdiX)sv (5b)
λ'3-3Λ'3-3 ^ ~ MpMp[0042]其中If ’ If分別表示對(duì)1-3型壓電應(yīng)變傳感器和3-3型壓電應(yīng)變傳感器電極
51-3 53-3
表面取積分。由結(jié)果可見(jiàn)，無(wú)論是1-3型壓電應(yīng)變傳感器還是3-3型壓電應(yīng)變傳感器，其輸出均包含了與εχ，ey兩應(yīng)變分量有關(guān)的部分。由于Ep，d31，d33均不可能為0，μρ不可能取-1，故兩部分均不可能取O。即傳統(tǒng)壓電傳感器無(wú)論幾何外形如何，粘貼方式如何，均無(wú)法達(dá)到消除橫向應(yīng)變變化影響的目的。但是值得注意的是，常用壓電材料的應(yīng)變壓電常數(shù)為d31與d33通常符號(hào)相反，且d33絕對(duì)值相對(duì)較大。因此，通過(guò)將1-3型壓電應(yīng)變傳感器和3-3型壓電應(yīng)變傳感器組合使用，選取合適的幾何尺寸和組合方式，可能消除其中與εχ，ey相關(guān)的某一項(xiàng)而僅保留另一項(xiàng)，從而實(shí)現(xiàn)消除橫向應(yīng)變影響的壓電動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感器的設(shè)計(jì)。(2)消除橫向應(yīng)變影響的傳感作用實(shí)現(xiàn)方法由上述分析可知，將1-3型壓電應(yīng)變傳感器和3-3型壓電應(yīng)變傳感器組合粘貼于目標(biāo)結(jié)構(gòu)表面時(shí)，選擇適當(dāng)?shù)膫鞲衅鞒叽绾瓦B接方式可能消除總輸出電荷中與εχ，％相關(guān)的某一項(xiàng)而僅保留另一項(xiàng)。本發(fā)明的設(shè)計(jì)方案如圖2，為可消除橫向應(yīng)變影響的壓電動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感器(transverse strain eliminated piezoelectric transducer,以下簡(jiǎn)記為 TSE-PZT)的基本示意圖。TSE-PZT由1-3型壓電應(yīng)變傳感器Pa與3-3型壓電應(yīng)變傳感器Pb組合而成，上下兩表面由柔性薄膜封裝，可有效傳遞目標(biāo)結(jié)構(gòu)表面應(yīng)變變化。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。TSE-PZT的實(shí)際內(nèi)部結(jié)構(gòu)與接線方式如圖3，將Pa正極與Pb正極相連接作為整個(gè)TSE-PZT的總正電極輸出，將Pa負(fù)極與Pb負(fù)極相連接，作為T(mén)SE-PZT的總負(fù)電極輸出。于是TSE-PZT兩極積累的電荷即為Pa與Pb兩極積累電荷的代數(shù)和。由于壓電應(yīng)變傳感器與目標(biāo)結(jié)構(gòu)相比，通常尺寸較小，因此可認(rèn)為當(dāng)目標(biāo)結(jié)構(gòu)粘貼TSE-PZT處的應(yīng)變?yōu)棣纽?，ey時(shí)，Pa與Pb的應(yīng)變均為S1 = ε χ, ε 3 = ε y。則此時(shí)Pa與Pb兩電極積累電荷分別如(4b) (5b)所描述，于是整個(gè)TSE-PZT的輸出電荷即為兩者的代數(shù)和Qai ~ QPa + QPb =
PaPb
E— ^~2"+/^/^31)+ JJ(^3i 十/Sx( 6 )
I一/LPaPb_Y JJ(^31 +/^/7^31 )^" J/(^33 ^ IjrP^zx)
-PaPb_其中[f ’ If分別表示對(duì)Pa和Pb電極表面取積分。由于被積分項(xiàng)均與幾何尺
PaPb
寸無(wú)關(guān)，因此可直接用電極面積代替積分符號(hào)，于是式(6)化為Qai ~ Qpa + Qpb = W^Fa +
PaPb=f+) + (4丨 +(7)
μΡ[0055]
權(quán)利要求1.一種可消除橫向應(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(dòng)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(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感器的負(fù)輸出端，所述壓電動(dòng)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，μ p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。
專利摘要本實(shí)用新型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(guò)理論推導(dǎo)并結(jié)合實(shí)際的傳感器尺寸計(jì)算，可選擇適當(dāng)?shù)膫鞲衅鞒叽绫壤⑼ㄟ^(guò)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(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感器。該壓電動(dòng)態(tài)傳感器使用時(shí)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(duì)特定方向的應(yīng)變變化敏感并起到傳感作用。這一實(shí)用新型可以促進(jìn)壓電動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感器在工程結(jié)構(gòu)上的廣泛應(yīng)用。
文檔編號(hào)G01B7/16GK202630894SQ20122011813
公開(kāi)日2012年12月26日 申請(qǐng)日期2012年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月26日
發(fā)明者朱海賓 申請(qǐng)人:朱海賓