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
技術領域：
本發(fā)明涉及一種智能材料結構無損檢測用的傳感器，特指一種寬頻帶正交異性壓電復合 材料制作的聲發(fā)射傳感器。
背景技術：
目前，多數(shù)傳感/驅動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雜 的薄片，經(jīng)不起機械沖擊和非對稱受力；密度大，硬度高，不易與結構體相容，與結構體粘 貼后對結構的力學性能會產(chǎn)生較大的影響；極限應變小，作為驅動器使用時，驅動性能太低， 并且最不足之處是其橫觀各向同性；作為傳感器使用時不具備測定特定方向的應力和應力波 的能力，且其具有較強的選頻特征，頻帶范圍較窄，信號的真實頻率特性往往被掩蓋掉，這 樣遠遠不能滿足工程結構的檢測與應用。
為了解決上述問題，在壓電傳感器方面大多集中在對1一1型和1一3型壓電復合材料的研 究上，在聲發(fā)射傳感器的設計上，基本上是光纖聲發(fā)射傳感器和鐵電復合材料聲發(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合材料是將壓電相純陶瓷和有機壓電聚合物基體按照一 定的連通方式、 一定的體積或質量比例和一定的幾何空間分布復合而成，它能夠成倍地提高 復合材料的力電性能，并且具有單一壓電陶瓷所沒有的優(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，又可以準確區(qū)分結構中的各個應力分量，使測量更加可靠、準 確。
壓電復合材料以其優(yōu)越的力電性能在微型傳感器件領域的應用方面取得了明顯的進展， 但由于其復合材料的成分、制備工藝、形狀選擇等方面存在許多技術問題，如頻帶范圍較窄、 信號的真實頻率特性往往被掩蓋掉等，就無法直接推動其在傳感元件方面的廣泛應用，大大 限制了其應用范圍。這就非常需要進一步加強復合材料從配制成分、制備工藝到形狀設計等 的一套合理方法運用，以滿足工程檢測與應用等多方面的需要。目前，正交各向異性壓電復 合材料是由壓電相基體和聚合物相復合而成，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
針對現(xiàn)有技術存在的不足，本發(fā)明提供了一種新型的用于工程精確檢測的寬頻帶正交異 性壓電復合材料制作的微型聲發(fā)射傳感器。本發(fā)明采用的技術方案是包括多個不同厚度的壓電元件，壓電元件由基體壓電相和聚 合物相復合成，整個壓電元件的結構由壓電陶瓷復合材料和上下兩片條形交叉電極構成長方 形弧形切槽的形狀。
所述基體壓電相的體積占壓電元件的0.689%,基體壓電相的最大外圍尺寸為9mmX6咖 X2咖，壓電相和聚合物相寬度均為0. 2咖。
基體壓電相中的基體材料采用環(huán)氧導電膠、壓電相材料采用納米鋯鈦酸鉛壓電陶瓷。 本發(fā)明的有益效果是
1、 由于結構上采用長方形弧形槽，有效地避免了聚合物相對波的衰減作用，尤其是聚合 物相的加入，使得形成的壓電復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 備測定特定方向應力和應力波的能力。
2、 隨著長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到展寬頻帶的目的，頻帶范圍為0. 2 1. 7MHz。
3、 該傳感器在加工過程中，由于聚合相的抗振效應可保護壓電相，并使壓電相結構具有 抗切碎和抗裂的特性，因此其形狀是可以改變的，容易適應其它各應用領域；此外，排列和 填充結構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是本發(fā)明的結構圖中l(wèi).壓電相；2.聚合物相；H-4.5咖，L=3mm，厚度2mm，中心寬度h-1.5mm，箭頭P 方向為極化方向；
圖2是本發(fā)明頻響特性曲線。
具體實施例方式
如圖1所示，傳感器包括多個不同厚度的壓電元件，整個壓電元件結構由壓電陶瓷復合 材料和上下兩片條形交叉電極構成，該兩片條形交叉電極構成長方形弧形切槽的形狀，壓電 元件的壓電復合材料由基體壓電相1和聚合物相2復合組成，基體壓電相1體積百分比占壓 電元件的0.689%,其結構最大外圍尺寸為9咖X6咖X2咖，壓電相1與聚合物相2寬度均為 0.2mm,并且各壓電相沿極化方向的厚度不同?；w材料采用DAD-40型環(huán)氧導電膠，室溫剪
切強度為14.7Mpa，體積電阻率《1.0x10—3acm;壓電相材料為納米鋯鈦酸鉛壓電陶瓷,材料 密度為/ = 7730kg/m3 。
該聲發(fā)射傳感器的主要性能與參數(shù)如下表所示邊緣寬度中心寬度靈敏度頻帶范圍頻帶寬度
傳感器
H (ram)h (mm)(dB)(MHz)(MHz)
4.51.5550.2 1.71.5長方形薄片切槽傳感器
本發(fā)明針對不同結構中傳播的不同類型的波設計了波形，用于提高結構損傷檢測的能力， 對傳感元件主要起厚度振動效應。通過提高傳感元件在力學上的各向異性程度、改變傳感元 件幾何尺寸，可提高靈敏方向振動耦合效應，同時降低不靈敏方向的振動耦合效應,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構造的條形交叉電極，在電極兩側能夠 產(chǎn)生極性相反的電場機制，同時在正負電極的交匯處設置有絕緣膠隔離區(qū)將極性相反的兩電 極完全隔開，形成良好的絕緣帶以防漏電。電極間的阻值經(jīng)測定大于200MQ;
應用數(shù)字仿真技術驗證了本發(fā)明的頻響特性，其頻響特性曲線如圖2所示；同時采用電 聲互易原理的絕對標定技術對自行設計和制作的傳感器進行標定。
本發(fā)明通過1-1型正交異性聲發(fā)射傳感器傳感特性試驗，將制作的片狀壓電元件分別粘 貼于1050XI000X20mm的鋼板和700X700X200mm的混凝土表面。采用示波器接收信號，設 定采樣頻率為2. 5MHz、采樣長度2048byte;采用直徑為0. 5咖、伸長量為2. 5mm的HB鉛筆 芯以30度角在各測點的折斷信號模擬構件中的聲發(fā)射信號。采用兩通道根據(jù)波峰到達的時間 差計算的波行速度分別為2958m/s和2103m/s,可見用鋼板和混凝土試件進行試驗時該傳感 器均表現(xiàn)出明顯的正交異性，具有良好應用的效果。
權利要求
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)復合而成，其特征是整個壓電元件的結構由壓電陶瓷復合材料和上下兩片條形交叉電極構成長方形弧形切槽的形狀。
2. 根據(jù)權利要求1所述的微型寬頻帶正交異性聲發(fā)射傳感器，其特征是所述基體壓電相(l) 的體積占壓電元件的0.689%，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0.2mm。
3. 根據(jù)權利要求1所述的微型寬頻帶正交異性聲發(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)氧導電膠、壓電相材料采用納米鋯鈦酸鉛壓電陶瓷。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微型寬頻帶正交異性聲發(fā)射傳感器，包括多個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合成，整個壓電元件的結構由壓電陶瓷復合材料和上下兩片條形交叉電極構成長方形弧形切槽的形狀；所述基體壓電相的體積占壓電元件的0.689％，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；由于結構上采用長方形弧形槽，有效地避免了聚合物相對波的衰減作用，具備測定特定方向應力和應力波的能力；一定程度上達到展寬頻帶的目的，頻帶范圍為0.2～1.7MHz；適應各個應用領域。
文檔編號G01B17/00GK101590468SQ20081015692
公開日2009年12月2日 申請日期2008年9月12日 優(yōu)先權日2008年9月12日
發(fā)明者張禮華, 英 駱 申請人:江蘇大學