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)無損檢測用的傳感器，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)的檢測與應(yīng)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(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?；w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(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，具備測定特定方向應(yīng)力和應(yīng)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(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)損傷檢測的能力，對傳感元件主要起厚度振動(dòng)效應(yīng)。通過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，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(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標(biāo)定技術(shù)對自行設(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、采樣長度2048byte;采用直徑為0.5mm、伸長量為2.5mm的HB鉛筆芯以30度角在各測點(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(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公開日2009年9月9日申請日期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,英駱申請人:江蘇大學(xué)