一种基于压电薄膜的组合式曲率传感器制造技术

本发明专利技术属于压电薄膜传感器技术领域，提供一种基于压电薄膜的组合式曲率传感器，该组合式曲率传感器主要用于弯曲结构，能够实现曲率的直接测量。传感器为三层结构，从上至下依次为保护层、压电薄膜层和柔性基底层，其中，压电薄膜层包括三个串联的特定面积的压电薄膜，三个压电薄膜等间距布放在柔性基底层上方，其上下表面均涂有金属导电层，中间位置的压电薄膜与两边的极化方向反向，且位于中间的压电薄膜的面积与两边压电薄膜不等。本发明专利技术能够直接测量得到结构精确曲率，无须数值计算，可根据实际需要定制形状，能够测量结构任意点曲率；测量结构简单且精度高，灵敏度高，稳定性强，采集成本。

【技术实现步骤摘要】
一种基于压电薄膜的组合式曲率传感器
本专利技术属于压电薄膜传感器
，涉及一种基于压电薄膜的组合式曲率传感器。
技术介绍
在结构健康监测领域，曲率模态是衡量结构是否发生损伤较为有效的一种方式，然而目前多采用数值计算结构曲率，尚缺乏直接测量曲率的传感器。目前计算曲率多采用电阻应变片测量结构某一点的应变，通过多点测量，之后对数据进行差分得到该点曲率。这种方法存在一些不足：需要的传感器数量多，占用的得通道数量多，采集成本高；电阻应变传感器易损坏，寿命短，需要温度补偿；计算精度不高，无法计算首尾点的曲率。随着压电技术的不断发展，压电薄膜(PVDF)应变传感器作为新兴的传感器，以其灵敏度高，性能可靠等特点，近年来在工业领域得到不断推广。压电薄膜(PVDF)应变传感器采用新型的高分子聚合物型传感材料，具有较强的压电性。与传统电阻应变传感器相比，压电薄膜传感器具有灵敏度高，精度高，稳定性强，无须温度补偿，可测量多个方向应变等特点。为解决曲率直接测量的困难，同时避免传统应变传感器缺陷，本专利技术结合压电薄膜传感器压电效应，设计出基于压电薄膜的组合式曲率传感器。
技术实现思路
为实现曲率直接测量，同时提高传感器灵敏度和实用性，本专利技术提供一种基于压电薄膜的组合式曲率传感器，解决了现有应变传感器无法单点测量梁结构变形曲率的问题。为了达到上述目的，本专利技术的技术方案为：一种基于压电薄膜的组合式曲率传感器，主要用于弯曲结构，实现曲率的直接测量，组合式曲率传感器的输出信号V与曲率ρ通过理论计算呈线性关系，ρ＝Kε，K为比例系数l为压电薄膜布放间距，S为压电薄膜总面积。所述的组合式曲率传感器为三层结构，从上至下依次为保护层、压电薄膜层和柔性基底层。所述的保护层用于保护压电薄膜，柔性基底和保护层的材料选择酚醛环氧树脂。所述的压电薄膜层包括三个串联的特定面积的压电薄膜，三个压电薄膜等间距布放在柔性基底层上方，其上下表面均涂有金属导电层，间距是设定的已知量。所述中间位置的压电薄膜与两边压电薄膜的极化方向反向，通过测量电信号与曲率呈线性关系实现曲率测量；且位于中间的压电薄膜的面积与两边压电薄膜不等，两者存在确定的比例，设中间压电薄膜面积为S2，两边压电薄膜面积分别为S1、S3，则S1＝S3，所述的三个压电薄膜的上表面通过导线连接在一起，再通过导线引出，下表面金属导电层做同样处理；导线与压电薄膜上下表面的压接端子通过空心小铆钉固定。所述的每个压电薄膜上下表面均设有压接端子，下侧压接端子与上表面金属涂层连接，上侧压接端子穿过压电薄膜与下表面金属涂层连接，为了避免上下表面金属涂层短路，上侧压接端子局部区域不涂金属涂层，做绝缘处理。所述的中间压电薄膜的上下表面的四个端角处分成设有一个压接端子，两侧压电薄膜与中间压电薄膜相邻一侧的两个端角处分别设有一个压接端子；其中，一个压电薄膜的另外两个端角处分别设有与传感器接线端连接的压接端子。当压电薄膜受到拉伸作用时，在极化方向会产生电信号，公式如下：V＝S(b1εx+b2εy)其中，b1、b2为压电常系数，b1表示单位面积压电薄膜在x拉伸方向产生单位应变时其在z极化方向产生电量的大小；b2表示单位面积压电薄膜在y拉伸方向产生单位应变时其在z极化方向产生电量的大小；εx,εy为压电薄膜在x和y拉伸方向的应变；S为压电薄膜总面积。所述的组合式曲率传感器主要用于弯曲结构，只考虑单向拉伸，故忽略垂直拉伸方向的应变。则电压信号测量原理表示为：其中，S＝S1+S2+S3，若令即三个压电薄膜面积关系S1＝S3，S1为压电薄膜4的面积，S2为压电薄膜5的面积，S3为压电薄膜6的面积，且压电薄膜6是设置传感器接线端的压电薄膜。根据上述公式得到组合式曲率传感器的输出电压：其中，为压电薄膜4在x拉伸方向的应变，为压电薄膜5在x拉伸方向的应变，为压电薄膜6在x拉伸方向的应变。由于三个应变薄膜间距很小，根据曲率差分公式得到：其中，ρi为i处的曲率；εi-1,εi,εi+1分别表示i-1，I，i+1点处的应变；l表示隔膜间的间距。得到压电薄膜曲率传感器输出信号ε与曲率ρ是呈线性关系，即ρ＝Kε，K为比例系数l为压电薄膜布放间距；因此得到传感器输出电压与曲率线性关系，实现曲率的直接测量。本专利技术的有益效果是：(1)直接测量得到结构精确曲率，无须数值计算，可测量结构任意点曲率；(2)采用压电薄膜组合式测量方式测量曲率，占用的通道少，测量简单且精度高，采集成本低；(3)使用材料简单，传感器容易加工和安装，可以根据实际需要来定制形状；(4)采用压电薄膜测量结构应变，灵敏度高，精确度高，稳定性强。附图说明图1为压电薄膜结构示意图；图2为PVDF曲率传感器三维图；图3为本专利技术压电薄膜传感器俯视图；图4为本专利技术压电薄膜传感器截面图；图5为本专利技术接线端子细节图(压电薄膜6右方向剖视图)；图中：1压电薄膜x轴拉伸方向；2压电薄膜y轴拉伸方向；3压电薄膜z轴极化方向；4，5，6-压电薄膜；7金属涂层；8柔性基底；9-13上表面金属涂层的压接端子；15-19下表面金属涂层的压接端子；14，20传感器接线端；21保护层。具体实施方式为更好的描述本专利技术提出的一种基于压电薄膜的组合式曲率传感器，下面结合附图对本专利技术做进一步说明：一种基于压电薄膜(PVDF)的组合式曲率传感器，其结构示意图如图2和图3所示，主要包括三个确定面积的压电薄膜4，压电薄膜5，压电薄膜6，引出导线14、20，压电薄膜4上的负极压接端子9和正极压接端子15，压电薄膜5上的正极压接端子10、11和负极压接端子16、17，压电薄膜6上的负极压接端子12、13和正极压接端子18、19，柔性基底8，保护层21及内连导线等主要部分。组合式曲率传感器分为三层结构，其中压电薄膜4、压电薄膜5和压电薄膜6布放在柔性基底8上，最上层为保护层21，起到保护压电薄膜的作用。组合式曲率传感器在三块压电薄膜分布上如图2和图3所示，压电薄膜4、压电薄膜5和压电薄膜6等间距布放在柔性基底8上，上面覆盖保护层7，间距l是设定的已知量，柔性基底和保护层的材料为酚醛环氧树脂。其中，压电薄膜5极化方向与压电薄膜4和6极化方向相反，极化方向如图1中3所示；在拉伸方向上薄膜5为y轴拉伸方向，拉伸方向如图1中2所示，薄膜4和6为x轴拉伸方向，拉伸方向如图1中1所示。如图3所示，压电薄膜4上的压接端子9是负极，压接端子15是正极；压电薄膜5上的压接端子10和11是正极，压接端子16和17是负极；压接薄膜6的压接端子12和13是负极，压接端子18和19是正极。压电薄膜一侧有两个压接端子，压电薄膜结构如图5所示，13和19代表正负极的压接端子。三块压电薄膜压接端子之间的连接如图3所示，其中下侧压接端子15、压接端子16、压接端子17、压接端子18、压接端子19与上表面金属涂层连接，上侧压接端子9、压接端子10、压接端子11、压接端子12、压接端子13是穿过压电薄膜与下表面金属涂层连接。压电薄膜上表面的金属涂层通过导线串连在一起后通过导线引出，具体方法是通过导线连接压接端子9-10、11-12、15-16、17-18，再利用两条导线分别连接压接端子13和19，作为传感器接线端(引出电极)14、20。导线与金属涂层的连接是采用压接端子与空心小本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于压电薄膜的组合式曲率传感器，其特征在于，所述的组合式曲率传感器为三层结构，从上至下依次为保护层、压电薄膜层和柔性基底层，保护层用于保护压电薄膜；所述的压电薄膜层包括三个串联的特定面积的压电薄膜，三个压电薄膜等间距布放在柔性基底层上方，其上下表面均涂有金属导电层，间距是设定的已知量；所述中间位置的压电薄膜与两边压电薄膜的极化方向反向，通过测量电信号与曲率呈线性关系实现曲率测量；且位于中间的压电薄膜的面积与两边压电薄膜不等，两者存在确定的比例，设中间压电薄膜面积为S2，两边压电薄膜面积分别为S1、S3，则S1＝S3，

【技术特征摘要】
1.一种基于压电薄膜的组合式曲率传感器，其特征在于，所述的组合式曲率传感器为三层结构，从上至下依次为保护层、压电薄膜层和柔性基底层，保护层用于保护压电薄膜；所述的压电薄膜层包括三个串联的特定面积的压电薄膜，三个压电薄膜等间距布放在柔性基底层上方，其上下表面均涂有金属导电层，间距是设定的已知量；所述中间位置的压电薄膜与两边压电薄膜的极化方向反向，通过测量电信号与曲率呈线性关系实现曲率测量；且位于中间的压电薄膜的面积与两边压电薄膜不等，两者存在确定的比例，设中间压电薄膜面积为S2，两边压电薄膜面积分别为S1、S3，则S1＝S3，b1表示单位面积压电薄膜在x拉伸方向产生单位应变时其在z极化方向产生电量的大小；所述的每个压电薄膜上下表面均设有压接端子，下侧压接端子与上表面金...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭伟强，杜海越，胡大士，崔洪宇，郭旭，洪明，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21