一种内嵌倾斜纤维的压电智能垫片制作及应用方法技术

本发明专利技术公开了一种内嵌倾斜纤维的压电智能垫片制作及应用方法，所述压电智能垫片包括壳体和内嵌倾斜纤维压电传感器，所述壳体由“阳形”垫片和“阴形”垫片同心配合形成周向环形槽组成，所述内嵌倾斜纤维压电传感器，由压电纤维复合材料、电极层、绝缘屏蔽层组成；所述压电纤维复合材料包括倾斜压电纤维、环氧树脂基体；该压电智能垫片利用将内嵌倾斜纤维压电传感器与螺栓的垫片结构进行集成，通过传感器感知联接工件结构的应力应变变化等信息，实现结构损伤实时监测，同时可以监测螺栓预紧力的变化，节省了传感器的布置空间，易于传感器更换，该内嵌倾斜纤维压电传感器较于一般压电元件，具有柔韧性，能够承载一定冲击，减少失效率。率。率。

【技术实现步骤摘要】
一种内嵌倾斜纤维的压电智能垫片制作及应用方法


[0001]本专利技术涉及一种内嵌倾斜纤维的压电智能垫片制作及应用方法。

技术介绍

[0002]结构损伤监测作为一个新型蕴含创新的应用领域，是装备生产质量管理与运行安全监控的关键，对保证装备结构的完整性和工作安全性具有重要的工程意义和应用价值。通过传感网络进行在线感知结构健康状态的相关信息，利用数据采集和信号分析等方法对数据进行传输、采集及处理，得到感知信号的特征值，与健康信号进行对比，对结构现下的状态进行诊断和识别，实现结构的失效形式和使用寿命的预测，评估结构的损伤状况，运用视情运维手段降低维修成本。以其独特的优势被广泛的使用，备受国内外研究者们的青睐。
[0003]压电材料具有将机械能和电能相互转换的能力，这种特性称为压电效应或机电耦合效应。因其固有的机-电耦合效应被制作成传感元器件在结构健康监测中得到了广泛的应用，但传统的压电元件质地脆、应变量小，很容易由于应力过大发生碎裂，因此设计一种性能优越的柔性压电传感器适应各种结构损伤监测领域是十分必要的。将压电传感器组网布置安装在结构表面或嵌入结构内部，可以获得结构状态、操作以及服役环境等信息，进一步将传感信息诊断结果用于结构健康状况预判及辅助维修与维护决策，实现结构损伤监测，保证结构完整性。
[0004]将传感器布置结构表面存在着裸露在外界环境中，容易受到环境因素干扰，影响使用寿命等缺点，而将传感器嵌入结构内部，容易破坏结构构造，且改造工艺复杂，不能进行重复安装。而绝大多数结构与设备的联接是通过螺栓实现的，且其具有可拆卸重复使用的重要优势，在轨道交通装备、建筑、航天等领域中得到了大量的应用。将传感器分别安装在分布式组网螺栓紧固件中，通过各被连接件之间存在的接触面进行结构状态信息的传递，能够有效检测结构状态变化，节省传感器布置空间，减少环境因素干扰，同时还可以及时监测螺栓松动状态。
[0005]因此，针对结构损伤监测领域，从新的传感器技术角度出发，改变其布置形式，提供一种真实有效、操作方便、可实时监测联接工件结构状态的压电智能垫片是十分有必要的，同时可以实现对螺栓松动失效状态的监测，不仅有利于结构健康状态维护，而且保障了螺栓连接的可靠性。

技术实现思路

[0006]本专利技术的主要目的在于提供一种内嵌倾斜纤维的压电智能垫片制作及应用方法，旨在利用将内嵌倾斜纤维压电传感器与螺栓的垫片结构进行集成，克服粘贴在结构表面的传感器易受外界环境因素所影响降低性能和嵌入结构内部传感器难以更换，嵌入工艺复杂等难题。将预制的内嵌倾斜纤维压电智能垫片分别安装至所测结构的各个螺栓紧固件中，形成分布式传感网络。通过内嵌倾斜纤维压电传感器感知联接工件结构的应力应变变化等信息，实现结构损伤实时监测，并且同时可以监测螺栓预紧力的变化，判断螺栓松动失效状
态，节省了传感器的布置空间，易于传感器更换，提高其使用寿命。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种内嵌倾斜纤维的压电智能垫片，包括壳体和内嵌倾斜纤维压电传感器，所述壳体由“阳形”垫片和“阴形”垫片同心配合形成周向环形槽组成，所述内嵌倾斜纤维压电传感器结构呈环形，布置安装于周向环形槽中，由压电纤维复合材料、电极层、绝缘屏蔽层组成，所述压电纤维复合材料包括倾斜压电纤维、环氧树脂。
[0008]进一步的，所述“阳形”垫片设有半环形凸台，另一半环形中心位置设有一圆柱销；所述“阴形”垫片设有半环形凸台，半环形凸台中心位置设有一圆孔；所述圆柱销与圆孔间隙配合，圆柱销高等于圆孔深；所述“阳形”垫片的半环形凸台与“阴形”垫片的半环形凸台相互啮合，圆柱销与圆孔间隙配合装配形成带有周向环形槽壳体。
[0009]进一步的，所述倾斜压电纤维为在水平面倾斜一定角度的压电纤维棒，环形阵列布置内嵌倾斜纤维压电传感器中；所述环氧树脂作为保护层填充在倾斜压电纤维周围形成环形结构的压电纤维复合材料；所述电极层包括上电极层和下电极层，分别设有导线接线端；所述绝缘屏蔽层包括上绝缘屏蔽层和下绝缘屏蔽层；所述内嵌倾斜纤维压电传感器结构层次从上到下依次为上绝缘屏蔽层、上电极层、压电纤维复合材料、下电极层、下绝缘屏蔽层，同心配合形成具有中心通孔的环形内嵌倾斜纤维压电传感器。
[0010]进一步的，所述壳体材料根据所配合的螺栓和工况选择；所述周向环形槽的高度为压电智能垫片总高度的1/3~1/2；所述内嵌倾斜纤维压电传感器高度等于或略大于周向环形槽的高度；所述内嵌倾斜纤维压电传感器为环形结构，其中心通孔的直径等于或略大于螺栓孔直径；所述倾斜压电纤维棒的倾斜角为0
°
~180
°
，可根据所需传感器性能需求进行选定；所述环氧树脂由环氧树脂胶和固化剂混合凝固形成，具有一定柔韧性和耐候性；所述电极层为导电性能优越的材料；所述绝缘屏蔽层为在表面加一层半导电材料的热固性好的薄膜材料。
[0011]一种内嵌倾斜纤维的压电智能垫片制作流程，包括如下步骤：S1：将沿长度方向极化后的等长度压电纤维棒按所需的倾斜角环形阵列在具有环形凹槽的模具中，所述环形凹槽内径为所需的传感器内通孔直径，外径为所需的传感器外径；S2：将环氧树脂胶和固化剂混合形成环氧树脂，填充在压电纤维棒周围，凝固后脱模，得到环形压电复合材料；S3：去除多余的环氧树脂，对上下表面水平切割，并研磨打薄，使得压电纤维棒端部不被树脂隔绝，且具有平整的切口，得到上下平整的内嵌倾斜纤维环形压电纤维复合材料；S4：在压电纤维复合材料上下表面涂覆或喷镀导电材料，安装导线接线端，得到上电极层和下电极层；S5：将得到的样品放置预制的上下绝缘屏蔽层中间，利用绝缘屏蔽层的热塑性，对其进行封装，再利用冲压工具将封装的样件上下绝缘屏蔽层冲压出与环形压电纤维复合材料同心且尺寸相同的通孔，得到完整的环形内嵌倾斜纤维压电传感器；S6：平放预制的”阴形”垫片，将环形内嵌倾斜纤维压电传感器套入“阴形”垫片半环形凸台结构上，利用预制的“阳形”垫片半环形凸台结构与“阴形”垫片的半环形凸台结构相互啮合，同时“阳形”垫片中圆柱销与“阴形”垫片半环形凸台结构中圆孔进行间隙配合，装配成整体，得到内嵌倾斜纤维的压电智能垫片。
[0012]一种内嵌倾斜纤维的压电智能垫片应用方法，其特征在于：将预制的内嵌倾斜纤维压电智能垫片分别安装至所测结构的各个螺栓紧固件中，形成分布式传感网络，采用扭矩扳手将螺纹紧固件件旋紧至预紧设定值，使得各被连接件间接触面能很好的传递被测结构件的结构状态信息。在所测结构中设定一固定激励点进行激励，激励信息转换成结构应力应变等状态信息，结构状态信息通过螺栓紧固件的联接界面传递至压电智能垫片，此时压电智能垫片中的内嵌倾斜纤维压电传感器利用其自身的机电耦合特性，将应力应变信息转换成电信号，输出至信号采集端，通过相关信号分析技术(如飞行时间法、时间反转法、层析成像法等)对比分析不同螺栓紧固件中压电智能垫片采集的信号特征量和前后的信号差异，即可判断出所联接结构件的螺栓组网区域中是否发生损伤，并判断所联接结构件所发生的损伤类型和位置，实现结本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种内嵌倾斜纤维的压电智能垫片，其特征在于：所述压电智能垫片包括壳体和内嵌倾斜纤维压电传感器，所述壳体由“阳形”垫片和“阴形”垫片同心配合形成周向环形槽组成，所述内嵌倾斜纤维压电传感器结构呈环形，布置安装于周向环形槽中，由压电纤维复合材料、电极层、绝缘屏蔽层组成，所述压电纤维复合材料包括倾斜压电纤维、环氧树脂。2.根据权利要求1所述一种内嵌倾斜纤维的压电智能垫片，其特征在于：所述“阳形”垫片设有半环形凸台，另一半环形中心位置设有一圆柱销；所述“阴形”垫片设有半环形凸台，半环形凸台中心位置设有一圆孔；所述圆柱销与圆孔间隙配合，圆柱销高度等于圆孔深度；所述“阳形”垫片的半环形凸台与“阴形”垫片的半环形凸台相互啮合，圆柱销与圆孔配合装配形成带有周向环形槽壳体。3.根据权利要求1所述一种内嵌倾斜纤维的压电智能垫片，其特征在于：所述倾斜压电纤维为在水平面倾斜一定角度的压电纤维棒，环形阵列内嵌于环氧树脂基体中；所述环氧树脂作为保护层填充在倾斜压电纤维周围形成环形结构的压电纤维复合材料；所述电极层包括上电极层和下电极层，分别设有导线接线端；所述绝缘屏蔽层包括上绝缘屏蔽层和下绝缘屏蔽层；所述内嵌倾斜纤维压电传感器结构层次从上到下依次为上绝缘屏蔽层、上电极层、压电纤维复合材料、下电极层、下绝缘屏蔽层，同心配合形成具有中心通孔的环形内嵌倾斜纤维压电传感器。4.根据权利要求1、2、3所述的一种内嵌倾斜纤维的压电智能垫片，其特征在于：所述壳体材料根据所配合的螺栓和工况选择；所述周向环形槽的高度为压电智能垫片总高度的1/3~1/2；所述内嵌倾斜纤维压电传感器高度等于或略大于周向环形槽的高度；所述内嵌倾斜纤维压电传感器为环形结构，其中心通孔的直径等于或略大于螺栓孔直径；所述倾斜压电纤维棒的倾斜角为0
°
~180
°
，可根据所需传感器性能需求进行选定；所述环氧树脂由环氧树脂胶和固化剂混合凝固形成，具有一定柔韧性和耐候性；所述电极层为导电性能优越的材料；所述绝缘屏蔽层为在表面加一层半导电材料的热固性好的薄膜材料。5.根据权利要求1、2、3和4所述的一种内嵌倾斜纤维的压电智能垫片制作流程，其特征在于：步骤一：将沿长度方向极化后的等长度压电纤维棒按所需的倾斜角环形阵列在具有环形凹槽的模具中，所述环形凹槽内径为所需的传感器内通孔直径，外径...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋帅，沈意平，刘缘，王送来，翁晶，支余林，刘翊，傅志强，
申请(专利权)人：湖南科技大学，
类型：发明
国别省市：