可消除横向应变影响的压电动态应变传感器制造技术

本发明专利技术公布了一种可消除横向应变影响的压电动态应变传感器，由１－３型压电传感器和３－３型压电传感器组成。通过理论推导并结合实际的传感器尺寸计算，可选择适当的传感器尺寸比例并通过合适的接线方式使之组合为一组可消除横向应变影响的压电动态应变传感器。该压电动态传感器使用时粘贴于目标结构表面，可消除目标结构横向应变变化的影响，仅对特定方向的应变变化敏感并起到传感作用。这一发明专利技术可以促进压电动态应变传感器在工程结构上的广泛应用。

【技术实现步骤摘要】

专利技术涉及一种可消除横向应变影响的压电动态应变传感器，属于压电动 态应变传感器的
背景才支术压电材料既能作为传感元件，又能作为激励元件，具有压电常数大，灵敏度高；制备容易，响应频率高、成本低廉、受环境温度湿度等条件影响小 等特点，具有广阔的应用前景，已经大量应用于实际工程。实际工程中常用的压电传感器通常分为1-3型压电传感器和3-3型压电 传感器。其区别在于1-3型压电传感器在粘贴^f吏用时，其才及化方向垂直于 目标结构表面，当目标结构表面应变发生变化时，压电传感器通过l-3方向 的压电效应，在电极积累电荷，起到传感作用；而l-3型压电传感器在粘贴 使用时，其极化方向平行于目标结构表面，当目标结构表面应变发生变化时， 压电传感器通过3-3方向的压电效应，在电极积累电荷，起到传感作用。在实际工程应用中，常常需要对目标结构表面的特定方向的应变变化进 行监测。而传统压电传感器的上述特性使得其输出电荷中既包含了目标方向 的应变变化产生的电荷分量，又包含了横向应变变化产生的电荷分量。这就要求有一种新型的压电动态应变传感器，能够仅对目标结构表面特 定方向的应变变化进行传感，在电极积累电荷，而对横向的应变变化不敏感。
技术实现思路
本专利技术目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种可以有效消除目标结 构横向应变变化影响从而仅对特定方向应变变化壽t感并起到传感作用的压电动态应变传感器。该传感器的输出电荷信号消除了横向应变的影响，仅反 应结构表面特定方向的应变变化情况。本专利技术为实现上述目的，采用如下技术方案本专利技术可消除横向应变影响的压电动态应变传感器，其特征在于该传感 器由并排放置的1-3型压电应变传感器和3-3型压电应变传感器组成，1-3 型压电应变传感器的电4^面上下^:置，3-3型压电应变传感器的电^l面4黄向 放置，1-3型压电应变传感器电极的正极与3-3型压电应变传感器电极的正 极连接构成所述压电动态应变传感器的正输出端，1-3型压电应变传感器电感器的负输出端，所述压电动态应变传感器由柔性薄膜封装，所述l-3型压 电应变传感器和3-3型压电应变传感器的电极面积满足以下条件 条件a):或条件b ):S尸。= -"3 +/^3lV04 +/^31)，其中，^为1-3型压电传感器电极面积，；为3-3型压电传感器电极面 积，//p为压电材料泊松比，(131为1-3型压电传感器的应变压电常数，(133为3-3型压电应变传感器的应变压电常数。本专利技术具有如下优点(1 )提供了一种可消除横向应变影响的压电动态 应变传感器的实现方法，并提供了有确切公式表达的消除横向应变影响的条件；(2)当工程实际结构中需要监测变化较快的单方向的应变变化情况时， 电阻应变片由于高频响应能力不足而无法实现，而传统的压电应变传感器则 由于难以消除横向应变的影响也同样无法实现，本专利技术很好地解决了这一工 程实际需要；(3)本专利技术成本低廉，仅需一对特定尺寸的1-3型和3-3型压 电传感器即可实现；(4)操作简便，仅需将l-3型压电传感器和3-3型压电 传感器的正负极分别连接即可作为总体输出；(5)以上优点非常适合实际工 程，尤其是对高速变化的结构表面应变变化进行在线监测的场合的应用。附图说明图1是压电应变传感器的粘贴与工作原理示意图，其中(a)为1-3型 压电应变传感器，(b)为3-3型压电应变传感器，图中标记说明如下x吵平 面为结构表面所在平面，z方向为平面法向，￡x, Sy为结构表面应变沿X、少 方向的两正交分量，灰色面为压电应变传感器的电极。图2是可消除横向应变影响的压电动态应变传感器(TSE-PZT)的外形 示意图，图中标记"i兌明如下x-_y平面为结构表面所在平面，z方向为平面法 向，￡x, Sy为结构表面应变沿x、 y方向的两正交分量，Pa为l-3型压电应变 传感器，Pb为同样材料的3-3型压电应变传感器，上下表面用绝纟彖柔性薄膜 封装，灰色面为TSE-PZT的电极，+ ,-分别标明了电极的正负极。结构示意图，图中标记说明如下x-y平面为结构表面所在平面，z方向为平 面法向，ex， Sy为结构表面应变沿x、；；方向的两正交分量，Pa为1-3型压电 应变传感器，Pb为同样材料的3-3型压电应变传感器，灰色面为压电传感器 的电极，+ ，-分别标明了电极的正负极，Pa与Pb长度均为/，厚度均为/2, Pa宽度为a, Pb宽度为6。管道振动在线监测的情况示意图，图中标记说明如下监测目标对象为两端 固定的直径20mm的管道，^为管道表面的轴向应变。管道表面的尺寸示意图，图中标记说明如下Pa与Pb长度均为/,厚度均为 /2， Pa宽度为"，Pb宽度为6， + ，-分别为TSE-PZT的正负输出电才及，用 于连接测量电路，Sx为管道表面的轴向应变，Sy为管道表面的横向应变。具体实施例方式下面结合附图对专利技术的技术方案进行详细说明(1)压电传感器的工作原理与理^r可行性如图1所示为传统的压电应变传感器示意图，图(a)为l-3型片状压电 应变传感器，图(b)为3-3型条状压电应变传感器，灰色面为极化后的电 才及。对目标结构，定义x-y平面为结构表面所在平面，z方向为平面法向。 对压电传感器，按惯例，i殳极化方向为3方向，目标结构表面的x方向为1 方向。则以下分析中，下标x、》z为目标结构参数，下标l、 2、 3为压电 传感器参数。设目标结构材料密度为弹性模量为泊松比为//,剪切模量为G=￡/2 (1+//)。两类压电应变传感器使用同种材料，密度为/v弹性模量为五p， 泊松比为A,剪切模量为Gp =￡p/2 ( l+^p )，应力压电常数为g3p g33，应变 压电常数为d31, d33。当结构表面产生应变变化时，结构表面任意方向的应变均可分解为ex，Sy两个正交分量。设压电传感器的应变为eP S2， ￡3，目标结构的表面应变为 ￡x， ￡y，由于压电传感器粘贴于结构表面，因此对l-3型压电传感器，其平面应变为。=￡x, s2=￡y;对3-3型压电传感器，其平面应变为s尸&, e3=sy。 对于用作传感作用的压电传感器，其在无外加电场下的正压电效应方程为Z)3 = -(^q + d31cr2 + ^/33cr3) ( 1 )对l-3型压电应变传感器，由于仅下表面与目标结构粘贴，上表面自由， 所以^=0，不考虑复杂力电耦合情况时，其力学应力应变关系可由广义胡克 定律求解得出o",^~^y(A+//e2) = :i~~^"(&+/^) (2a)1_ 1- ~^(6+;^) = ;~^(wJ (2b) 同理，对3-3型压电应变传感器，由于仅下表面与目标结构粘贴，上表面自由，所以<72=0，不考虑复杂力电耦合情况时，其力学应力应变关系可由广义胡克定律求解得出￡■ ￡ ~~^(^+/^2) = ;;"~^r(^+y",》 (3a)I-A 1-/"p~^(6+/^) = :;~^(w,) (3b) 将(2) (3)式分别代入(1)式，得到压电传感器电极积累的电荷密度为五l画3型压电传感器A 3=——^t^m(1 + 〃p)s,——^y^(l + z/》s (4a3画3型压电^专感器A 3=——^("31+;"^33)&--^0/本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可消除横向应变影响的压电动态应变传感器，其特征在于该传感器由并排放置的１－３型压电应变传感器和３－３型压电应变传感器组成，１－３型压电应变传感器的电极面上下放置，３－３型压电应变传感器的电极面横向放置，１－３型压电应变传感器电极的正极与３－３型压电应变传感器电极的正极连接构成所述压电动态应变传感器的正输出端，１－３型压电应变传感器电极的负极与３－３型压电应变传感器电极的负极连接构成所述压电动态应变传感器的负输出端，所述压电动态应变传感器由柔性薄膜封装，所述１－３型压电应变传感器和３－３型压电应变传感器的电极面积满足以下条件：　条件ａ）：　Ｓ↓［Ｐａ］／Ｓ↓［Ｐｂ］＝－（ｄ↓［３１］＋μ↓［ｐ］ｄ↓［３３］）／（ｄ↓［３１］＋μ↓［ｐ］ｄ↓［３１］），　或条件ｂ）：　Ｓ↓［Ｐａ］／Ｓ↓［Ｐｂ］＝－（ｄ↓［３３］＋μ↓［ｐ］ｄ↓［３１］）／（ｄ↓［３１］＋μ↓［ｐ］ｄ↓［３１］），　其中，Ｓ↓［ｐａ］为１－３型压电传感器电极面积，Ｓ↓［ｐａ］为３－３型压电传感器电极面积，μ↓［ｐ］为压电材料泊松比，ｄ↓［３１］为１－３型压电传感器的应变压电常数，ｄ↓［３３］为３－３型压电应变传感器的应变压电常数。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：袁慎芳，张逍越，邱雷，张炳良，董晨华，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]