专利名称：压电谐振膜片式传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于一种传感器，用于对结冰现象进行检测。
背景技术：
结冰是一种可能造成危害的自然现象，如飞机跑道上的结冰会妨碍飞机的正常起飞和降落；公路上的结冰会使汽车打滑失控，造成交通事故；飞机在空中飞行时会在机体某些部位(如机翼前缘)产生结冰，严重威胁飞机的安全飞行。
结冰传感器是探测有否结冰发生以及结冰严重程度的一种信息获取器件或装置。现有的结冰传感器是基于振动筒原理，将振动筒做成杆式探测棒，振动筒在电磁力驱动下作伸缩谐振运动，当探测棒上有结冰现象发生时，振动筒的谐振频率会发生下降，下降越多说明结冰程度越严重。这种结冰传感器的应用受到限制，如用于飞机，则不能齐平安装于机翼等表面，只能外伸于空气中。这种传感器也不能应用于机场跑道和公路的结冰检测。
发明内容
本实用新型提出一种压电谐振膜片式传感器，克服现有振动筒结冰传感器的局限，用于对结冰现象进行检测。
本实用新型的一种压电谐振膜片式传感器，筒状不锈钢壳体一端焊接振动膜片，另一端由后盖板封闭形成密闭腔；其特征在于(1)所述振动膜片上粘结有压电元件，密闭腔壁紧靠压电元件和振动膜片装有测温元件，压电元件和测温元件通过穿过密闭腔的带屏蔽层电缆与驱动和信号检测电子线路电信号连接；(2)所述压电元件组成为压电元件体一面连接参考地电极，压电元件体另一面连接驱动电极以及为驱动电极所围绕的信号电极。
所述的压电谐振膜片式传感器，其特征在于所述压电元件体由经改性的锆钛酸铅压电陶瓷材料制成，所述参考地电极、驱动电极和信号电极以银材料为主并以烧结工艺生成于压电元件体之上；所述密闭腔内部设有支撑板，用于密封内腔并转接压电元件和测温元件信号引出线。
所述的压电谐振膜片式传感器，其特征在于所述驱动和信号检测电子线路的构成为信号电极的信号通过信号放大器放大，再经驱动放大器产生驱动信号作用于驱动电极，构成正反馈的自激振荡器，其工作频率为压电元件和振动膜片的谐振频率；驱动电极的频率信号由信号检测线经开关送至频率计数线，再送至测控系统进行频率测量。
所述的压电谐振膜片式传感器，其特征在于所述驱动和信号检测电子线路包括重新激振电路测控系统经检测激励选择信号线发出开关控制信号，使信号检测线接至激励信号线，测控系统再经激励信号线向驱动电极发出脉冲串激励信号，使压电元件重新振动工作。
由压电元件的性质可知，在参考地电极和驱动电极之间施加交变电压信号，则压电元件体产生径向伸缩变形，此即压电元件的逆压电效应。当压电元件以某种方式，例如通过强力导电胶与振动膜片相粘结，则振动膜片因为压电元件的径向伸缩变形会发生弯曲变形振动。利用压电元件的正压电效应又可在信号电极上获得弯曲变形振动信号。本实用新型即是采用这样的工作模式，使圆形振动膜片作弯曲振动，振动频率工作点是振动膜片的一阶谐振点。振动膜片的一面作为结冰的探测面，当其上无结冰时，传感器工作于某一初始频率上；当探测面上有结冰发生时，结冰层大大增加了振动膜片的刚度，从而引起结冰传感器谐振频率的增加，在谐振电路中获取频率信号及其增量，就可得知结冰现象是否发生，并从频率增量的大小上得知结冰厚度的多少。
本实用新型还包括一个微小尺寸的Pt100测温元件，此测温元件的作用为(1)测量传感器本身的温度，温度信号作为传感器温度补偿之用，以保证传感器频率对温度的稳定性；(2)当传感器温度高于20℃时，电子测量系统就会切除掉传感器的频率信号，减少虚警率，以使结冰报警更为可靠。
本实用新型传感器的主要特点为(1)利用压电元件的逆压电效应使探测振动膜片产生弯曲振动变形，同时利用压电元件的正压电效应拾取膜片的振动信号，通过电子线路的驱动，使传感器工作于谐振频率上。因此工作稳定，对冰层检测的灵敏度极高；(2)由于使用压电元件，传感器的功耗很低；(3)内置微型测温元件，对传感器的频率温度变化能进行智能补偿，大大提高了系统的可靠性；(4)传感器尺寸小，可以齐平安装于需要结冰检测的表面上，如公路、飞机机翼前缘等，这是现有结冰传感器难以实现的。
图1A为本实用新型中的压电元件结构图；图1B为图1A的俯视图；图2为本实用新型一个实施例的结构示意图；图3为本实用新型采用的驱动和信号检测电子线路结构示意图。
具体实施方式
现结合图1A、图1B、图2、图3对本实用新型的实施方式加以说明。
图1A、图1B为一种三电极径向伸缩变形振动的圆片式压电元件，参考地电极1为圆形并覆盖压电元件体2的一面，压电元件体2的另一面为驱动电极4，驱动电极4中分割出一小片信号电极3。各电极均是银材料并以烧结工艺生成于压电元件体上。
图2所示为本实用新型的一个实施例，筒状不锈钢壳体7一端焊接振动膜片6，另一端由后盖板9封闭形成密闭腔；振动膜片6上粘结压电元件，压电元件是经改性的锆钛酸铅压电陶瓷材料制成，压电元件由参考地电极1、压电元件体2，驱动电极4以及驱动电极4中分割出的一小片信号电极3所组成。各电极是以银材料为主并以烧结工艺生成于压电元件体2之上。测温元件12，它紧靠压电元件和振动膜片，因而能以较快的速度测得压电元件和振动膜片的温度。传感器内部支撑板10，其功能是密封内腔和转接信号引出线。带屏蔽层电缆8引出压电元件和测温元件各信号线。另外，传感器周围还均匀分布有4个安装孔11。
本实用新型中的一个微小尺寸Pt100测温元件12，作用为(1)测量传感器本身的温度，温度信号作为传感器温度补偿之用，以保证传感器频率对温度的稳定性；(2)当传感器温度高于20℃时，电子测量系统就会切除掉传感器的频率信号，减少虚警率，以使结冰报警更为可靠。
图3是基本的驱动和信号检测电子线路结构示意图。从信号电极3上获得的信号通过信号放大器20放大，再经驱动放大器19产生驱动信号作用于驱动电极4，这样便构成了正反馈的自激振荡器，其工作频率就是压电元件和振动膜片6所构成的振动系统的谐振频率。驱动电极4的频率信号由信号检测线14经开关15送至频率计数线17，再送至由单片机构成的测控系统21进行频率测量。当振动膜片6外表面无结冰时，传感器工作于一初始频率；当其上有结冰发生时，则传感器的工作频率上升，在一定的冰层厚度范围内，传感器的工作频率与结冰的厚度有良好的一一对应线性关系。因此，测量出频率值及其变化量就可实现对结冰现象发生与否和冰层厚度信号的检测。
当冰层厚度达到一定值时，传感器会停止振动，此时需要在融化结冰之后重新对传感器激振以使其恢复工作。重新激振是这样实现的单片机测控系统经检测激励选择信号线16发出开关控制信号，使信号检测线14接至激励信号线18，测控系统21再经激励信号线18向压电传感器发出脉冲串激励信号，使压电元件重新振动工作。
权利要求1.一种压电谐振膜片式传感器，筒状不锈钢壳体一端焊接振动膜片，另一端由后盖板封闭形成密闭腔；其特征在于(1)所述振动膜片上粘结有压电元件，密闭腔壁紧靠压电元件和振动膜片装有测温元件，压电元件和测温元件通过穿过密闭腔的带屏蔽层电缆与驱动和信号检测电子线路电信号连接；(2)所述压电元件组成为压电元件体一面连接参考地电极，压电元件体另一面连接驱动电极以及为驱动电极所围绕的信号电极。
2.如权利要求1所述的压电谐振膜片式传感器，其特征在于所述压电元件体由经改性的锆钛酸铅压电陶瓷材料制成，所述参考地电极、驱动电极和信号电极以银材料为主并以烧结工艺生成于压电元件体之上；所述密闭腔内部设有支撑板，用于密封内腔并转接压电元件和测温元件信号引出线。
3.如权利要求1或2所述的压电谐振膜片式传感器，其特征在于所述驱动和信号检测电子线路的构成为信号电极的信号通过信号放大器放大，再经驱动放大器产生驱动信号作用于驱动电极，构成正反馈的自激振荡器，其工作频率为压电元件和振动膜片的谐振频率；驱动电极的频率信号由信号检测线经开关送至频率计数线，再送至测控系统进行频率测量。
4.如权利要求3所述的压电谐振膜片式传感器，其特征在于所述驱动和信号检测电子线路包括重新激振电路测控系统经检测激励选择信号线发出开关控制信号，使信号检测线接至激励信号线，测控系统再经激励信号线向驱动电极发出脉冲串激励信号，使压电元件重新振动工作。
专利摘要压电谐振膜片式传感器，属于传感器，克服现有振动筒结冰传感器的局限，用于对结冰现象进行检测。本实用新型筒状不锈钢壳体一端焊接振动膜片，另一端由后盖板封闭形成密闭腔；(1)所述振动膜片上粘结有压电元件，密闭腔壁紧靠压电元件和振动膜片装有测温元件，压电元件和测温元件通过穿过密闭腔的带屏蔽层电缆与驱动和信号检测电子线路电信号连接；(2)所述压电元件组成为压电元件体一面连接参考地电极，压电元件体另一面连接驱动电极以及为驱动电极所围绕的信号电极。本实用新型对冰层检测的灵敏度高、功耗低、尺寸小，可齐平安装于一些检测面上，如公路、飞机机翼前缘等。
文档编号G01H11/08GK2919209SQ20062009680
公开日2007年7月4日 申请日期2006年5月22日 优先权日2006年5月22日
发明者叶林, 张 杰, 张洪 申请人:华中科技大学