损伤监测复合式压电薄膜传感器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及在线损伤监测技术领域，具体是一种损伤监测复合式压电薄膜传感 器。
【背景技术】
[0002] 复合材料结构受到冲击后易发生层间分层损伤和纤维断裂，这些损伤不仅会引起 结构静强度显著降低，而且会导致振动特性的变异，因此，能够通过监测结构应变和振动加 速度来判断复合材料结构的损伤状况具有现实意义。
[0003] 目前，复合材料损伤监测方面主要采用光纤传感器或压电智能夹层。光纤传感器 具有结构简单、抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、性能稳定、测量精度高等优点，但光纤的强度 低，容易破损，传感测试系统价格昂贵，光纤波长的"多峰值"现象一直是其数据采集系统的 一大难题。压电智能夹层可以粘贴到结构的表面、或嵌入到复合材料结构的内部，本身是一 个功能单元，它可以被预先制造、测试、储藏和转运到其他地点并方便的合成到结构中。但 压电智能夹层的一次性初始成本高，尺寸容易受到限制，只能测一种物理量。因此损伤监测 方面需要性能更加优良、价格便宜的传感器来采集结构参数。
[0004] 基于PVDF压电薄膜材料的压电式传感器，由于其对动态应变或压力具有较高的灵 敏度和响应时间而被广泛研究。现在市场上已有一些基于PVDF压电薄膜的应变或压力传感 器原型产品面世，但都是单一型的传感器。另外，目前广泛应用的压电加速度传感器多是以 压电陶瓷为压电元件的质量-刚度-阻尼构成的单自由度二阶运动系统为原理设计的，利用 PVDF压电薄膜制作加速度传感器的研究较少。
【发明内容】
[0005] 本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种损伤监测复合式压电薄膜传感器， 可以同时测量应变和加速度，具有良好的线性度。
[0006] 本发明包括PVDF(聚偏氟乙烯)压电薄膜，压电薄膜的上下表面相对应位置镀有第 一矩形电极层，用于引出结构长度方向变形时压电薄膜产生的电荷。
[0007] 在垂直第一矩形电极层的位置，镀有第二矩形电极层，用于引出结构横向变形时 压电薄膜产生的电荷。
[0008] 在第一矩形电极层和第二矩形电极层之间镀有一层圆形电极层，其中上层圆形电 极层上面粘有质量块，圆形电极层用于引出振动加速度引起压电薄膜厚度方向变形而产生 的电荷。
[0009] 分别在第一矩形电极层、第二矩形电极层上下两个面引出两根导线，并用空心小 铆钉和压接端子穿透连接，连接处用绝缘胶覆盖。当压电薄膜下方的第一矩形电极层和第 二矩形电极层的压接端子穿透压电薄膜时，第一矩形电极层和第二矩形电极层引出的导线 可以异面，也可以同面，最好选择同面，可以使导线的排布更加简洁。
[0010] 电圆形极层直接用导电银浆从上下两面引出同向异面的导线。薄膜最外面加有保 护层，并且薄膜的有用面积和引出电极部分分开封装。
[0011]本发明有益效果在于:采用单片PVDF压电薄膜测应变，同时通过PVDF压电薄膜和 质量块相结合的方式测加速度，具有良好的线性度。
【附图说明】
[0012] 图1是本发明的基本结构原理图。
[0013] 图2是本发明的左视图。
【具体实施方式】
[0014] 下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0015] 本发明提供了一种损伤监测复合式压电薄膜传感器，包括PVDF(聚偏氟乙烯)压电 薄膜1，压电薄膜1的上下表面相对应位置镀有一层第一矩形电极层2,用于引出结构长度方 向变形时压电薄膜1产生的电荷。在垂直第一矩形电极层2的位置镀有第二矩形电极层3,用 于引出结构横向变形时压电薄膜产生的电荷。在第一矩形电极层2和第二矩形电极层3之间 镀有一层圆形电极层4,用于引出振动加速度引起压电薄膜厚度方向变形而产生的电荷。其 中上层圆形电极层4上面粘有质量块5,第一矩形电极层2、第二矩形电极层3和圆形电极层4 上下两个面引出导线6。
[0016] 第一矩形电极层2和第二矩形电极层3上设有压接端子8,导线6通过空心小铆钉7 与压接端子8穿透连接，导线6和压接端子8连接处用绝缘胶9覆盖。
[0017] 压电薄膜1下方的第一矩形电极层2的压接端子8穿透压电薄膜1，压电薄膜1上下 表面第一矩形电极层2引出的导线同向同面。
[0018] 压电薄膜1下方的第二矩形电极层3的压接端子8穿透压电薄膜1，压电薄膜1上下 表面第二矩形电极层3引出的导线同向同面。
[0019] 圆形电极层4表面涂覆有导电银浆，圆形电极层4通过导电银浆从上下两面分别引 出导线6,两根导线6同向异面。
[0020] 压电薄膜1外设有保护层10,压电薄膜1的有用面积和引出电极部分分开封装。
[0021] 本发明中镀有矩形电极层的PVDF压电薄膜部分的运动可以看作是做单向拉伸运 动。
[0022] PVDF压电薄膜电荷量和应变的关系:辦〇 = (6(?) + (1) 当初始值为〇时，上式可简化为：(6(? = & (2) 式中为〖时刻的PVDF压电薄膜表面电荷量，__)为_寸刻的PVDF压电薄膜表面 电荷量，_为拉伸方向的应变，1为镀有电极层的PVDF压电薄膜的长度，w为镀有电极层的 PVDF压电薄膜的宽度，fpSPVDF压电薄膜的弹性模量，为压电系数。
[0023]镀有圆形电极层并粘有质量块的PVDF压电薄膜部分，当PVDF压电薄膜与所测物体 以同一加速度运动时，PVDF压电薄膜受到质量块与加速度相反方向的惯性力的作用，在 PVDF压电薄膜的两个表面产生交变电荷。电荷量和加速度的近似关系:(3) 式中發駿5为t时刻的PVDF压电薄膜表面电荷量为压电系数，Μ为质量块质量，a为 所测结构振动加速度。
[0024] 本发明采用单片PVDF压电薄膜测应变，同时通过PVDF压电薄膜和质量块相结合的 方式测加速度，具有良好的线性度。
[0025] 本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于 本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这 些改进也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种损伤监测复合式压电薄膜传感器，其特征在于:包括压电薄膜（1)，压电薄膜（1) 的上下表面相对应位置镀有第一矩形电极层(2)，在垂直第一矩形电极层(2)的位置镀有第 二矩形电极层(3)，在第一矩形电极层(2)和第二矩形电极层(3)之间镀有一层圆形电极层 (4)，其中上层圆形电极层(4)上面粘有质量块(5)，第一矩形电极层(2)、第二矩形电极层 (3)和圆形电极层(4)上下两个面分别引出导线(6)。2. 根据权利要求1所述的损伤监测复合式压电薄膜传感器，其特征在于:所述的第一矩 形电极层(2)和第二矩形电极层(3)上设有压接端子(8)，导线(6)通过空心小铆钉(7)与压 接端子(8)穿透连接。3. 根据权利要求2所述的损伤监测复合式压电薄膜传感器，其特征在于:所述的压电薄 膜（1)下方的第一矩形电极层(2)的压接端子(8)穿透压电薄膜（1)，压电薄膜（1)上下表面 第一矩形电极层(2)引出的导线同向同面。4. 根据权利要求2所述的损伤监测复合式压电薄膜传感器，其特征在于:所述的压电薄 膜（1)下方的第二矩形电极层(3)的压接端子(8)穿透压电薄膜（1)，压电薄膜（1)上下表面 第二矩形电极层(3)引出的导线同向同面。5. 根据权利要求2或3或4所述的损伤监测复合式压电薄膜传感器，其特征在于:所述的 导线(6)和压接端子(8)连接处用绝缘胶(9)覆盖。6. 根据权利要求1所述的损伤监测复合式压电薄膜传感器，其特征在于:所述的圆形电 极层(4)表面涂覆有导电银浆，圆形电极层(4)通过导电银浆从上下两面分别引出导线(6)， 两根导线(6)同向异面。7. 根据权利要求1所述的损伤监测复合式压电薄膜传感器，其特征在于:所述的压电薄 膜(1)外设有保护层(10)，压电薄膜(1)的有用面积和引出电极部分分开封装。8. 根据权利要求1所述的损伤监测复合式压电薄膜传感器，其特征在于:所述的压电薄 膜(1)为聚偏氟乙烯压电薄膜。
【专利摘要】本发明提供了一种损伤监测复合式压电薄膜传感器，包括PVDF（聚偏氟乙烯）压电薄膜，压电薄膜的上下表面相对应位置镀有第一矩形电极层，用于引出结构长度方向变形时压电薄膜产生的电荷。在垂直第一矩形电极层的位置，镀有第二矩形电极层，用于引出结构横向变形时压电薄膜产生的电荷。在第一矩形电极层和第二矩形电极层之间镀有一层圆形电极层，其中上层圆形电极层上面粘有质量块，圆形电极层用于引出振动加速度引起压电薄膜厚度方向变形而产生的电荷。第一矩形电极层、第二矩形电极层和圆形电极层上下两个面引出导线。本发明采用单片PVDF压电薄膜测应变，同时通过PVDF压电薄膜和质量块相结合的方式测加速度，具有良好的线性度。
【IPC分类】G01D5/12
【公开号】CN105675022
【申请号】CN201610012123
【发明人】陈仁文, 张笑笑, 任龙, 夏桦康, 黄斌, 周秦邦, 于杰, 邹盼盼
【申请人】南京航空航天大学
【公开日】2016年6月15日
【申请日】2016年1月8日