专利名称：微型宽频带正交异性声发射传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种智能材料结构无损检测用的传感器，特指一种宽频带正交异性压电复合 材料制作的声发射传感器。
背景技术：
目前，多数传感/驱动元件采用单一压电陶瓷制成，脆性大，不易做成大平面或形状复杂 的薄片，经不起机械冲击和非对称受力；密度大，硬度高，不易与结构体相容，与结构体粘 贴后对结构的力学性能会产生较大的影响；极限应变小，作为驱动器使用时，驱动性能太低， 并且最不足之处是其横观各向同性；作为传感器使用时不具备测定特定方向的应力和应力波 的能力，且其具有较强的选频特征，频带范围较窄，信号的真实频率特性往往被掩盖掉，这 样远远不能满足工程结构的检测与应用。
为了解决上述问题，在压电传感器方面大多集中在对1一1型和1一3型压电复合材料的研 究上，在声发射传感器的设计上，基本上是光纤声发射传感器和铁电复合材料声发射传感器， 频带范围较窄、智能特性不够且不易于加工制作。
组成声发射传感器元件的压电复合材料是将压电相纯陶瓷和有机压电聚合物基体按照一 定的连通方式、 一定的体积或质量比例和一定的几何空间分布复合而成，它能够成倍地提高 复合材料的力电性能，并且具有单一压电陶瓷所没有的优良性能。作为传感材料，它既有灵 敏度高、频响特性好的特点，又可以准确区分结构中的各个应力分量，使测量更加可靠、准 确。
压电复合材料以其优越的力电性能在微型传感器件领域的应用方面取得了明显的进展， 但由于其复合材料的成分、制备工艺、形状选择等方面存在许多技术问题，如频带范围较窄、 信号的真实频率特性往往被掩盖掉等，就无法直接推动其在传感元件方面的广泛应用，大大 限制了其应用范围。这就非常需要进一步加强复合材料从配制成分、制备工艺到形状设计等 的一套合理方法运用，以满足工程检测与应用等多方面的需要。目前，正交各向异性压电复 合材料是由压电相基体和聚合物相复合而成，与传统的传感元件相比具备更高的力电性能。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种新型的用于工程精确检测的宽频带正交异 性压电复合材料制作的微型声发射传感器。本发明采用的技术方案是包括多个不同厚度的压电元件，压电元件由基体压电相和聚 合物相复合成，整个压电元件的结构由压电陶瓷复合材料和上下两片条形交叉电极构成长方 形弧形切槽的形状。
所述基体压电相的体积占压电元件的0.689%,基体压电相的最大外围尺寸为9mmX6咖 X2咖，压电相和聚合物相宽度均为0. 2咖。
基体压电相中的基体材料采用环氧导电胶、压电相材料采用纳米锆钛酸铅压电陶瓷。 本发明的有益效果是
1、 由于结构上采用长方形弧形槽，有效地避免了聚合物相对波的衰减作用，尤其是聚合 物相的加入，使得形成的压电复合材料传感元件的横观各向异性特性得到了显著的放大，具 备测定特定方向应力和应力波的能力。
2、 随着长方形切槽深度的增加，使得元件各压电相沿极化方向的尺寸在一定范围内变化， 因此可在一定程度上达到展宽频带的目的，频带范围为0. 2 1. 7MHz。
3、 该传感器在加工过程中，由于聚合相的抗振效应可保护压电相，并使压电相结构具有 抗切碎和抗裂的特性，因此其形状是可以改变的，容易适应其它各应用领域；此外，排列和 填充结构件的像素分布是任意排列的，因此可消除与规则排列的像素间隙之间的相互干扰。
图l是本发明的结构图中l.压电相；2.聚合物相；H-4.5咖，L=3mm，厚度2mm，中心宽度h-1.5mm，箭头P 方向为极化方向；
图2是本发明频响特性曲线。
具体实施例方式
如图1所示，传感器包括多个不同厚度的压电元件，整个压电元件结构由压电陶瓷复合 材料和上下两片条形交叉电极构成，该两片条形交叉电极构成长方形弧形切槽的形状，压电 元件的压电复合材料由基体压电相1和聚合物相2复合组成，基体压电相1体积百分比占压 电元件的0.689%,其结构最大外围尺寸为9咖X6咖X2咖，压电相1与聚合物相2宽度均为 0.2mm,并且各压电相沿极化方向的厚度不同。基体材料采用DAD-40型环氧导电胶，室温剪
切强度为14.7Mpa，体积电阻率《1.0x10—3acm;压电相材料为纳米锆钛酸铅压电陶瓷,材料 密度为/ = 7730kg/m3 。
该声发射传感器的主要性能与参数如下表所示边缘宽度中心宽度灵敏度频带范围频带宽度
传感器
H (ram)h (mm)(dB)(MHz)(MHz)
4.51.5550.2 1.71.5长方形薄片切槽传感器
本发明针对不同结构中传播的不同类型的波设计了波形，用于提高结构损伤检测的能力， 对传感元件主要起厚度振动效应。通过提高传感元件在力学上的各向异性程度、改变传感元 件几何尺寸，可提高灵敏方向振动耦合效应，同时降低不灵敏方向的振动耦合效应,从而更有
效的提高了其正交异性；
在制作工艺上，采用超高真空多靶磁控溅射技术构造的条形交叉电极，在电极两侧能够 产生极性相反的电场机制，同时在正负电极的交汇处设置有绝缘胶隔离区将极性相反的两电 极完全隔开，形成良好的绝缘带以防漏电。电极间的阻值经测定大于200MQ;
应用数字仿真技术验证了本发明的频响特性，其频响特性曲线如图2所示；同时采用电 声互易原理的绝对标定技术对自行设计和制作的传感器进行标定。
本发明通过1-1型正交异性声发射传感器传感特性试验，将制作的片状压电元件分别粘 贴于1050XI000X20mm的钢板和700X700X200mm的混凝土表面。采用示波器接收信号，设 定采样频率为2. 5MHz、采样长度2048byte;采用直径为0. 5咖、伸长量为2. 5mm的HB铅笔 芯以30度角在各测点的折断信号模拟构件中的声发射信号。采用两通道根据波峰到达的时间 差计算的波行速度分别为2958m/s和2103m/s,可见用钢板和混凝土试件进行试验时该传感 器均表现出明显的正交异性，具有良好应用的效果。
权利要求
1.一种微型宽频带正交异性声发射传感器，包括多个不同厚度的压电元件，压电元件由基体压电相(1)和聚合物相(2)复合而成，其特征是整个压电元件的结构由压电陶瓷复合材料和上下两片条形交叉电极构成长方形弧形切槽的形状。
2. 根据权利要求1所述的微型宽频带正交异性声发射传感器，其特征是所述基体压电相(l) 的体积占压电元件的0.689%，基体压电相(1)的最大外围尺寸为9X6X2mm，压电相(1) 和聚合物相(2)宽度均为0.2mm。
3. 根据权利要求1所述的微型宽频带正交异性声发射传感器，其特征是基体压电相(1) 中的基体材料采用环氧导电胶、压电相材料采用纳米锆钛酸铅压电陶瓷。
全文摘要
本发明公开了一种微型宽频带正交异性声发射传感器，包括多个不同厚度的压电元件，压电元件由基体压电相和聚合物相复合成，整个压电元件的结构由压电陶瓷复合材料和上下两片条形交叉电极构成长方形弧形切槽的形状；所述基体压电相的体积占压电元件的0.689％，基体压电相的最大外围尺寸为9mm×6mm×2mm，压电相和聚合物相宽度均为0.2mm；由于结构上采用长方形弧形槽，有效地避免了聚合物相对波的衰减作用，具备测定特定方向应力和应力波的能力；一定程度上达到展宽频带的目的，频带范围为0.2～1.7MHz；适应各个应用领域。
文档编号G01B17/00GK101590468SQ20081015692
公开日2009年12月2日 申请日期2008年9月12日 优先权日2008年9月12日
发明者张礼华, 英 骆 申请人:江苏大学