专利名称：一种可消除横向应变影响的传感器的制作方法
技术领域：
实用新型涉及一种可消除横向应变影响的传感器，属于传感器的技术领域。
背景技术：
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使用时，其极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1-3方向的压电效应，在电极积累电荷，起到传感作用；而1-3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。
实用新型内容本发明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敏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。本发明为实现上述目的，采用如下技术方案本发明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)Spa/Spb — - (d31+ U pd33) / (d31+ U pd31)，或条件b)SPa/Spb — - (d33+ U pd31) / (d31+ U pd31)，其中，Spa为1-3型压电传感器电极面积，Spa为3-3型压电传感器电极面积，U ^为压电材料泊松比，d31为1-3型压电传感器的应变压电常数，d33为3-3型压电应变传感器的应变压电常数；所述1-3型压电应变传感器和3-3型压电应变传感器采用压电材料或超导材料制成。本发明具有如下优点⑴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，本发明很好地解决了这一工程实际需要；(3)本发明成本低廉，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1-3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。
图I (a)、图1(b)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-y平面为结构表面所在平面，z方向为平面法向，εχ，ey为结构表面应变沿x、y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，εχ，ey为结构表面应变沿X、y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，上下表面用绝缘柔性薄膜封装，灰色面为TSE-PZT的电极，+，-分别标明了电极的正负极。图3是可消除横向应变影响的压电动态应变传感器(TSE-PZT)的内部结构示意图，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，εχ，ey为结构表面应变沿X、y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I，厚度均为h，Pa宽度为a，Pb宽度为b。图4是可消除横向应变影响的压电动态应变传感器(TSE-PZT)应用于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20_的管道，εχ为管道表面的轴向应变。图5是可消除横向应变影响的压电动态应变传感器(TSE-PZT)粘贴于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1，厚度均为h，Pa宽度为a，Pb宽度为b，+，-分别为TSE-PZT的正负输出电极，用于连接测量电路，ε χ为管道表面的轴向应变，ey为管道表面的横向应变。
具体实施方式
以下结合附图对实用新型的技术方案进行详细说明(I)压电传感器的工作原理与理论可行性如图I (a)、图I (b)所示为传统的压电应变传感器示意图，图I (a)为1_3型片状压电应变传感器，图1(b)为3-3型条状压电应变传感器，灰色面为极化后的电极。对目标结构，定义χ-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，设极化方向为3方向，目标结构表面的χ方向为I方向。则以下分析中，下标x、y、z为目标结构参数，下标1、2、3为压电传感器参数。设目标结构材料密度为P，弹性模量为E，泊松比为μ，剪切模量为G =Ε/2(1+μ)0两类压电应变传感器使用同种材料，密度为Pp，弹性模量为Ep，泊松比为μρ，剪切模量为Gp = Ερ/2(1+μρ)，应力压电常数为g31，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εχ，ey两个正交分量。设压电传感器的应变为ε 1; ε 2，ε 3，目标结构的表面应变为ε χ，ε y，由于压电传感器粘贴于结构表面，因此对1-3型压电传感器，其平面应变为ε i = εχ, ε2= ε y ;对3-3型压电传感器，其平面应变为ε i = εχ, ε 3 = ε y。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D3 = — (d31 ο i+d31 σ 2+d33 σ 3) (I)对1-3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σ 3=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
￡E=-—^(εχ+μρε2) = -~(2a)
[-MP
EEσ2 =-~ρ—(ε2 +με,) = -~ρ—(ε+μεχ)(2b)
'-μΡμΡ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σ2 = 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
EEσ, =-~ρ—(ε,+μ ε2) = -~ρ—{εχ+μ εγ)(3a)
X~MP'-μΡ
EEσ3 =-ρ-{ε^+μελ) = -~ρ—{εν+μεχ)(3b)
μΡ\-μΡ将⑵(3)式分别代入⑴式，得到压电传感器电极积累的电荷密度为
EE1-3 型压电传感器Α-3=-7~^Τ岣丨G +丨+(4a)
I^-Mp
EE3-3 型压电传感器A-3 =-—^τ(^3 +ΜΡ^3)εχ --^t(^33 +Mpd^)sy ( 5a )
{~mpμ p从而，压电传感器的输出电荷为1-3型压电传感器
βE0-3 = JjA-3 = - Π -—+~Ρ~ ^{\ + μρ)εγ(4b)
51-3'一 Pp3-3型压电传感器03-3 = HA-3 = - JJ -~S'(^31 +Mpd3})sx+-~p—{dn + μpdiX)sv (5b)
λ'3-3Λ'3-3 ^ ~ MpMp[0042]其中If ’ If分别表示对1-3型压电应变传感器和3-3型压电应变传感器电极
51-3 53-3
表面取积分。由结果可见，无论是1-3型压电应变传感器还是3-3型压电应变传感器，其输出均包含了与εχ，ey两应变分量有关的部分。由于Ep，d31，d33均不可能为0，μρ不可能取-1，故两部分均不可能取O。即传统压电传感器无论几何外形如何，粘贴方式如何，均无法达到消除横向应变变化影响的目的。但是值得注意的是，常用压电材料的应变压电常数为d31与d33通常符号相反，且d33绝对值相对较大。因此，通过将1-3型压电应变传感器和3-3型压电应变传感器组合使用，选取合适的几何尺寸和组合方式，可能消除其中与εχ，ey相关的某一项而仅保留另一项，从而实现消除横向应变影响的压电动态应变传感器的设计。(2)消除横向应变影响的传感作用实现方法由上述分析可知，将1-3型压电应变传感器和3-3型压电应变传感器组合粘贴于目标结构表面时，选择适当的传感器尺寸和连接方式可能消除总输出电荷中与εχ，％相关的某一项而仅保留另一项。本发明的设计方案如图2，为可消除横向应变影响的压电动态应变传感器(transverse strain eliminated piezoelectric transducer,以下简记为 TSE-PZT)的基本示意图。TSE-PZT由1-3型压电应变传感器Pa与3-3型压电应变传感器Pb组合而成，上下两表面由柔性薄膜封装，可有效传递目标结构表面应变变化。所述1-3型压电应变传感器和3-3型压电应变传感器采用压电材料或超导材料制成。TSE-PZT的实际内部结构与接线方式如图3，将Pa正极与Pb正极相连接作为整个TSE-PZT的总正电极输出，将Pa负极与Pb负极相连接，作为TSE-PZT的总负电极输出。于是TSE-PZT两极积累的电荷即为Pa与Pb两极积累电荷的代数和。由于压电应变传感器与目标结构相比，通常尺寸较小，因此可认为当目标结构粘贴TSE-PZT处的应变为εχ，ey时，Pa与Pb的应变均为S1 = ε χ, ε 3 = ε y。则此时Pa与Pb两电极积累电荷分别如(4b) (5b)所描述，于是整个TSE-PZT的输出电荷即为两者的代数和Qai ~ QPa + QPb =
PaPb
E— ^~2"+/^/^31)+ JJ(^3i 十/Sx( 6 )
I一/LPaPb_Y JJ(^31 +/^/7^31 )^" J/(^33 ^ IjrP^zx)
-PaPb_其中[f ’ If分别表示对Pa和Pb电极表面取积分。由于被积分项均与几何尺
PaPb
寸无关，因此可直接用电极面积代替积分符号，于是式(6)化为Qai ~ Qpa + Qpb = W^Fa +
PaPb=f+) + (4丨 +(7)
μΡ[0055]
权利要求1.一种可消除横向应变影响的传感器，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) Spa/Spb — _ (d31+ U pd33) / (d31+ U pd31)， 或条件b) Spa/Spb — _ (d33+ U pd31) / (d31+ u pd31)， 其中，Spa为1-3型压电传感器电极面积，Spa为3-3型压电传感器电极面积，μ p为压电材料泊松比，d31为1-3型压电传感器的应变压电常数，d33为3-3型压电应变传感器的应变压电常数；所述1-3型压电应变传感器和3-3型压电应变传感器采用压电材料或超导材料制成。
专利摘要本实用新型公布了一种可消除横向应变影响的传感器，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。这一实用新型可以促进压电动态应变传感器在工程结构上的广泛应用。
文档编号G01B7/16GK202630894SQ20122011813
公开日2012年12月26日 申请日期2012年3月26日 优先权日2012年3月26日
发明者朱海宾 申请人:朱海宾