本实用新型属于传感器领域，具体为一种基于压电纤维的主应变方向传感器。
背景技术：
随着工业自动化程度的不断提高，大量机械设备涌入了人们的生产与生活中，如飞机、轮船、火车、汽车、电梯等，人们对这些设备的依赖程度也越来越高，安全隐患不容忽视，健康监测技术逐渐被提到日常议程上来。在众多的健康监测技术中，基于压电纤维的超声波检测技术属于无损检测，是一种比较前沿的无源检测技术，冲击与缺陷定位是其应用最广泛的领域。因此，在薄板的健康监测与损伤检测中，如何快速找到冲击载荷发出或缺陷反馈的主应变方向及其传感器的研制是人们热衷研究的问题，也是重点攻克的技术难关。
公开号为CN104458081A的专利公开了一种基于超声波表面波的应力测量主应变分离的方法及装置，由超声换能器组、超声脉冲发射接收器、采样处理系统和分析系统组成，根据表面波的飞行时间，给出了主应变分离方法，该专利未涉及超声脉冲发射接收器的具体设计，且飞行时间的获取需要对仪器设备的要求高。公开号为CN206223330U 的实用新型公开了材料主应变的检测系统和检测传感器，包括材料主应变传感器、函数发生器、电机驱动器、前置放大器、信号采集卡等组成，解决了无法测量材料主应变大小和应力方向分布的技术问题。该实用新型披露的是求解主应变的一个整个系统，并未涉及具体感知主应变的传感器研制及其判定方法。
技术实现要素：
本实用新型的目的是针对以上问题，提供一种基于压电纤维的主应变方向传感器，为找出冲击载荷引起的或损伤部位反射的主应变方向提供了一种主应变方向传感器和判定方法。
为实现以上目的，本实用新型采用的技术方案是：一种基于压电纤维的主应变方向传感器，包括传感器FPC柔性母板、0°压电纤维、45°压电纤维和90°压电纤维，所述传感器FPC柔性母板上设有0°一字型孔、45°一字型孔和90°一字型孔，所述0°一字型孔水平开设，所述45°一字型孔与0°一字型孔成45°，且一端相互靠近，所述90°一字型孔与0°一字型孔成90°，且一端与0°一字型孔和45°一字型孔同时相靠近；所述0°压电纤维、45°压电纤维和90°压电纤维对应镶嵌设置于0°一字型孔、45°一字型孔和90°一字型孔内，所述0°压电纤维、45°压电纤维和90°压电纤维两端设有连接导电线。
进一步的，所述0°一字型孔两端分别设有A′、B′焊盘，所述0°压电纤维两端分别通过导电银胶与A′、B′焊盘粘合；所述45°一字型孔两端分别设有C′、D′焊盘，所述 45°压电纤维两端分别通过导电银胶与C′、D′焊盘粘合；所述90°一字型孔两端分别设有E′、F′焊盘，所述90°压电纤维两端分别通过导电银胶与E′、F′焊盘粘合。
进一步的，所述传感器FPC柔性母板包括通过环氧树脂粘结压合在一起的母板上层绝缘膜层、母板中层铜路层、母板底层聚酰亚胺层上中下三层。
进一步的，所述母板底层聚酰亚胺层上均匀设有多个沉孔，所述沉孔内设有粘胶。
进一步的，所述传感器FPC柔性母板上设有分别与A′、B′、C′、D′、E′、F′焊盘电连接的A、B、C、D、E、F焊盘，所述A、B、C、D、E、F焊盘分别设有通过导线连接的杜邦接头A、杜邦接头B、杜邦接头C、杜邦接头D、杜邦接头E、杜邦接头 F。
进一步的，所述0°压电纤维、45°压电纤维和90°压电纤维与0°一字型孔、45°一字型孔和90°一字型孔镶嵌处采用环氧树脂粘合。
进一步的，所述0°压电纤维、45°压电纤维和90°压电纤维采用压电纤维棒切割而成，其直径为0.8mm，长度为10mm。
进一步的，所述母板上层绝缘膜层由透明材料制成，且厚度为0.2mm。
进一步的，所述母板中层铜路层设有连接焊盘A′与焊盘A的电路一，连接焊盘B′与焊盘B的电路二，连接焊盘C′与焊盘C的电路三，连接焊盘D′与焊盘D电路四，连接焊盘E′与焊盘E的电路五，连接焊盘F′与焊盘F的电路六。
一种基于压电纤维的主应变方向传感器的判定方法，其步骤如下：
步骤一：将母板底层聚酰亚胺层通过粘胶粘贴在各向同向的薄板上，在薄板任意一点用力锤敲击薄板，产生的超声波在薄板中传播。
步骤二：传感器内的0°压电纤维、45°压电纤维、90°压电纤维感知超声波传播过程中引起薄板的微小应变，根据正压电效应原理，0°压电纤维、45°压电纤维、90°压电纤维内产生与应变一致的等量电荷，压电纤维属于细长型，沿径向方向产生的电荷非常微弱，可忽略不计，产生的电荷为压电纤维长度方向感知薄板应变产生的等量电荷。其数学表示式如下：
Q＝kd33ε3
式中：Q为压电纤维由应变产生的电荷，k为比例系数，d33为压电纤维的压电应变常数，ε3为压电纤维感知的应变。
步骤三：由45°应变花测量原理可知：
式中：α为主应变与0°压电纤维长度的方向夹角；ε0°为0°压电纤维处的应变；ε45°为45°压电纤维处的应变；ε90°为90°压电纤维处的应变。
联立上式可得主应变方向角如下：
式中：Q45°为45°压电纤维测得的电荷值，Q0°为0°压电纤维测得的电荷值，Q90°为90°压电纤维测得的电荷值。
以传感器上0°压电纤维、45°压电纤维、90°压电纤维延长线交点为原点，以0°压电纤维为X轴，90°压电纤维为Y轴建立坐标系，根据上式中α计算出来的角度值即可判断出敲击点在坐标系统中所处的方向信息。
本实用新型的有益效果：
1、为找出冲击载荷引起的或损伤部位反射的主应变方向提供了一种主应变方向传感器；
2、该专利提出一种主应变方向传感器及判定方法，根据正压电效应，传感器内0°、 45°和90°三根已极化好的压电纤维感应由冲击产生的超声波引起薄板的微小应变，通过一系列数学推导，求得主应力方向角；
3、该传感器可应用于频率范围比较宽的冲击载荷及薄板结构健康监测的主应变方向检测，该判定方法是一种切实可行的主应变方向检测方法；
4、该传感器结构紧凑，体积小，安装方便，可检测高频率的超声波对薄板结构件的微小应变。
附图说明
图1为本实用新型主应变方向传感器布置示意图。
图2为本实用新型传感器FPC柔性母板主视结构示意图。
图3为本实用新型传感器FPC柔性母板G-G剖面结构示意图。
图中所述文字标注表示为：1、传感器FPC柔性母板；101、母板上层绝缘膜层；102、母板中层铜路层；1021、电路一；1022、电路二；1023、电路三；1024、电路四；1025、电路五；1026、电路六；103、母板底层聚酰亚胺层；11、沉孔；111、粘胶；12、0°一字型孔；13、45°一字型孔；14、90°一字型孔；2、0°压电纤维；3、45°压电纤维；4、 90°压电纤维；51、杜邦接头A；52、杜邦接头B；53、杜邦接头C；54、杜邦接头D； 55、杜邦接头E；56、杜邦接头F。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图对本实用新型进行详细描述，本实用新型部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本实用新型的保护范围有任何的限制作用。
如图1-3所示，本实用新型的具体结构为：一种基于压电纤维的主应变方向传感器，包括传感器FPC柔性母板1、0°压电纤维2、45°压电纤维3和90°压电纤维4，所述传感器FPC柔性母板1上设有0°一字型孔12、45°一字型孔13和90°一字型孔14，所述0°一字型孔12水平开设，所述45°一字型孔13与0°一字型孔12成45°，且一端相互靠近，所述90°一字型孔14与0°一字型孔12成90°，且一端与0°一字型孔12和45°一字型孔 13同时相靠近；所述0°压电纤维2、45°压电纤维3和90°压电纤维4对应镶嵌设置于0°一字型孔12、45°一字型孔13和90°一字型孔14内，所述0°压电纤维2、45°压电纤维 3和90°压电纤维4两端设有连接导电线。
优选的，所述0°一字型孔12两端分别设有A′、B′焊盘，所述0°压电纤维2两端分别通过导电银胶与A′、B′焊盘粘合；所述45°一字型孔13两端分别设有C′、D′焊盘，所述45°压电纤维3两端分别通过导电银胶与C′、D′焊盘粘合；所述90°一字型孔14 两端分别设有E′、F′焊盘，所述90°压电纤维4两端分别通过导电银胶与E′、F′焊盘粘合。
优选的，所述传感器FPC柔性母板1包括通过环氧树脂粘结压合在一起的母板上层绝缘膜层101、母板中层铜路层102、母板底层聚酰亚胺层103上中下三层。
优选的，所述母板底层聚酰亚胺层103上均匀设有多个沉孔11，所述沉孔11内设有粘胶111。沉孔处通过粘胶与待测件进行粘贴，无胶的地方传感器直接与待测件贴合，使得传感器与待测件贴合的更好，测试结果更精确。
优选的，所述传感器FPC柔性母板1上设有分别与A′、B′、C′、D′、E′、F′焊盘电连接的A、B、C、D、E、F焊盘，所述A、B、C、D、E、F焊盘分别设有通过导线连接的杜邦接头A51、杜邦接头B52、杜邦接头C53、杜邦接头D54、杜邦接头E55、杜邦接头F56。
优选的，所述0°压电纤维2、45°压电纤维3和90°压电纤维4与0°一字型孔12、 45°一字型孔13和90°一字型孔14镶嵌处采用环氧树脂粘合。
优选的，所述0°压电纤维2、45°压电纤维3和90°压电纤维4采用压电纤维棒切割而成，其直径为0.8mm，长度为10mm。
优选的，所述母板上层绝缘膜层101由透明材料制成，且厚度为0.2mm。
优选的，所述母板中层铜路层102设有连接焊盘A′与焊盘A的电路一1021，连接焊盘B′与焊盘B的电路二1022，连接焊盘C′与焊盘C的电路三1023，连接焊盘D′与焊盘D电路四1024，连接焊盘E′与焊盘E的电路五1025，连接焊盘F′与焊盘F的电路六1026。
一种基于压电纤维的主应变方向传感器的判定方法，其步骤如下：
步骤一：将母板底层聚酰亚胺层103通过粘胶111粘贴在各向同向的薄板上，在薄板任意一点用力锤敲击薄板，产生的超声波在薄板中传播。
步骤二：传感器内的0°压电纤维2、45°压电纤维3、90°压电纤维4感知超声波传播过程中引起薄板的微小应变，根据正压电效应原理，0°压电纤维2、45°压电纤维3、 90°压电纤维4内产生与应变一致的等量电荷，压电纤维属于细长型，沿径向方向产生的电荷非常微弱，可忽略不计，产生的电荷为压电纤维长度方向感知薄板应变产生的等量电荷。其数学表示式如下：
Q＝kd33ε3
式中：Q为压电纤维由应变产生的电荷，k为比例系数，d33为压电纤维的压电应变常数，ε3为压电纤维感知的应变。
步骤三：由45°应变花测量原理可知：
式中：α为主应变与0°压电纤维2长度的方向夹角；ε0°为0°压电纤维2处的应变；ε45°为45°压电纤维3处的应变；ε90°为90°压电纤维4处的应变。
联立上式可得主应变方向角如下：
式中：Q45°为45°压电纤维3测得的电荷值，Q0°为0°压电纤维2测得的电荷值， Q90°为90°压电纤维4测得的电荷值。
以传感器上0°压电纤维2、45°压电纤维3、90°压电纤维4延长线交点为原点，以0°压电纤维2为X轴，90°压电纤维4为Y轴建立坐标系，根据上式中α计算出来的角度值即可判断出敲击点在坐标系统中所处的方向信息，如：敲击点位于45°压电纤维3 延长线上，则0°压电纤维2和90°压电纤维4上感知的电荷量相等， tan2α＝2Q45°-Q0°-Q90°/Q0°-Q90°＝∞，因此可计算出α＝45°。
具体使用时，将母板底层聚酰亚胺层通过粘胶粘贴在各向同向的薄板上，0°压电纤维、45°压电纤维、90°压电纤维分别依次通过放大电路、滤波电路与处理器连接。在薄板任意一点用力锤敲击薄板，产生的超声波在薄板中传播，传感器内的0°压电纤维、45°压电纤维、90°压电纤维感知超声波传播过程中引起薄板的微小应变，根据正压电效应原理，0°压电纤维、45°压电纤维、90°压电纤维内产生与应变一致的等量电荷，压电纤维属于细长型，沿径向方向产生的电荷非常微弱，可忽略不计，产生的电荷为压电纤维长度方向感知薄板应变产生的等量电荷，该电荷通过放大、滤波后，处理器通过计算程序实时计算出敲击点在坐标系统中所处的方向信息。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本实用新型的保护范围。