[發明專利]一種基于壓電薄膜的組合式曲率傳感器

有效

• 申請號: 201810315959.2
• 申請日: 2018-04-08
• 公開（公告）號: CN108592779B
• 公開（公告）日: 2019-06-21
• 發明（設計）人: 彭偉強;杜海越;胡大士;崔洪宇;郭旭;洪明
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01B7/28
• 分類號: G01B7/28;H01L41/083
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 李曉亮;潘迅

本發明屬于壓電薄膜傳感器技術領域，提供一種基于壓電薄膜的組合式曲率傳感器，該組合式曲率傳感器主要用于彎曲結構，能夠實現曲率的直接測量。傳感器為三層結構，從上至下依次為保護層、壓電薄膜層和柔性基底層，其中，壓電薄膜層包括三個串聯的特定面積的壓電薄膜，三個壓電薄膜等間距布放在柔性基底層上方，其上下表面均涂有金屬導電層，中間位置的壓電薄膜與兩邊的極化方向反向，且位于中間的壓電薄膜的面積與兩邊壓電薄膜不等。本發明能夠直接測量得到結構精確曲率，無須數值計算，可根據實際需要定制形狀，能夠測量結構任意點曲率；測量結構簡單且精度高，靈敏度高，穩定性強，采集成本。

技術領域

本發明屬于壓電薄膜傳感器技術領域，涉及一種基于壓電薄膜的組合式曲率傳感器。

背景技術

在結構健康監測領域，曲率模態是衡量結構是否發生損傷較為有效的一種方式，然而目前多采用數值計算結構曲率，尚缺乏直接測量曲率的傳感器。目前計算曲率多采用電阻應變片測量結構某一點的應變，通過多點測量，之后對數據進行差分得到該點曲率。這種方法存在一些不足：需要的傳感器數量多，占用的得通道數量多，采集成本高；電阻應變傳感器易損壞，壽命短，需要溫度補償；計算精度不高，無法計算首尾點的曲率。

隨著壓電技術的不斷發展，壓電薄膜(PVDF)應變傳感器作為新興的傳感器，以其靈敏度高，性能可靠等特點，近年來在工業領域得到不斷推廣。壓電薄膜(PVDF)應變傳感器采用新型的高分子聚合物型傳感材料，具有較強的壓電性。

與傳統電阻應變傳感器相比，壓電薄膜傳感器具有靈敏度高，精度高，穩定性強，無須溫度補償，可測量多個方向應變等特點。為解決曲率直接測量的困難，同時避免傳統應變傳感器缺陷，本發明結合壓電薄膜傳感器壓電效應，設計出基于壓電薄膜的組合式曲率傳感器。

發明內容

為實現曲率直接測量，同時提高傳感器靈敏度和實用性，本發明提供一種基于壓電薄膜的組合式曲率傳感器，解決了現有應變傳感器無法單點測量梁結構變形曲率的問題。

為了達到上述目的，本發明的技術方案為：

一種基于壓電薄膜的組合式曲率傳感器，主要用于彎曲結構，實現曲率的直接測量，組合式曲率傳感器的輸出信號V與曲率ρ通過理論計算呈線性關系，ρ＝Kε，K為比例系數l為壓電薄膜布放間距，S為壓電薄膜總面積。所述的組合式曲率傳感器為三層結構，從上至下依次為保護層、壓電薄膜層和柔性基底層。所述的保護層用于保護壓電薄膜，柔性基底和保護層的材料選擇酚醛環氧樹脂。

所述的壓電薄膜層包括三個串聯的特定面積的壓電薄膜，三個壓電薄膜等間距布放在柔性基底層上方，其上下表面均涂有金屬導電層，間距是設定的已知量。所述中間位置的壓電薄膜與兩邊壓電薄膜的極化方向反向，通過測量電信號與曲率呈線性關系實現曲率測量；且位于中間的壓電薄膜的面積與兩邊壓電薄膜不等，兩者存在確定的比例，設中間壓電薄膜面積為S₂，兩邊壓電薄膜面積分別為S₁、S₃，則

所述的三個壓電薄膜的上表面通過導線連接在一起，再通過導線引出，下表面金屬導電層做同樣處理；導線與壓電薄膜上下表面的壓接端子通過空心小鉚釘固定。所述的每個壓電薄膜上下表面均設有壓接端子，下側壓接端子與上表面金屬涂層連接，上側壓接端子穿過壓電薄膜與下表面金屬涂層連接，為了避免上下表面金屬涂層短路，上側壓接端子局部區域不涂金屬涂層，做絕緣處理。

所述的中間壓電薄膜的上下表面的四個端角處分成設有一個壓接端子，兩側壓電薄膜與中間壓電薄膜相鄰一側的兩個端角處分別設有一個壓接端子；其中，一個壓電薄膜的另外兩個端角處分別設有與傳感器接線端連接的壓接端子。

當壓電薄膜受到拉伸作用時，在極化方向會產生電信號，公式如下：

V＝S(b₁ε_x+b₂ε_y)