CN101382558A - 一种用于冲击波测量的压电弹簧探针及其制法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于冲击波测量的压电弹簧探针及其制备方法。该压电弹簧探针主要包含内置弹簧的可自由伸缩的金属杆体和长径比为1∶2的PZT压电陶瓷圆片，金属杆体与PZT圆片通过导电胶粘结而成一根完整的高灵敏度压电冲击波传感器。本发明的压电弹簧探针有很好的冲击力响应和一致性，信号幅度高达几十伏～上百伏，时间响应达到纳秒量级，而且体积小、安装方便，可用于在0.01GPa～30GPa低压条件下精确测量样品中冲击波到达时间，大大改善了低冲击压力下的冲击波走时测量的精度。

Description

一种用于冲击波测量的压电弹簧探针及其制法

技术领域

本发明属于冲击波测量装置技术领域，具体涉及一种用于冲击波测量的压电弹簧探针及其制法，更具体地说，是涉及一种适用于在0.01 GPa～30 GPa低冲击压力条件下对材料中冲击波进行传感及测量冲击波速度的压电弹簧式探针及其制法。

背景技术

在冲击波或爆轰实验中，为了测量材料冲击波速度、飞片速度、自由面速度以及提供精确的触发信号常采用电探针进行测试。但是，电探针一般适用于大于20GPa的冲击压力，在低冲击压力下，冲击波强度不足以使探针两极间介质发生电离或离解，无法使探针迅速导通，使绝缘膜被击穿的分散性变大，甚至不击穿，所以电探针不能适应低压下的冲击波的传感以及冲击波速度的精确测量。

锆钛酸铅系列(PbTiO₃-PbZrO₃—PZT)压电陶瓷具有很高的固有频率，频率响应快，压电系数和灵敏度高，可用于低冲击压力下的冲击波测量，并且它无需外加电源，从而避免了因外加电源而带来的噪声影响。自上世纪70年代美国利弗莫尔实验室用压电传感器测量液体中的冲击波速度取得成功后，美国Dynasen公司随之研制和生产了几种规格的单体压电探针，并提供给美国三大国家武器实验室等研究单位使用。我国20世纪后期也有少量利用压电探针测量冲击波速度的应用。

但是，在精确测量样品中冲击波到达时间时，需要探针和样品紧密接触，以消除探针在测量方向上的定位误差。这一点对低压低速实验尤其重要，因为速度低，微小的定位误差将造成较大的时间误差。例如当冲击速度为100m/s，传统探针在测试台上的安装定位误差典型值为20m，所造成的时间误差则达到20ns，而冲击波速度的测量需要不大于几个纳秒的精度。前述Dynasen的单体同轴压电探针在安装时即存在这样的问题。国内有人还将直径1mm、厚0.5mm的压电陶瓷片放置在绝缘支架的通孔中，后面用直径1mm的黄铜杆顶住并充当一个电极，用502胶粘结固定。但从使用效果来看，压电陶瓷片放入小孔时极易翻转、操作非常困难，光杆探针与压电陶瓷片接触不良，实际信号质量和一致性很差，这些均限制了压电陶瓷在冲击波测量中的应用。因此，低压下冲击波走时的精确测量一直以来没有得到较好地解决。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有的电探针在低压冲击下的测量精度低、灵敏度不高及压电传感器在安装上的困难与不足，提供一种用于低压冲击波测量的压电弹簧探针及其制备方法。

本发明的用于冲击波测量的压电弹簧探针由针套、弹簧、针杆和压电陶瓷片组成，金属针套内部设置有弹簧与针杆，弹簧与针杆的一端相连接，并使针杆能够在针套内移动；压电陶瓷片通过导电胶与针杆的另一端相连接，并使压电陶瓷片端面与针杆端面平行，压电陶瓷片的直径稍小于针杆的直径；压电陶瓷片的外端面与待测样品相连，针套的尾端与测试仪相连。

所述的针套和针杆均采用镀金不锈钢或黄铜材料制成，弹簧为钢琴线，针杆与压电陶瓷片相连接的端面为平面；压电陶瓷片采用锆钛酸铅系列压电陶瓷，压电陶瓷片的长径比为1:2的圆片，并在其两个端面镀金膜或银膜作为电极。

所述的导电胶的粘结层厚度小于0.1mm。

用于压电弹簧探针的制备方法，包括以下步骤：

(1)将针套、弹簧和针杆加工成为弹簧探针，清洗压电陶瓷片及弹簧探针；

(2)在室温下，将导电胶的甲、乙两组份按1：1的比例进行配制；

(3)对接压电陶瓷片与弹簧探针，并用所配好的导电胶作为压电陶瓷片与弹簧探针之间的粘接剂，利用专门的压紧装置对压电陶瓷片与弹簧探针进行固定及压紧，并使导电胶涂层厚度小于0.1mm，保证压电陶瓷片与弹簧探针端面的平行度和同心度；

(4)固化，将对接好的压电弹簧探针连同粘结工装一起放入烘箱烘烤，烘烤温度控制在100℃左右，烘烤时间为1个小时左右，使导电胶充分固化，即得到所需产品。

本发明压电弹簧探针，在使用时利用专用绝缘探针支架将压电弹簧探针顶住待测导电样品的表面，设法由导电样品上引出引线作为传感器的负极或参考地，而压电弹簧探针尾部焊接导线作为正极，将两电极通过同轴电缆接入记录仪器中，当压电陶瓷受到冲击时其两个电极束缚的电荷会迅速释放，从而产生纳秒级的电脉冲由示波器记录下来。若样品为绝缘体，则在样品表面镀上导电层或贴一层铝箔。

本发明用于冲击波测量的压电弹簧探针体积小、安装方便，定位精度高，具有很好的电绝缘性，易于安装，特别适用于低冲击压力下冲击波精确测量。

附图说明

图1为本发明用于冲击波测量的压电弹簧探针的结构示意图

图2为本发明的压电弹簧探针在实际应用中的安装示意图

图3为本发明用于冲击波测量的压电弹簧探针动态波形图

图中，1.针套 2.弹簧 3.针杆 4.压电陶瓷片 21.金属待测材料样品 22.绝缘探针支架 23.压电弹簧探针 24.同轴电缆 25.记录仪器

具体实施方式

从图1和图2中可以看出，针套1与针杆3为电连接，并通过导电胶与压电陶瓷片4连接，从针套的尾部焊接引线作为一个外引电极(正极)。压电陶瓷片的另一端面通过紧密接触待测金属样品作为另一外引电极，该电极一般接地作为信号的参考(负极)。若样品为绝缘体，则在样品表面镀上导电层或贴上铝箔。

实施例1

本发明用于冲击波测量的压电弹簧探针的制备方法，主要包括以下步骤：

(1)外观检查及清洗：选用Φ1×0.5的压电陶瓷圆片，两面镀金膜或银膜作为电极。首先在显微镜下仔细检查压电陶瓷片是否完好，不能有缺损、掉瓷及镀层脱落等现象。针套、弹簧和针杆组合加工安装成Φ1.5×24的平头弹簧探针，检查其弹性良好、外观无缺陷。检查好的压电陶瓷片及弹簧探针用酒精浸泡清洗1-2分钟。

(2)导电胶的配比及粘接：在室温下，将两组份导电胶按1：1的比例进行配比，将导电胶均匀涂于弹簧探针的针杆平头端面上和压电陶瓷片的“正”极端面上，在室温下露置0.5～1小时后进行对接，对接时压电陶瓷片与弹簧探针平头端面要保证同心，并利用专门的压紧装置对压电陶瓷片与弹簧探针进行固定及压紧。

(3)固化：将对接好的压电弹簧探针连同粘结工装一起放入烘箱烘烤，烘烤温度定在约100℃左右，烘烤时间控制在1个小时，使导电胶充分固化。由此得到用于冲击波测量的压电弹簧探针成品，其最大直径为Φ1.5，长度为24.5mm。

(4)成品外观检测：外观检查主要检查压电陶瓷片与弹簧探针粘接的牢固性、压电陶瓷片与探针端面应同心、陶瓷片是否完整、压电陶瓷片极性是否平整完好。用酒精清洗1分钟。

(5)电性能及一致性检测：检查压电弹簧探针两极的绝缘性，并利用微动冲击器模拟冲击波对压电弹簧探针进行冲击，检测压电弹簧探针在受到冲击时的输出信号极性及信号幅度。用示波器记录每次冲击的信号，示波器输入阻抗为1MΩ。对于任一根压电弹簧探针，在微动冲击器上重复冲击10次，其输出峰值幅度大于5V，信号脉冲半高宽为8μs±1μs，且无损伤即为合格品可用于实验中。其准静态检测装置结构中关键设备是一台微动冲击器。微动冲击器是利用压电陶瓷的逆压电性质，当给压电陶瓷加脉冲电压时，压电陶瓷会产生相应的膨胀造成一个微小的位移。当脉冲电压一定时，陶瓷每次位移量近似相同。

实施例2：

在应用于冲击波测量中时，安装过程首先是将压电弹簧探针23粘结到相应的绝缘探针支架22的孔中，压电弹簧探针23要高出探针架前端面相同的高度(0.5～1mm)。然后将金属待测材料样品21放置到绝缘探针支架22前端面上，弹簧的弹力就使得压电陶瓷片与样品表面紧密地接触上了。样品如果是金属则由样品直接引出电极，设计有小的接线螺钉，若样品为非金属则在样品和探针之间加一层金属薄膜，由金属薄膜引出电极，该电极为负极，压电弹簧探针的尾端引出一电极为正极。将正电极连接于同轴电缆24的芯线上，负极连接于同轴电缆的皮线上，电缆终端连接至记录仪器25，电缆终端负载电阻为50欧姆。

图3为一发动态轻气炮实验的波形图。利用轻气炮发射一个金属飞片撞击铜样品，利用该发明的小型压电弹簧探针来探测铜样品中的冲击波波前，样品中的冲击压力小于10GPa。图3是发明的用于冲击波测量的压电弹簧探针的输出电压波形。该种压电弹簧探针在安装中比传统的压电探针安装简便、易操作，最重要的是可以保证探针和样品紧密接触，以消除探针定位误差。

本发明的压电弹簧探针的输出信号幅度很高，几个GPa冲击压力即可产生上百伏脉冲电压信号(50Ω负载)，故具有很强的抗干扰能力，不仅可以用于精确测量低压下的冲击波，而且还可以用于测试系统的触发中。

Claims (4)

1.一种用于冲击波测量的压电弹簧探针，其特征是：所述的压电弹簧探针是由针套(1)、弹簧(2)、针杆(3)和压电陶瓷片(4)组成，金属针套内部设置有弹簧(2)与针杆(3)，弹簧(2)与针杆(3)的一端相连接，并使针杆(3)能够在针套(1)内移动；压电陶瓷片(4)通过导电胶与针杆(3)的另一端相连接，并使压电陶瓷片(4)端面与针杆(3)端面平行，压电陶瓷片(4)的直径稍小于针杆(3)的直径；压电陶瓷片(4)的外端面与待测样品相连，针套(1)的尾端与测试仪相连。

2.根据权利要求1所述的压电弹簧探针，其特征是：所述的针套(1)和针杆(3)均采用镀金不锈钢或黄铜材料制成，弹簧(2)为钢琴线，针杆(3)与压电陶瓷片(4)相连接的端面为平面；压电陶瓷片(4)采用锆钛酸铅系列压电陶瓷，压电陶瓷片(4)的长径比为1:2的圆片，并在其两个端面镀金膜或银膜作为电极。

3.根据权利要求1或2所述的压电弹簧探针，其特征是：所述的导电胶的粘结层厚度小于0.1mm。

4.用于权利要求1所述的压电弹簧探针的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将针套(1)、弹簧(2)和针杆(3)加工成为弹簧探针，清洗压电陶瓷片及弹簧探针；

(2)在室温下，将导电胶的甲、乙两组份按1：1的比例进行配制；

(3)对接压电陶瓷片与弹簧探针，并用所配好的导电胶作为压电陶瓷片与弹簧探针之间的粘接剂，利用专门的压紧装置对压电陶瓷片与弹簧探针进行固定及压紧，并使导电胶涂层厚度小于0.1mm，保证压电陶瓷片与弹簧探针端面的平行度和同心度；

(4)固化，将对接好的压电弹簧探针连同粘结工装一起放入烘箱烘烤，烘烤温度控制在100℃左右，烘烤时间为1个小时左右，使导电胶充分固化，即得到所需产品。

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