CN103674225A - 一种局部极化压电薄膜传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种局部极化压电薄膜传感器，属于结构健康监测技术领域。本发明的传感器包括压电薄膜、顶部电极、底部电极、辅助电极、柔性印刷电路、连接点以及保护层；压电薄膜上布置有电极阵列，且仅在各电极处具有压电性能。辅助电极穿过压电薄膜将各电极的底部电极引至顶部。柔性印刷电路印于压电薄膜的上侧，将每个电极的顶部电极和辅助电极引至连接点；在压电薄膜的两侧涂有环氧树脂材料的保护层。本发明的传感器采用薄膜的形式，大大降低了压电传感器的重量，符合飞行器减重的要求；不需要手工粘贴大量压电片，只需将整块压电薄膜传感器贴附到基体结构上，便于与基体的集成，符合飞行器的要求，且具有更高的可靠性。

Description

一种局部极化压电薄膜传感器

技术领域

本发明涉及一种局部极化的压电薄膜传感器，属于结构健康监测技术领域。

背景技术

Lamb波是在具有两个平行表面的结构（如板）中，由横波和纵波相互耦合而成的一种弹性波。Lamb波具有良好的导波特性，而且对微小损伤比较敏感。基于主动Lamb波的损伤监测方法是结构健康监测中一种非常有效的监测方法。Lamb波在结构中传播时，结构内部的各种损伤会引起应力集中、裂纹扩展，这会引起在结构中传播的Lamb波信号的散射和能量的吸收，通过在损伤附近布置传感器阵列，对接收的Lamb波信号进行分析处理，便可以提取损伤特征参数。基于主动Lamb波的损伤监测通常可分为四个过程：Lamb波的激励，Lamb波的传播，Lamb波的接收和对接收信号的分析处理。其中Lamb波的激励和接收都是利用压电元件来实现的。

飞行器随着服役时间的延长，结构内部会出现裂纹等损伤，导致性能退化，影响使用安全。基于主动Lamb波的损伤监测方法，在原理上可以对飞行器结构损伤进行实时监测。这对保证飞行器安全，延长飞行器寿命以及减少飞行器定期维修费用具有重大意义。传感器作为飞行器结构健康监测系统的核心元件，通常处于非常苛刻的服役环境，如高低温、振动、噪声等，而且传感器必须轻质，不能改变飞行器的气动外形。但是传统的压电元件重量较大，手工粘贴和导线布置都很不方便，不能满足飞行器对传感器质轻且不能改变自身气动外形的要求，不便于与结构基体集成。

发明内容

本发明为了解决现有压电传感器不能满足飞行器应用要求的问题，提供一种新型的局部极化压电薄膜传感器。本发明的局部极化压电薄膜传感器具有质轻、布线方便和易于集成的特点。

本发明提供的局部极化压电薄膜传感器，包括：压电薄膜、顶部电极、底部电极、辅助电极、柔性印刷电路、连接点以及保护层。

压电薄膜为PZT/PVDF复合材料，其上布置有电极阵列。压电薄膜上仅在各电极处具有压电性能。每个电极都包括一对顶部电极和底部电极。顶部电极和底部电极都为银薄膜，分别贴附在局部极化压电薄膜的上侧和下侧。在压电薄膜的各电极的边缘处都设置有辅助电极。辅助电极的材料为导电胶，辅助电极穿过压电薄膜将底部电极引至顶部。

柔性印刷电路印于压电薄膜的上侧，将每个电极的顶部电极和辅助电极引至连接点。接线点采用焊盘的形式，位于柔性印刷电路终端，用于将柔性印刷电路引出。在压电薄膜的两侧涂有保护层，保护层的材料为环氧树脂。

本发明的优点和积极效果在于：

(1)本发明提供的传感器采用薄膜的形式，大大降低了压电传感器的重量，符合飞行器减重的要求；

(2)本发明提供的传感器不需要手工粘贴大量压电片，只需将整块压电薄膜传感器贴附到基体结构上，便于与基体的集成；

(3)本发明提供的传感器通过印制线路连接压电阵列，不需布置大量导线，符合飞行器的要求，且具有更高的可靠性。

附图说明

图1是局部极化压电薄膜传感器原理示意图；

图2是局部极化压电薄膜传感器电极部分剖视图；

图3是局部极化压电薄膜不同极化阵列示意图，(a)为线性极化阵列，(b)为矩形极化阵列。图中：

1-压电薄膜；2-顶部电极；3-底部电极；4-辅助电极；5-柔性印刷电路；6-连接点；7-保护层。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1和图2所示，本发明提供的局部极化压电薄膜传感器，包括：压电薄膜1、顶部电极2、底部电极3、辅助电极4、柔性印刷电路5、连接点6以及保护层7。

压电薄膜1的材料为PZT/PVDF复合材料，为局部极化压电薄膜。压电薄膜1上布置有电极阵列，每个电极所在区域为一个压电薄膜1上具有压电性能的区域，压电薄膜1只在各电极处具有压电特性。PZT为锆钛酸铅，PVDF为聚偏氟乙烯。

每个电极由一对顶部电极2和底部电极3组成。顶部电极2为银薄膜，涂覆于压电薄膜1具有压电性能区域的上侧。底部电极3为银薄膜，涂覆于压电薄膜1具有压电性能区域的下侧。银薄膜的平均厚度为10μm。

辅助电极4的材料为导电胶，辅助电极4穿过局部极化压电薄膜1将底部电极3引至顶部。具体地，在局部极化压电薄膜1的各电极的边缘处钻孔，孔中填充导电胶，从而将底部电极3引至顶部，引至顶部的底部电极3称为辅助电极4。

柔性印刷电路5印于局部极化压电薄膜1的上侧，用于连接各电极，将各电极的顶部电极2和辅助电极4连接至连接点6。连接辅助电极4就相当于连接底部电极3。

接线点6采用焊盘的形式，位于柔性印刷电路5的终端，用于将柔性印刷电路5引出。

保护层7的材料为环氧树脂，涂于局部极化压电薄膜1的两侧，环氧树脂具有很好的弹性和绝缘性，保护电极不被破坏，防止外界噪音干扰。

本发明的压电薄膜为PZT/PVDF复合材料，选用流延法制备。选用PZT粉和PVDF粉，其中PZT颗粒粒径为3μm左右，PVDF颗粒粒径为5μm左右。首先，将PZT粉和PVDF粉按体积比1:1混合，溶于NMP（N-甲基吡咯烷酮）；其次，通过磁力搅拌器，在80℃下将混合物搅拌60min，得到均匀混合溶液；然后，将均匀混合溶液在真空静置30min，去除溶液中的气泡；最后，将溶液倒入流延皿，将流延皿调整水平后放入烘箱中，在120℃下烘干60min制得所需压电薄膜。压电薄膜的厚度为80～100μm。

通常压电薄膜的极化都是对其整个薄膜进行的，而本发明在压电薄膜上仅在各电极处具有压电性能。为了实现压电薄膜的局部极化，具体进行如下处理：

（1）对制备的PZT/PVDF压电薄膜进行单轴拉伸，以提高PVDF中β相的含量，选取拉伸温度为80℃，拉伸比为4，拉伸速率为100mm/min；

（2）选用油浴极化法对拉伸后的压电薄膜进行极化，先按照具体需求在压电薄膜上涂覆线性、矩形等电极阵列，再将涂覆电极阵列后的压电薄膜在硅油中加热到120℃，最后，在各电极处施加电场，电场强度为10kV/mm，持续极化40min，得到具有局部极化压电阵列的压电薄膜。如图3中，（a）所示为线性电极阵列，（b）所示为矩形电极阵列。电场仅施加在各局部电极处，而不是整个压电薄膜，如图3中两幅图中标记出的极化部位和未极化部位。

各电极通过在压电薄膜的正反两面涂覆银薄膜得到。银薄膜的平均厚度为10μm。

PZT/PVDF压电薄膜具有体积小、质量轻、柔性和加工性能好等优异性能，但是其厚度较小，抗剪切能力差，因此需要对PZT/PVDF压电薄膜进行封装来提高它的耐久性和稳定性。首先将压电薄膜切割成所需形状，如圆形、矩形等；然后在各电极边缘处钻孔，并用导电胶填充，将底部电极引至顶部，形成辅助电极，以便于在压电薄膜同侧连接各电极阵列。考虑到具体工程需求，电极阵列之间的连接通过柔性印刷电路的方式实现，电路终端通过焊盘引出。最后为避免电极破损，防止外界噪声干扰，需要在压电薄膜两侧涂覆保护层，环氧树脂具有很好的弹性和绝缘性，便于加工，因此本发明选用环氧树脂作为保护层，均匀涂抹于压电薄膜两侧，保护层在室温下固化而成。

本发明提供的传感器采用薄膜的形式，大大降低了压电传感器的重量，符合飞行器减重的要求。基于lamb波的结构健康监测技术需要布置压电阵列，利用本发明提供的传感器，就不需要手工粘贴大量压电片，只需将整块压电薄膜传感器贴附到基体结构上，且本发明提供的传感器通过印制线路连接压电阵列，不需布置大量导线，符合飞行器的要求，具有更高的可靠性。

Claims (3)

1.一种局部极化压电薄膜传感器，其特征在于，包括：压电薄膜、顶部电极、底部电极、辅助电极、柔性印刷电路、连接点以及保护层；压电薄膜为PZT/PVDF复合材料，其上布置有电极阵列，压电薄膜上仅在各电极处具有压电性能；每个电极都包括一对顶部电极和底部电极；顶部电极和底部电极都为银薄膜，分别贴附在压电薄膜的上侧和下侧；在压电薄膜的各电极的边缘处都设置有辅助电极；辅助电极的材料为导电胶，辅助电极穿过压电薄膜将底部电极引至顶部；柔性印刷电路印于压电薄膜的上侧，将每个电极的顶部电极和辅助电极引至连接点；接线点采用焊盘的形式，位于柔性印刷电路终端，用于将柔性印刷电路引出；在压电薄膜的两侧涂有保护层，保护层的材料为环氧树脂。

2.根据权利要求1所述的局部极化压电薄膜传感器，其特征在于，所述的压电薄膜的厚度为80～100μm。

3.根据权利要求1所述的局部极化压电薄膜传感器，其特征在于，所述的压电薄膜上仅在各电极处具有压电性能，具体实现方法是：

（1）对PZT/PVDF复合材料的压电薄膜进行单轴拉伸，以提高PVDF中β相的含量，选取拉伸温度为80℃，拉伸比为4，拉伸速率为100mm/min；

（2）在压电薄膜上涂覆电极阵列，将涂覆电极阵列后的压电薄膜在硅油中加热到120℃，在各电极处施加电场，电场强度为10kV/mm，持续极化40min。

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