CN108318586A - 一种结构加强的超声传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于结构健康监测结构加强的超声传感器，该传感器包括一个双面压电陶瓷元件和封装壳体。封装壳体，所述封装壳体的一侧向内凹陷，形成一块具有上部边缘的内凹部，所述内凹部中设置有支撑部，所述封装壳体的侧壁或底部设置有开口；所述双面压电陶瓷元件安装在内凹部中，并由支撑部支撑，所述双面压电陶瓷元件朝外的一面低于内凹部的上部边缘，多根导线连接双面压电陶瓷元件的电极，并通过开口延伸到所述封装壳体的外部。可以选的，结构加强的超声传感器还包括连接有多根导线的PCB板，PCB板安装在内凹部中，并由支撑部支撑；双面压电陶瓷元件安装于PCB板上，并与PCB板连接，双面压电陶瓷元件朝外的一面低于内凹部的上部边缘。

Description

一种结构加强的超声传感器
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种结构加强的超声传感器。
背景技术
压电传感器可以通过将机械应力转换成电荷来测量压力、力、加速度或应变，它也可以通过将电荷转换成机械波来产生声音。在结构健康监测(SHM)的应用中，压电传感器可用于生成和接收超声波波形以探测结构损伤。压电传感器的主要部件是一个双面压电陶瓷元件，压电陶瓷元件的一面永久地粘合到目标结构上以发送和接收超声波信号。用于结构健康监测的压电传感器通常较薄、较硬且非常脆弱。当传感器安装到目标结构上时，如果被测结构是导体，传感器电极极其容易和被测结构发生短路，这会降低传感器的性能。当多个传感器安装到是导体的目标结构上时，这些传感器可能会发生相互短路。因此，在将压电传感器结合到目标结构上时，要非常小心。一种方法是将压电传感器安装到柔性电路上，并采用环氧树脂将柔性电路与结构粘合在一起。相比将压电传感器裸露在外，这种方法能够为压电传感器提供更好的保护，但当柔性电路弯曲在压电圆盘区域上时，压电传感器仍可能在安装过程中受到损坏，也仍然很容易与目标结构发生电短路。安装这种柔性电路压电传感器还需要大量人力并使用入真空袋和气泵等特殊工具。安装完成后，即便在柔性电路的保护下，压电传感器仍然容易受到外部冲击和应变影响。因此，市场急需易于安装、耐外部冲击且操作性更强的机械强化压电传感器来应用于结构健康监测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于结构健康监测的结构加强的超声传感器，用以解决现有的压电传感器容易损坏和安装不便的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种结构加强的超声传感器，所述结构加强的超声传感器包括至少一个双面压电陶瓷元件，所述双面压电陶瓷元件连接有多根导线；所述结构加强的超声传感器还包括：
封装壳体，所述封装壳体的一侧向内凹陷，形成一块具有侧壁的内凹部，所述内凹部中设置有支撑部，所述封装壳体的侧壁或底部设置有开口；
所述双面压电陶瓷元件安装在内凹部中，并由支撑部支撑，所述双面压电陶瓷元件朝外的一面低于内凹部的上部边缘，多根导线通过开口延伸到所述封装壳体的外部。
优选地，所述结构加强的超声传感器还包括连接有多根导线的PCB板，所述PCB板安装在内凹部中，并由支撑部支撑；所述双面压电陶瓷元件安装于所述PCB板上，并与所述PCB板连接，所述双面压电陶瓷元件朝外的一面低于内凹部的上部边缘，多根导线通过开口延伸到所述封装壳体的外部。
优选地，所述封装壳体具有围绕所述开口的延伸臂管或保护层。
优选地，多根导线分别具有一个保护层。
优选地，所述双面压电陶瓷元件与所述封装壳体之间的间隙使用胶水、环氧树脂或防水材料密封。
优选地，多根导线与所述封装壳体之间的间隙使用胶水、环氧树脂或防水材料密封。
优选地，所述双面压电陶瓷元件的形状为圆形、环形、三角形、矩形或多边形。
优选地，所述封装壳体的形状为圆形、环形、三角形、矩形或多边形。
本发明具有如下优点：本发明的结构加强的超声传感器允许双面压电陶瓷元件与目标结构之间具有最大的接触面积，同时防止压电传感器和结构之间的短路。绝大部分的环境影响、张力和振动被封装壳体所吸收，从而保护了双面压电陶瓷元件。在将传感器安装到目标结构上时，可以对封装壳体施压，而不接触双面压电陶瓷元件。由于双面压电陶瓷元件朝外的一面比内凹部上部边缘稍低，封装壳体承受压力，保护双面压电陶瓷元件。此外，压电传感器电极与目标结构之间的间隙可以防止电短路。该间隙填充环氧树脂或胶水，从而允许压电传感器与目标结构之间的超声波传输。在安装过程中不需要使用如真空袋和气泵这样的特殊工具，从而极大简化了安装步骤。
附图说明
图1为本发明实施例1中结构加强的超声传感器分解状态下的结构示意图。
图2为本发明实施例1中结构加强的超声传感器的剖面结构示意图。
图3为本发明实施例2中结构加强的超声传感器分解状态下的结构示意图。
图4为本发明实施例2中结构加强的超声传感器的剖面结构示意图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
如图1所示，该结构加强的超声传感器包括一个双面压电陶瓷元件101和封装壳体104。
如图2所示，封装壳体104的一侧向内凹陷，形成一块具有侧壁105的内凹部，内凹部呈圆形，内凹部中设置有支撑部109，内凹部的侧壁105或底部设置有开口107，支撑部109呈非闭合的圆环形，缺口的位置与开口107的位置对应。封装壳体104的开口107允许导线103延伸到封装壳体104之外，当开口107位于封装壳体104的侧壁105时，开口107可以足够大并与内凹部的上部边缘106和下边缘处于相同水平，或者仅仅是穿过侧壁105的一个孔。封装壳体104具有多个围绕开口107的延伸臂管108，延伸臂管108可以与内凹部上部边缘106的高度持平或者低于内凹部上部边缘106的高度，延伸臂管108可将导线103保持在适当位置，从而保护导线103和双面压电陶瓷元件101免受外部推力或拉力。进一步的，可以通过添加可选的保护层，例如塑料管或热收缩管来进一步保护和/或稳定导线103。
封装壳体104可以用不同的材料制成以满足机械和环境的要求，封装壳体104的材料包括但不限于金属、塑料、陶瓷、复合材料、橡胶或上述材料的组合。封装壳体104的形状可以是圆形、三角形、矩形或其他形状。封装壳体104旨在提高强度，抵抗冲击，并简化安装过程。
双面压电陶瓷元件101连接有多根导线103，双面压电陶瓷元件101安装在内凹部中，并由支撑部109支撑，双面压电陶瓷元件101朝外的一面102与内凹部的上部边缘106持平或低于上部边缘106，多根导线103穿过开口107后通过可选的延伸臂管108延伸到封装壳体104的外部，双面压电陶瓷元件101的形状为圆形、环形、三角形、矩形或多边形，双面压电陶瓷元件101的形状与封装壳体104的形状相匹配。
双面压电陶瓷元件101与封装壳体104之间的间隙使用胶水、环氧树脂或防水材料密封，多根导线103与封装壳体104之间的间隙同样也使用胶水、环氧树脂或防水材料密封。目的在于增加额外强度，可以采用防水的材料为压电传感器防水。
这样的设计允许双面压电陶瓷元件101与目标结构之间具有更大的接触面积，同时防止压电传感器和结构之间的短路。绝大部分的环境影响、张力和振动被封装壳体104所吸收，从而保护了双面压电陶瓷元件101。在将传感器安装到目标结构上时，可以对封装壳体104施压，而不接触双面压电陶瓷元件101。由于双面压电陶瓷元件101的朝外的一面102比封装壳体104上部边缘106稍低，封装壳体104承受压力，保护双面压电陶瓷元件101。此外，压电传感器电极与目标结构之间的间隙填充环氧树脂或胶水，从而允许压电传感器与目标结构之间的超声波传输。在安装过程中不需要使用如真空袋和气泵这样的特殊工具，从而极大简化了安装步骤。
实施例2
如图3和4所示，与实施例1的不同之处在于，在本实施例中，该结构加强的超声传感器除了包括一个双面压电陶瓷元件201和封装壳体204外，还包括PCB板210。双面压电陶瓷元件201被焊接在PCB板210上，导线203被连接到PCB板上并且电连接到双面压电陶瓷元件201的电极。PCB板210安装在内凹部中，并由支撑部209支撑，支撑部209为PCB板210提供机械强度。双面压电陶瓷元件201朝外的一面202与内凹部的上部边缘206持平或低于上部边缘206。封装壳体204具有可选的延伸臂管208来保护导线203，延伸臂管208可以与内凹部上部边缘206的高度持平或者低于内凹部上部边缘206的高度。开口207位于内凹部的侧壁205上，PCB板210的导线203通过开口207从封装壳体204中延伸出来。
实施例3
本实施例中，有多个双面压电陶瓷元件201和/或PCB板210由单个封装壳体204进行保护。封装壳体204被设计为可支持多个双面压电陶瓷元件201和/或PCB板210，当然也可将多个双面压电陶瓷元件201安装到单块PCB板210上。当多个双面压电陶瓷元件201和/或PCB板210被单个封装壳体204保护时，每个双面压电陶瓷元件201和/或PCB板210的导线都具有从封装壳体204中单独出来的开口207。或者，多个双面压电陶瓷元件201和/或PCB板210的导线203由同一个开口207从封装壳体204中延伸出来。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之做一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种结构加强的超声传感器，所述结构加强的超声传感器包括至少一个双面压电陶瓷元件，所述双面压电陶瓷元件连接有多根导线；其特征在于，所述结构加强的超声传感器还包括：
封装壳体，所述封装壳体的一侧向内凹陷，形成一块具有侧壁的内凹部，所述内凹部中设置有支撑部，所述封装壳体的侧壁或底部设置有开口；
所述双面压电陶瓷元件安装在内凹部中，并由支撑部支撑，所述双面压电陶瓷元件朝外的一面低于内凹部的上部边缘，多根导线通过开口延伸到所述封装壳体的外部。
2.根据权利要求1所述的结构加强的超声传感器，其特征在于，所述结构加强的超声传感器还包括连接有多根导线的PCB板，所述PCB板安装在内凹部中，并由支撑部支撑；所述双面压电陶瓷元件安装于所述PCB板上，并与所述PCB板连接，所述双面压电陶瓷元件朝外的一面低于内凹部的上部边缘，多根导线通过开口延伸到所述封装壳体的外部。
3.根据权利要求1所述的结构加强的超声传感器，其特征在于，所述封装壳体具有围绕所述开口的延伸臂管或保护层。
4.根据权利要求3所述的结构加强的超声传感器，其特征在于，多根导线分别具有一个保护层。
5.根据权利要求1所述的结构加强的超声传感器，其特征在于，所述双面压电陶瓷元件与所述封装壳体之间的间隙使用胶水、环氧树脂或防水材料密封。
6.根据权利要求1所述的结构加强的超声传感器，其特征在于，多根导线与所述封装壳体之间的间隙使用胶水、环氧树脂或防水材料密封。
7.根据权利要求1所述的结构加强的超声传感器，其特征在于，所述双面压电陶瓷元件的形状为圆形、环形、三角形、矩形或多边形。
8.根据权利要求1所述的结构加强的超声传感器，其特征在于，所述封装壳体的形状为圆形、环形、三角形、矩形或多边形。
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