CN108802197A - 谐振频率可调的压电智能骨料 - Google Patents

谐振频率可调的压电智能骨料 Download PDF

Info

Publication number
CN108802197A
CN108802197A CN201810607401.1A CN201810607401A CN108802197A CN 108802197 A CN108802197 A CN 108802197A CN 201810607401 A CN201810607401 A CN 201810607401A CN 108802197 A CN108802197 A CN 108802197A
Authority
CN
China
Prior art keywords
bound edge
piezoelectric ceramic
ceramic piece
cathode
piezoelectric
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201810607401.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108802197B (zh
Inventor
周明乐
鲁光涛
李友荣
王涛
蒋黎明
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Wuhan University of Science and Technology WHUST
Original Assignee
Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wuhan University of Science and Engineering WUSE filed Critical Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Priority to CN201810607401.1A priority Critical patent/CN108802197B/zh
Publication of CN108802197A publication Critical patent/CN108802197A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108802197B publication Critical patent/CN108802197B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/04—Analysing solids
    • G01N29/12—Analysing solids by measuring frequency or resonance of acoustic waves
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0644—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element
    • B06B1/0651—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element of circular shape
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/023—Solids

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

本发明公开了谐振频率可调的压电智能骨料，包括压电陶瓷传感器；所述压电陶瓷传感器由压电陶瓷片串联或并联叠加构成；所述压电陶瓷片的边缘镀有两包边正极和两包边负极，两包边正极相对，且两包边负极相对；所述压电陶瓷片外表面上除两包边正极和两包边负极以外的所有区域均涂覆绝缘层，绝缘层厚度低于包边正极和包边负极。本发明结构简单灵活，通过改变压电陶瓷片的叠加数量、叠加方式、上盖厚度以及垫块厚度等，即可实现智能骨料谐振频率的可调可控，谐振频率调节方便，有效解决了传统智能骨料谐振频率固定不可调的问题。

Description

谐振频率可调的压电智能骨料
技术领域
本发明涉及结构健康监测领域，具体涉及一种谐振频率可调的压电智能骨料。
背景技术
目前，结构健康监测领域所使用的压电智能骨料的结构均为固定不变的，从而导致其谐振频率也是固定的。但结构损伤的敏感频率往往会随损伤类型和大小而发生变化，这就导致在实际的损伤识别过程中，往往需要采用具有不同中心频率的智能骨料，这极大地增大了损伤检测的成本和难度。
发明内容
本发明的目的是提供谐振频率可调的压电智能骨料。
本发明提供的谐振频率可调的压电智能骨料，包括压电陶瓷传感器；所述压电陶瓷传感器由偶数个压电陶瓷片串联叠加构成；所述压电陶瓷片的边缘镀有两包边正极和两包边负极，两包边正极相对，且两包边负极相对；所述压电陶瓷片外表面上除两包边正极和两包边负极以外的所有区域均涂覆绝缘层，绝缘层厚度低于包边正极和包边负极；
所述串联叠加即：相邻的压电陶瓷片中，下层压电陶瓷片的两包边负极与上层压电陶瓷片的两包边正极对应连接，但下层压电陶瓷片的两包正极并不与上层压电陶瓷片的两包边负极对应连接。
本发明提供的另一种谐振频率可调的压电智能骨料，包括压电陶瓷传感器，所述压电陶瓷传感器由若干压电陶瓷片并联叠加构成；所述压电陶瓷片的边缘镀有两包边正极和两包边负极，两包边正极相对，且两包边负极相对；所述压电陶瓷片外表面上除两包边正极和两包边负极以外的所有区域均涂覆绝缘层，绝缘层厚度低于包边正极和包边负极；所述并联叠加即：相邻的两压电陶瓷片的两包边正极和两包边负极分别对应连接。
进一步的，两包边正极的连线和两包边负极的连线的夹角为30度～60度。
进一步的，包边正极和包边负极均为镀锡电极层。
作为优选，绝缘层厚度比包边正极和包边负极厚度低0.03mm～0.05mm。
进一步的，上述压电智能骨料还包括外壳、垫块和上盖；所述压电陶瓷传感器设于外壳内，由外壳和上盖进行封装；所述垫块置于压电陶瓷传感器上，上盖位于垫块上并与外壳以可拆卸方式连接；压电陶瓷传感器中最上端压电陶瓷片的两包边正极和两包边负极通过同轴电缆引出至外壳外。
所述可拆卸方式，具体为：
外壳的侧壁顶端设有若干螺栓固定槽，上盖边缘与螺栓固定槽的对应处开设有螺栓孔，通过螺栓固定连接上盖和外壳。
作为优选，压电陶瓷传感器与外壳接触处设绝缘纸。
为便于控制预紧力，垫块和压电陶瓷传感器的总厚度应大于外壳内部空腔厚度。通过螺栓即可控制压电陶瓷传感器的预紧力大小。
本发明谐振频率可调的压电智能骨料，可通过增加或减少压电陶瓷片的叠加数量来调整谐振频率大小，叠加的压电陶瓷片数量越多，谐振频率越小。也可通过改变压电智能骨料整体厚度来调节其谐振频率，例如，可改变上盖或垫块的厚度，厚度越大，谐振频率越小。
和现有技术相比，本发明具有如下特点和有益效果：
(1)本发明结构简单灵活，通过改变压电陶瓷片的叠加数量、叠加方式、上盖厚度以及垫块厚度等，即可实现智能骨料谐振频率的可调可控，谐振频率调节方便，有效解决了传统智能骨料谐振频率固定不可调的问题。
(2)本发明压电智能骨料可作为超声波传感器，用来检测和接收超声波信号；也可作为超声波激发器，用于激发超声波信号。
附图说明
图1为本发明压电智能骨料的一种具体结构示意图；
图2为实施例中压电陶瓷片的结构示意图；
图3为双片压电陶瓷片的串联叠加示意图；
图4为双片压电陶瓷片的并联叠加示意图；
图5为实施例中压电智能骨料谐振频率随压电陶瓷片数量变化的曲线。
图中：
100-外壳，110-螺栓固定槽；
200-压电陶瓷传感器，210-压电陶瓷片，211-包边正极，212-包边负极；
300-垫块；
400-上盖,；
500-螺栓；
600-同轴电缆。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明和/或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
实施例
本实施例压电智能骨料的结构见图1，包括外壳100、压电陶瓷传感器200、垫块300和上盖400；压电陶瓷传感器200置于外壳100内，垫块300位于压电陶瓷传感器200上表面，上盖400位于垫块300上并与外壳100以可拆卸方式连接，上盖400和外壳100共同对压电陶瓷传感器200进行封装。本实施例中，上盖400和外壳100的可拆卸连接方式为：外壳100的侧壁顶端设有若干螺栓固定槽110，上盖400边缘与螺栓固定槽110的对应处开设有螺栓孔，通过螺栓500即可固定连接上盖400和外壳100。当压电陶瓷传感器200置于外壳100内时，可通过调节螺栓500来控制对压电陶瓷传感器200的预紧力大小。为避免触电风险，一种优选方案为，在压电陶瓷传感器200与外壳100接触处设绝缘纸。当外壳100不为绝缘外壳时，绝缘纸则是必须的。
压电陶瓷传感器200由若干压电陶瓷片210叠加构成，见图2，各压电陶瓷片210的边缘镀有两包边正极211和两包边负极212，压电陶瓷片210外表面上除两包边正极211和两包边负极212以外的所有区域均涂覆绝缘层，绝缘层厚度比包边正极211和包边负极212厚度低0.03mm～0.05mm。为避免包边正极211和包边负极212接触引起短路，两包边正极211的连线和两包边负极212的连线的夹角优选为30度～60度。本发明中，包边电极指电极层包覆了压电陶瓷片的上表面边缘、侧面及下表面边缘，侧面的电极层连接上表面边缘和下表面边缘的电极层。
压电陶瓷传感器200由若干压电陶瓷片210串联或并联叠加构成，其中，最上端压电陶瓷片210的两包边正极211和两包边负极212通过同轴电缆600引出至外壳100外。所述串联叠加见图3，即：相邻的两压电陶瓷片中，下层压电陶瓷片的两包边负极与上层压电陶瓷片的两包边正极对应连接，但下层压电陶瓷片的两包正极并不与上层压电陶瓷片的两包边负极对应连接。所述并联叠加见图4，即：相邻的两压电陶瓷片中，一压电陶瓷片的两包边正极和另一压电陶瓷片的两包边正极对应连接；一压电陶瓷片的两包边负极和另一压电陶瓷片的两包边负极对应连接。本发明中，所叠加的压电陶瓷片210的数量可以根据需要调整，但并联叠加中压电陶瓷片的数量应为偶数。
本实施例中，外壳100为圆筒形，其外径25mm，壁厚3mm，高10mm；压电陶瓷片直径12mm，厚0.5mm，材质PZT5-H压电陶瓷；两包边正极和两包边负极均为厚度0.05mm～0.1mm的镀锡电极层，包边正极211和包边负极212位于压电陶瓷片上表面和下表面边缘的电极层均为长2mm～5mm、宽2mm～5mm的镀锡电极层。
压电陶瓷传感器中，压电陶瓷片数量的变化会导致压电陶瓷传感器谐振频率的变化。见图5，所示为由2片、4片、6片、8片、10片压电陶瓷片串联叠加的压电陶瓷传感器的谐振频率曲线。从图中可以看出，片数逐渐增大，压电陶瓷传感器的谐振频率不断减小。因此，可通过改变压电陶瓷片数量，来达到调节压电陶瓷传感器谐振频率的目的。根据压电弹性理论，当压电陶瓷传感器按照一频率震动时，整个压电智能骨料结构的厚度会影响谐振频率大小。因此，除改变压电陶瓷片数量外，还也可通过改变上盖或垫块的厚度来调节压电陶瓷传感器谐振频率。
参见图1，当需要调节压电陶瓷传感器谐振频率时，卸下螺栓500，拆开上盖400，按照需要选择压电陶瓷片的数量和叠加方式(串联叠加或并联叠加)，将压电陶瓷片210叠加构成压电陶瓷传感器200后放入外壳100内，采用同轴电缆600连接最上端压电陶瓷片的包边正极211和包边负极212，更具体的，同轴电缆600中的正极连接包边正极211，同轴电缆600中的负极连接包边负极212。在压电陶瓷传感器200顶端放上垫块300，垫块300和压电陶瓷传感器200的总厚度应略大于外壳100内部空腔厚度，这样，在拧紧螺栓500后，可对压电陶瓷传感器200产生一定的预紧力。通过对压电陶瓷传感器200施加不同频率的交流电，即可激发位移，或者通过对压电陶瓷传感器200施加压力，即可输出电压。
上述实施例所述是用以具体说明本发明，文中虽通过特定的术语进行说明，但不能以此限定本发明的保护范围，熟悉此技术领域的人士可在了解本发明的精神与原则后对其进行变更或修改而达到等效目的，而此等效变更和修改，皆应涵盖于权利要求范围所界定范畴内。

Claims (9)

1.谐振频率可调的压电智能骨料，包括压电陶瓷传感器，其特征是：
所述压电陶瓷传感器由偶数个压电陶瓷片串联叠加构成；
所述压电陶瓷片的边缘镀有两包边正极和两包边负极，两包边正极相对，且两包边负极相对；
所述压电陶瓷片外表面上除两包边正极和两包边负极以外的所有区域均涂覆绝缘层，绝缘层厚度低于包边正极和包边负极；
所述串联叠加即：相邻的压电陶瓷片中，下层压电陶瓷片的两包边负极与上层压电陶瓷片的两包边正极对应连接，但下层压电陶瓷片的两包正极并不与上层压电陶瓷片的两包边负极对应连接。
2.谐振频率可调的压电智能骨料，包括压电陶瓷传感器，其特征是：
所述压电陶瓷传感器由若干压电陶瓷片并联叠加构成；
所述压电陶瓷片的边缘镀有两包边正极和两包边负极，两包边正极相对，且两包边负极相对；
所述压电陶瓷片外表面上除两包边正极和两包边负极以外的所有区域均涂覆绝缘层，绝缘层厚度低于包边正极和包边负极；
所述并联叠加即：相邻的两压电陶瓷片的两包边正极和两包边负极分别对应连接。
3.如权利要求1或2所述的谐振频率可调的压电智能骨料，其特征是：
两包边正极的连线和两包边负极的连线的夹角为30度～60度。
4.如权利要求1或2所述的谐振频率可调的压电智能骨料，其特征是：
包边正极和包边负极均为镀锡电极层。
5.如权利要求1或2所述的谐振频率可调的压电智能骨料，其特征是：
所述绝缘层厚度比包边正极和包边负极厚度低0.03mm～0.05mm。
6.如权利要求1或2所述的谐振频率可调的压电智能骨料，其特征是：
还包括外壳、垫块和上盖；
所述压电陶瓷传感器设于外壳内，由外壳和上盖进行封装；
所述垫块置于压电陶瓷传感器上，上盖位于垫块上并与外壳以可拆卸方式连接；
压电陶瓷传感器中最上端压电陶瓷片的两包边正极和两包边负极通过同轴电缆引出至外壳外。
7.如权利要求6所述的谐振频率可调的压电智能骨料，其特征是：
所述可拆卸方式，具体为：
外壳的侧壁顶端设有若干螺栓固定槽，上盖边缘与螺栓固定槽的对应处开设有螺栓孔，通过螺栓固定连接上盖和外壳。
8.如权利要求6所述的谐振频率可调的压电智能骨料，其特征是：
压电陶瓷传感器与外壳接触处设绝缘纸。
9.如权利要求6所述的谐振频率可调的压电智能骨料，其特征是：
垫块和压电陶瓷传感器的总厚度大于外壳内部空腔厚度。
CN201810607401.1A 2018-06-13 2018-06-13 谐振频率可调的压电智能骨料 Active CN108802197B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810607401.1A CN108802197B (zh) 2018-06-13 2018-06-13 谐振频率可调的压电智能骨料

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810607401.1A CN108802197B (zh) 2018-06-13 2018-06-13 谐振频率可调的压电智能骨料

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108802197A true CN108802197A (zh) 2018-11-13
CN108802197B CN108802197B (zh) 2021-02-02

Family

ID=64087039

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810607401.1A Active CN108802197B (zh) 2018-06-13 2018-06-13 谐振频率可调的压电智能骨料

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108802197B (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110721890A (zh) * 2019-10-25 2020-01-24 海鹰企业集团有限责任公司 一种轻薄型中高频宽带换能基元
CN112834730A (zh) * 2021-01-04 2021-05-25 武汉科技大学 一种压电智能骨料传感器封装结构
CN113686972A (zh) * 2021-09-06 2021-11-23 中北大学 一种检测黏弹性固体的超声叠片换能器
WO2024187579A1 (zh) * 2023-03-10 2024-09-19 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 体声波谐振器及其制备方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62290187A (ja) * 1986-06-07 1987-12-17 Tohoku Metal Ind Ltd 円筒状圧電アクチユエ−タ及びその製造方法
CN101364632A (zh) * 2008-07-08 2009-02-11 深圳先进技术研究院 一种压电元件及其制造方法
US20090039735A1 (en) * 2004-12-21 2009-02-12 Canon Kabushiki Kaisha Electro-mechanical energy converter and vibration wave driving
DE102012105647A1 (de) * 2012-06-27 2014-01-02 Pro-Micron Gmbh & Co. Kg Aus einer Spule und einem daran angeschlossenen Piezoelement kombiniertes elektrisches Element
JP5604250B2 (ja) * 2010-09-30 2014-10-08 太平洋セメント株式会社 圧電素子
CN104538547A (zh) * 2014-12-30 2015-04-22 西安工业大学 压电陶瓷传感器振子
CN205570745U (zh) * 2016-05-01 2016-09-14 昆明耐维科技有限公司 一种用于超声波实时断轨监测系统的压电换能器

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62290187A (ja) * 1986-06-07 1987-12-17 Tohoku Metal Ind Ltd 円筒状圧電アクチユエ−タ及びその製造方法
US20090039735A1 (en) * 2004-12-21 2009-02-12 Canon Kabushiki Kaisha Electro-mechanical energy converter and vibration wave driving
CN101364632A (zh) * 2008-07-08 2009-02-11 深圳先进技术研究院 一种压电元件及其制造方法
JP5604250B2 (ja) * 2010-09-30 2014-10-08 太平洋セメント株式会社 圧電素子
DE102012105647A1 (de) * 2012-06-27 2014-01-02 Pro-Micron Gmbh & Co. Kg Aus einer Spule und einem daran angeschlossenen Piezoelement kombiniertes elektrisches Element
CN104538547A (zh) * 2014-12-30 2015-04-22 西安工业大学 压电陶瓷传感器振子
CN205570745U (zh) * 2016-05-01 2016-09-14 昆明耐维科技有限公司 一种用于超声波实时断轨监测系统的压电换能器

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110721890A (zh) * 2019-10-25 2020-01-24 海鹰企业集团有限责任公司 一种轻薄型中高频宽带换能基元
CN112834730A (zh) * 2021-01-04 2021-05-25 武汉科技大学 一种压电智能骨料传感器封装结构
CN113686972A (zh) * 2021-09-06 2021-11-23 中北大学 一种检测黏弹性固体的超声叠片换能器
CN113686972B (zh) * 2021-09-06 2024-10-18 中北大学 一种检测黏弹性固体的超声叠片换能器
WO2024187579A1 (zh) * 2023-03-10 2024-09-19 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 体声波谐振器及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN108802197B (zh) 2021-02-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108802197A (zh) 谐振频率可调的压电智能骨料
US9119003B2 (en) Sound generator and sound-generating apparatus
CN110052391B (zh) 双谐振模式耦合的微机械压电超声波换能器
EP2854192B1 (en) Piezoelectric actuator, piezoelectric vibration device, and mobile terminal
CN107221316A (zh) 一种低频宽带Helmholtz水声换能器
CN102959989B (zh) 超声波产生装置
CN103107739A (zh) 基于mems的动磁铁型电磁-压电复合式宽频俘能器
CN108337617A (zh) 压电式麦克风
CN209390029U (zh) 一种全方位宽频带柔性介电弹性叉指换能器
CN112452694A (zh) 多频压电式微型超声换能器单元、阵列和方法
CN110036268A (zh) 用于测量力的测量传感器
CN219391183U (zh) 一种基于压电陶瓷片的旋拧式智能传感器
KR20120027915A (ko) 압전 소자 및 이를 이용한 압전 스피커
CN110036267A (zh) 同时测量既可以是动态的也可以是静态的力的测量传感器
EP3323157A1 (en) Vibration-based energy harvester with strain optimised topology
CN104622512A (zh) 椭圆膜单元结构电容式微超声传感器环形阵列及电路系统
CN109714018B (zh) 一种全方位宽频带柔性介电弹性叉指换能器及制作方法
EP3418706B1 (en) Pressure sensor
CN112845002B (zh) Mems宽频带超声波换能器阵列
CN103023454A (zh) 采用压电材料制备的阵列结构微机电谐振器
CN108311361A (zh) 具有特定模态振型的微机电压电超声波换能器
CN110987159B (zh) 声压传感器
CN109984771B (zh) 一种超声换能器探头及超声成像仪
CN1941447A (zh) 新型高频空气超声换能器
JP2947991B2 (ja) 超音波センサ

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant