CN108982668A - 传播方向可选、谐振频率可调的压电智能骨料 - Google Patents

Abstract

本发明公开的传播方向可选、谐振频率可调的压电智能骨料，主要包括外壳主体、压电陶瓷传感器、上盖和下盖；外壳主体为长方形筒体，四侧壁均设有竖向贯通的第一固定槽；上盖和下盖分别设有水平贯通的第二固定槽和第三固定槽；第一固定槽、第二固定槽、第三固定槽中至少一固定槽内填充压电陶瓷传感器；当有多个固定槽内填充压电陶瓷传感器时，各固定槽内的压电陶瓷传感器由数量相同或不同的压电陶瓷单元并联叠加构成。本发明压电智能骨料，可通过在不同面布置压电陶瓷传感器，来选择信号传播方向；通过调节构成压电陶瓷传感器的压电陶瓷单元数量，来调控谐振频率。

Description

传播方向可选、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，具体涉及一种传播方向可选、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，且传播方向均为单向，在一个大型立体结构中往往需要在其内部布置方向不同的传感器才能对结构进行检测，大量且过多的布置传感器会极大的增加其监控成本与监测精度。

而对于传感器的谐振频率频率特性来说，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，这也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传播方向可选、谐振频率可调的压电智能骨料。

本发明提供的传播方向可选、谐振频率可调的压电智能骨料，主要包括外壳主体100、压电陶瓷传感器200、上盖300和下盖400；

外壳主体100为长方形筒体，四侧壁均设有竖向贯通的第一固定槽110；

上盖300和下盖400分别设有水平贯通的第二固定槽310和第三固定槽410；

上盖300和下盖400以可拆卸方式分别固定于外壳主体100的两开口端；

第一固定槽110、第二固定槽310、第三固定槽410中至少一固定槽内填充压电陶瓷传感器200；当有多个固定槽内填充压电陶瓷传感器200时，各固定槽内的压电陶瓷传感器200由数量相同或不同的压电陶瓷单元210并联叠加构成；

压电陶瓷传感器200的包边正极212和包边负极213分别通过金属弹片引至外壳主体100的内部空腔，并与电导线连接。

进一步的，上盖300和下盖400以可拆卸方式分别固定于外壳主体100的两开口端，具体为：

上盖300、下盖400以及外壳主体100侧壁的四角设螺孔140，螺杆120依次穿过上盖300、外壳主体100侧壁、下盖400上的螺孔140，经螺母130固定。

进一步的，当第一固定槽110内填充有压电陶瓷传感器200时，在填充有压电陶瓷传感器200的第一固定槽110内并排竖直放置两U型导电弹片600，两U型导电弹片600分别电接触压电陶瓷传感器200的包边正极212和包边负极213，分别记为正极导电弹片和负极导电弹片；U型导电弹片600的第一弹片框610a放置于第一固定槽110内并紧贴第一固定槽110内侧，U型导电弹片600的第二弹片框610b沿外壳主体100内侧壁迂回插入外壳主体100的内部空腔内；

当第二固定槽310和第三固定槽410内填充有压电陶瓷传感器200时，在填充有压电陶瓷传感器200的第二固定槽310和第三固定槽410内并排水平放置两L型导电弹片500，两L型导电弹片500分别电接触压电陶瓷传感器200的包边正极212和包边负极213，分别记为正极导电弹片和负极导电弹片；L型导电弹片500的第一弹片框510a放置于第二固定槽310和第三固定槽410内，第二弹片框510b沿外壳主体100内侧壁迂回插入外壳主体100的内部空腔内。

进一步的，正极导电弹片和负极导电弹片通过导线分别连接同轴电缆的正负极，或者直接在外壳主体100的内部空腔内安设无线收发设备。

进一步的，在填充压有压电陶瓷传感器200的固定槽内填充垫块，垫块位于压电陶瓷传感器200未接触金属弹片的一侧，以使压电陶瓷传感器200固定于固定槽内。

进一步的，上盖300、下盖400与外壳主体100的接触面设绝缘纸。

进一步的，上述压电陶瓷传感器为压电陶瓷单元210，或由2～5个压电陶瓷单元210按包边正极212对应包边正极212、包边负极213对应包边负极213方式并联叠加构成。

上述压电陶瓷单元，包括压电陶瓷单片211、包边正极212、包边负极213、第一导电层214、第二导电层215、第一绝缘层216、第二绝缘层217和第三绝缘层218，压电陶瓷单片211的两表面分别记为正极表面211a和负极表面211b；

包边正极212和包边负极213尺寸一致，均由上电极层、侧电极层和下电极层构成；包边正极212和包边负极213分别覆盖压电陶瓷单片211的半侧区域，但包边正极212和包边负极213的端头不接触；

包边正极212的上电极层直接接触正极表面211a，但其下电极层与负极表面211b之间隔有第一绝缘层216；包边正极212上电极层的外表面涂覆第一导电层214；

包边负极213的下电极层直接接触负极表面211b，但其上电极层与正极表面211a之间隔有第二绝缘层217；直接接触负极表面211b的包边负极213，其外表面涂覆第二导电层215；

包边正极212和包边负极213端头间的间隙内填充涂覆第三绝缘层218。

进一步的，压电陶瓷单片211同一面的所有涂覆层总厚度一致。

进一步的，第一导电层214、第二导电层215、第一绝缘层216、第二绝缘层217、包边正极212的上电极层、下电极层、以及包边负极213的上电极层、下电极层的厚度均相同，第三绝缘层218与其两侧的所有涂覆层等高。

本发明传播方向可选、谐振频率可调的压电智能骨料，根据实际需求，在外壳主体的6面中选择至少一面布置压电陶瓷传感器。通过在不同面布置压电陶瓷传感器，来选择信号传播方向；通过调节构成压电陶瓷传感器的压电陶瓷单元数量，来调控谐振频率。压电陶瓷传感器的信号可通过有线方式引出，例如，通过同轴电缆引出；也可通过无线收发方式引出，例如，在外壳主体内部空腔安设无线收发设备，通过远程主机控制无线收发设备进行信号收发。

和现有技术相比，本发明具有如下特点和有益效果：

(1)本发明适用于各种三维结构，在需大量布置传感器的基础上，通过提供各面信号可传播的方式来有效减少传感器的布置数量来减小监测成本以及增加监测精度。

(2)本发明结构简单灵活，通过改变压电陶瓷片的叠加数量即可实现智能骨料谐振频率的可调可控，且面与面之间相互独立，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。

(3)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为实施例中压电智能骨料的结构示意图；

图2为实施例中压电智能骨料的结构爆炸图；

图3为实施例中压电陶瓷单片的结构示意图；

图4为实施例中两片压电陶瓷单片的并联叠加示意图；

图5为实施例中L型导电弹片和U型导电弹片的结构示意图，其中，图(a)为L型导电弹片，图(b)为U型导电弹片；

图6为实施例中压电智能骨料的外壳主体的俯视图

图7为实施例中压电陶瓷传感器谐振频率随压电陶瓷单元数量变化的曲线；

图8为实施例中压电智能骨料的应用示意图。

图中：

100-外壳主体，110-第一固定槽，120-螺杆，130-螺母，140-螺孔；

200-压电陶瓷传感器；210-压电陶瓷单元，210a-第一压电陶瓷单元，210b-第二压电陶瓷单元；211-压电陶瓷单片，211a-正极表面，211b-负极表面；212-包边正极；213-包边负极；214-第一导电层；215-第二导电层；216-第一绝缘层；217-第二绝缘层；218-第三绝缘层；

300-上盖，310-第二固定槽；

400-下盖，410-第三固定槽；

500-L型导电弹片，510a-第一弹片框，510b-第二弹片框，520a-第一弹片，520b-第二弹片；

600-U型导电弹片，610a-第一弹片框，610b-第二弹片框，620a-第一弹片，620b-第二弹片。

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1～2及图6所示，主要包括外壳主体100、压电陶瓷传感器200、上盖300、下盖400、L型导电弹片500、U型导电弹片600和垫块。外壳主体100为长方形筒体，四侧壁均设有竖向贯通的、且与压电陶瓷传感器200匹配的第一固定槽110。本实施例中，外壳主体100为边长26mm的正方体，内部空腔长16mm、宽16mm、高26mm，第一固定槽110a长16mm、宽3mm、高26mm。

上盖300上设有水平贯通的、且与压电陶瓷传感器200匹配的第二固定槽310，同样的，下盖400上也设有水平贯通的、且与压电陶瓷传感器200匹配的第三固定槽410。根据实际需要，在第一固定槽110、第二固定槽310、第三固定槽410内填充压电陶瓷传感器200和/或垫块。上盖300和下盖400以可拆卸方式分别固定于外壳主体100的两开口端。本实施例中，上盖300、下盖400以及外壳主体100侧壁上设有对应的螺孔140，更具体的，在上盖300、下盖400以及外壳主体100侧壁的四角设螺孔140。螺杆120依次穿过上盖300、外壳主体100侧壁、下盖400上的螺孔140，经螺母130固定。为避免触电风险，一种优选方案为，在上盖300、下盖400与外壳主体100的接触面设绝缘纸。

压电陶瓷传感器200由压电陶瓷单元210并联叠加构成。本实施例中，压电陶瓷单元210的结构参见图3，其呈矩形，包括压电陶瓷单片211、包边正极212、包边负极213、第一导电层214、第二导电层215、第一绝缘层216、第二绝缘层217和第三绝缘层218，压电陶瓷单片211的两表面分别记为正极表面211a和负极表面211b。包边正极212和包边负极213尺寸一致，分别覆盖压电陶瓷单片211的半侧区域，但包边正极212和包边负极213的端头不接触。换言之，包边正极212和包边负极213均由三面电极层构成，即由上电极层、侧电极层和下电极层构成，上电极层和下电极层尺寸一致。上电极层覆盖压电陶瓷单片211上表面的半侧区域，下电极层覆盖压电陶瓷单片211下表面的半侧区域。

包边正极212直接接触正极表面211a，但与负极表面211b之间隔有第一绝缘层216，第一绝缘层216用来避免包边正极212和负极表面211b接触。直接接触正极表面211a的包边正极212，其外表面涂覆第一导电层214。包边负极213直接接触负极表面211b，但与正极表面211a之间隔有第二绝缘层217，第二绝缘层217用来避免包边负极213和正极表面211a接触。直接接触负极表面211b的包边负极213，其外表面涂覆第二导电层215。包边正极212和包边负极213端头间的间隙内填充涂覆第三绝缘层218，第三绝缘层218用来避免包边正极212和包边负极213接触。

本实施例中，第一导电层214、第二导电层215、第一绝缘层216、第二绝缘层217、包边正极212的上电极层、下电极层、以及包边负极213的上电极层、下电极层的厚度均相同，压电陶瓷单元210的总厚度为0.03mm～0.05mm；包边正极212和包边负极213端头间隔0.80mm～1.00mm；第三绝缘层218与其两侧的所有涂覆层等高。

一般，可将1～5片压电陶瓷单元210并联叠加构成压电陶瓷传感器200。图4所示为两片压电陶瓷单元210的并联叠加示意图。将两片压电陶瓷单元210分别记为第一压电陶瓷单元210a和第二压电陶瓷单元210b，第一压电陶瓷单元210a和第二压电陶瓷单元210b叠加，第二压电陶瓷单元210b上的第一导电层214接触第一压电陶瓷单元210a的包边正极212，第一压电陶瓷单元210a上的第二导电层215接触第二压电陶瓷单元210b的包边负极213。

图5所示为本实施例所采用的L型导电弹片500和U型导电弹片600，见图5(a)，所示L型导电弹片500包括一端头相连的第一弹片框510a和第二弹片框510b、以及第一弹片框510a和第二弹片框510b上分别所设的第一弹片520a、第二弹片520b，第一弹片框510a和第二弹片框510b构成L型。见图5(b)，所示U型导电弹片同样包括一端头相连的第一弹片框610a和第二弹片框610b、以及第一弹片框610a和第二弹片框610b上分别所设的第一弹片620a、第二弹片620b，第一弹片框610a和第二弹片框610b构成U型。本实施例中，L型导电弹片500和U型导电弹片600均采用铜质弹片。

第二固定槽310和第三固定槽410内均并排放置两L型导电弹片500，具体来说，L型导电弹片500的第一弹片框510a放置于第二固定槽310和第三固定槽410内，第二弹片框510b沿外壳主体100内侧壁迂回插入外壳主体100的空腔内。再具体来说，置于上盖300的第二固定槽310内的L型导电弹片500，其第一弹片框510a置于第二固定槽310底壁，其第二弹片框510b沿外壳主体100内侧壁向下迂回插入外壳主体100的空腔内；置于下盖400的第三固定槽410内的L型导电弹片500，其第一弹片框510a置第三固定槽410顶壁，其第二弹片框510b沿外壳主体100内侧壁向上迂回插入外壳主体100的空腔内。L型导电弹片500用来对上盖300和下盖400的内壁形成预紧力。

第二固定槽310和第三固定槽410内所放置的L型导电弹片500也可采用U型导电弹片600替换。具体的，U型导电弹片600的第一弹片框610a放置于第二固定槽310和第三固定槽410内，第二弹片框610b贴紧第二固定槽310和第三固定槽410外侧壁。

外壳主体100的各第一固定槽110内均并排放置两U型导电弹片600，具体来说，U型导电弹片600的第一弹片框610a放置于第一固定槽110内并紧贴第一固定槽110内侧，第二弹片框610b沿外壳主体100内侧壁迂回插入外壳主体100的空腔内。U型导电弹片600用来给第一固定槽110的内壁形成预紧力。

L型导电弹片500和U型导电弹片600除了提供预紧力外，还起到导电引线作用。L型导电弹片500和U型导电弹片600均是第一弹片框510a连接压电陶瓷传感器200的正极或负极，第二弹片框610b迂回插入外壳主体100空腔内，将第二弹片框610b通过导线连接同轴电缆的正极或负极，从而将压电陶瓷传感器200的正极、负极引出。本发明中，第一导电层214和第二导电层215分别是压电陶瓷传感器200的正极和负极。

本发明压电陶瓷传感器200，改变压电陶瓷传感器200中压电陶瓷单元210的数量，会导致压电陶瓷传感器200谐振频率的变化。见图7，所示为由1片、2片、3片、4片、5片压电陶瓷单元210并联叠加的压电陶瓷传感器200的谐振频率曲线。从图中可以看出，压电陶瓷单元210数量逐渐增大，压电陶瓷传感器200的谐振频率不断减小。因此，可通过改变压电陶瓷单元210数量，来达到调节压电陶瓷传感器200谐振频率的目的。又根据压电弹性理论，当压电陶瓷传感器200按照一频率震动时，整个压电智能骨料的厚度会影响谐振频率大小。当需要调节某一面压电陶瓷传感器200的谐振频率，只需卸下螺母130与螺杆120，拆下L型导电弹片500或U型导电弹片600，更换压电陶瓷单元210数量和垫块数量，重新安装压电智能骨料。

具体应用本发明压电智能骨料时，应根据被测对象的结构选取所需数。见图8，使用了4个压电智能骨料，分别记为智能骨料激发器1、智能骨料传感器2、智能骨料传感器3、智能骨料传感器4，图中箭头表示信号传播方向。智能骨料激发器1需要同时对智能骨料传感器2、3、4传输信号，故智能骨料激发器1需安装3面压电陶瓷传感器200即可，另外3面可不予安装；而智能骨料传感器2、3、4仅需安装1面压电陶瓷传感器200即可，另外5面可不予安装。

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 (10)

1.一种压电陶瓷单元，其特征是：

包括压电陶瓷单片(211)、包边正极(212)、包边负极(213)、第一导电层(214)、第二导电层(215)、第一绝缘层(216)、第二绝缘层(217)和第三绝缘层(218)，压电陶瓷单片(211)的两表面分别记为正极表面(211a)和负极表面(211b)；

包边正极(212)和包边负极(213)尺寸一致，均由上电极层、侧电极层和下电极层构成；包边正极(212)和包边负极(213)分别覆盖压电陶瓷单片(211)的半侧区域，但包边正极(212)和包边负极(213)的端头不接触；

包边正极(212)的上电极层直接接触正极表面(211a)，但其下电极层与负极表面(211b)之间隔有第一绝缘层(216)；包边正极(212)上电极层的外表面涂覆第一导电层(214)；

包边负极(213)的下电极层直接接触负极表面(211b)，但其上电极层与正极表面(211a)之间隔有第二绝缘层(217)；直接接触负极表面(211b)的包边负极(213)，其外表面涂覆第二导电层(215)；

包边正极(212)和包边负极(213)端头间的间隙内填充涂覆第三绝缘层(218)。

2.如权利要求1所述的压电陶瓷单元，其特征是：

所述压电陶瓷单片(211)同一面的所有涂覆层总厚度一致。

3.如权利要求1所述的压电陶瓷单元，其特征是：

第一导电层(214)、第二导电层(215)、第一绝缘层(216)、第二绝缘层(217)、包边正极(212)的上电极层、下电极层、以及包边负极(213)的上电极层、下电极层的厚度均相同，第三绝缘层(218)与其两侧的所有涂覆层等高。

4.一种压电陶瓷传感器，其特征是：

所述压电陶瓷传感器为权利要求1～3中任一项所述的压电陶瓷单元(210)，或由2～5个权利要求1～3中任一项所述的压电陶瓷单元(210)按包边正极(212)对应包边正极(212)、包边负极(213)对应包边负极(213)方式并联叠加构成。

5.传播方向可选、谐振频率可调的压电智能骨料，其特征是：

主要包括外壳主体(100)、权利要求4所述的压电陶瓷传感器(200)、上盖(300)和下盖(400)；

外壳主体(100)为长方形筒体，四侧壁均设有竖向贯通的第一固定槽(110)；

上盖(300)和下盖(400)分别设有水平贯通的第二固定槽(310)和第三固定槽(410)；

上盖(300)和下盖(400)以可拆卸方式分别固定于外壳主体(100)的两开口端；

第一固定槽(110)、第二固定槽(310)、第三固定槽(410)中至少一固定槽内填充压电陶瓷传感器(200)；当有多个固定槽内填充压电陶瓷传感器(200)时，各固定槽内的压电陶瓷传感器(200)由数量相同或不同的压电陶瓷单元(210)并联叠加构成；

压电陶瓷传感器(200)的包边正极(212)和包边负极(213)分别通过金属弹片引至外壳主体(100)的内部空腔，并与电导线连接。

6.如权利要求5所述的压电智能骨料，其特征是：

所述上盖(300)和下盖(400)以可拆卸方式分别固定于外壳主体(100)的两开口端，具体为：

上盖(300)、下盖(400)以及外壳主体(100)侧壁的四角设螺孔(140)，螺杆(120)依次穿过上盖(300)、外壳主体(100)侧壁、下盖(400)上的螺孔140，经螺母(130)固定。

7.如权利要求5所述的压电智能骨料，其特征是：

当第一固定槽(110)内填充有压电陶瓷传感器(200)时，在填充有压电陶瓷传感器(200)的第一固定槽(110)内并排竖直放置两U型导电弹片(600)，两U型导电弹片(600)分别电接触压电陶瓷传感器(200)的包边正极(212)和包边负极(213)，分别记为正极导电弹片和负极导电弹片；U型导电弹片(600)的第一弹片框(610a)放置于第一固定槽(110)内并紧贴第一固定槽(110)内侧，U型导电弹片(600)的第二弹片框(610b)沿外壳主体(100)内侧壁迂回插入外壳主体(100)的内部空腔内；

当第二固定槽(310)和第三固定槽(410)内填充有压电陶瓷传感器(200)时，在填充有压电陶瓷传感器(200)的第二固定槽(310)和第三固定槽(410)内并排水平放置两L型导电弹片(500)，两L型导电弹片(500)分别电接触压电陶瓷传感器(200)的包边正极(212)和包边负极(213)，分别记为正极导电弹片和负极导电弹片；L型导电弹片(500)的第一弹片框(510a)放置于第二固定槽(310)和第三固定槽(410)内，第二弹片框(510b)沿外壳主体(100)内侧壁迂回插入外壳主体(100)的内部空腔内。

8.如权利要求7所述的压电智能骨料，其特征是：

正极导电弹片和负极导电弹片通过导线分别连接同轴电缆的正负极，或者直接在外壳主体(100)的内部空腔内安设无线收发设备。

9.如权利要求5所述的压电智能骨料，其特征是：

在填充压有压电陶瓷传感器(200)的固定槽内填充垫块，垫块位于压电陶瓷传感器(200)未接触金属弹片的一侧，以使压电陶瓷传感器(200)固定于固定槽内。

10.如权利要求5所述的压电智能骨料，其特征是：

上盖(300)、下盖(400)与外壳主体(100)的接触面设绝缘纸。