CN211603050U - 一种兰姆波传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种兰姆波传感器，其包括传感器主体和固设在主体上的接线引脚；传感器主体包括位于中部的PVDF膜、分别夹持在PVDF膜上下两侧的正电极层和负电极层、以及从外侧包覆电极层的绝缘性质的上下匹配层；每一电极层还延伸出与一相应接线引脚进行电连接的延伸线。所述兰姆波传感器采用高分子PVDF压电材料将兰姆波信号转变为超声高频率电荷信号输出，具有响应速度快、灵敏度高和线性度好的优良特性，保证了采集信号的准确性和精确性；并且上述柔性传感器的厚度极薄，安装使用十分方便，可应用于曲面，也可应用到超薄空间如缝隙中，应用范围广。

Description

一种兰姆波传感器

技术领域

本实用新型涉及兰姆波监测技术领域，尤其涉及一种兰姆波传感器。

背景技术

兰姆波是一种弹性波，由于其对结构中的损伤尤其是是微损伤非常敏感，而且其在结构中传播时能量的衰减较小，传播距离更远更快，因此目前被广泛引用于各种结构的损伤监测。

目前，利用兰姆波对结构损伤的检测方法分为两种。一种是被动监测(即声发射监测技术)，其探测信号是来源于材料内部，是在材料发生损伤时获得的实时或信息，具体原理为：待监测结构在外界的温度或者应力等条件下产生微观上的形变或者宏观上的裂纹并以弹性波的形式传递所释放的能量，通过固定在结构中的传感器被动的接收结构形变条件下所传递的损伤缺陷信息，然后利用先进的信号处理技术分析损伤缺陷信息并对结构损伤做出评估。另一种是主动监测，其原理为：主动的向待测结构中激励一组可识别信号，通过对比结构在健康状态下的响应信号和损伤状态下的响应信号，对两组信号进行差异化研究，分析出损伤特性进而对待测结构进行诊断和评估。两种监测方法相比，被动式监测传感器结构更为简单，能实时监控材料的结构变化。

如中国专利号(CN103837605 A)名为“一种全向性的兰姆波磁致伸缩传感器”的专利，其提出一种由PCB线圈、圆柱状铷铁硼磁铁及圆形镍片构成的传感器技术，采用的是主动监测技术，该传感器使用结构复杂，体积厚重，不适合在有限的超薄空间及曲面结构体采集兰姆波信号。

因此，现有兰姆波传感器还有待进一步发展。

发明内容

针对上述技术问题，本实用新型实施例提供了一种结构轻薄、可在0.1mm宽的缝隙或者曲面结构中进行应用的基于被动监测的兰姆波传感器。

本实用新型提供了以下技术方案：

一种兰姆波传感器，其包括传感器主体和固设在主体上的接线引脚；传感器主体包括位于中部的PVDF膜、分别夹持在PVDF膜上下两侧的正电极层和负电极层、以及从外侧包覆电极层的绝缘性质的上下匹配层；每一电极层还延伸出与一相应接线引脚进行电连接的延伸线。

所述兰姆波传感器中，正电极层为单层电极结构，或者由导电胶粘接的两层电极结构；负电极层与正电极层的结构一致。

所述兰姆波传感器中，PVDF膜和匹配层的材料内分子结构为多层且平行排列。

所述的兰姆波传感器中，匹配层采用有机绝缘材料。

所述的兰姆波传感器中，电极层为导电银浆、导电油墨、低阻碳、高阻碳或金属。

所述的兰姆波传感器，还包括与接线引脚进行电连接的信号引出线，信号引出线为单芯或双芯屏蔽线。

本实用新型实施例提供的兰姆波传感器具有以下有益效果：

1、上述传感器为厚度可达到0.1mm的柔性传感器，安装使用十分方便，可应用于曲面，也可应用到超薄空间如缝隙中，可沿被测物外壳缝隙塞进去即可快速完成安装。

2、所述传感器采用高分子PVDF压电材料将兰姆波信号转变为超声高频率电荷信号输出，PVDF膜和匹配层的材料的配合使传感器采集80K-150KHz频率的兰姆波信号，不仅保证兰姆波信号的准确采集，并且排除了干扰信号的干扰，保证了采集信号的准确性和精确性。

3、这种传感器具有极快的响应速度，超高灵敏度和很好的线性度等优良特性，可根据需要制成不同外形与厚度结构形状来满足各种特殊使用场景，如可应用于爆炸测试、炸药研发、炸药保存、极端测试、材料研发与测试、地质勘探、石油勘探等，是一种用于获取和监测兰姆波的通用传感器。

附图说明

图1为本实用新型实施例1中兰姆波传感器的立体结构示意图；

图2为本实用新型实施例1中兰姆波传感器主体的横截面结构示意图；

图3为本实用新型实施例1中兰姆波传感器的结构爆炸示意图；

图4为本实用新型实施例1中兰姆波传感器的工作示意图；

图5为本实用新型实施例2中兰姆波传感器的结构爆炸示意图；

图6为本实用新型实施例2中兰姆波传感器的主视结构示意图；

图7为本实用新型实施例2中兰姆波传感器的后视结构示意图；

图8为测试实验中采用的超声波测试系统的结构示意图；

图9为作为对照组的传感器的测试结果；其中，03为底噪；

图10为本实用新型实施例2中兰姆波传感器的的测试结果；其中，03为底噪；

图11为对照组的声发射传感器D9203B Sensor。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。需要说明的是，当元件被表述“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。本说明书所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”、“外”、“底部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本实用新型。

实施例1

如图1-3所示的一种兰姆波传感器，其包括传感器主体和固设在主体上的接线引脚4；传感器主体包括位于中部的PVDF膜1、分别夹持在PVDF膜1上下两侧的正电极层21和负电极层22、以及从外侧包覆电极层的绝缘性质的上下匹配层3；每一电极层还延伸出与一相应接线引脚4进行电连接的延伸线23。延长线23与接线引脚4的连接可采用电焊接或者通过导电胶进行粘接等固定连接。

上述传感器结构中，相互连接的上下匹配层3从外部将兰姆波传感器进行整体封装，内部结构之间可通过粘接进行稳定连接。PVDF膜的面积不小于任一电极层的面积，避免两电极间发生短路。PVDF膜与两电极间通过直接贴合，或者通过导电胶进行粘接。上下匹配层的边缘进行固定连接。

如图4所示，使用时，将兰姆波传感器02依次与滤波电路、后置放大电路及示波器进行电路连接，并将上述兰姆波传感器粘贴在待测物体01的表面。工作原理为：兰姆波传感器02能接受并捕捉待测物体爆炸或开裂时瞬间产生的兰姆波信号变化，高分子PVDF压电材料将接收到的兰姆波信号转变为超声高频率电荷信号输出，经过后续过滤电路、放大器以及示波器的处理，就得到80K-150KHz的兰姆波信号波形图。因此，通过采用上述传感器对待测物体的长期监测与管理，可实现对待测物体的实时探伤监测，及时作出报警。

此外，上述传感器的安装方便，可将其用双面胶粘贴在待测物体表面，或者沿被测物外壳缝隙塞进去。不论待测物体表面是平面还是曲面，都可以紧密贴合待测物体表面，保证监测信号的精准度。

上述传感器结构中，匹配层3采用柔性的有机绝缘材料，如塑料类，如PET、OPP等，还可以是其他绝缘复合柔性材料。

所述的兰姆波传感器中，电极层采用导电银浆、导电油墨、低阻碳、高阻碳或金属(如金、银、铜、铁、锡，铜镀银、铜镀锡等)等导电性能优异的材料。

所述兰姆波传感器中，正电极层21为单层电极结构，或者由导电胶粘接的两层电极结构；负电极层22与正电极层的结构一致。

所述的兰姆波传感器，还包括与接线引脚4进行电连接的信号引出线5，信号引出线5为单芯或双芯屏蔽线。这样设置能保证信号清洁度，进一步地防止外部杂波信号进入传感器窜扰。

具体地，PVDF膜和匹配层的材料内分子结构为多层且平行排列。由于传感器中，PVDF膜是很薄的相平行的片状结构，这种结构非常适合采集仅沿水平方向传播的特殊声波形—兰姆波。通过上述结构处理使超薄片状结构的PVDF膜的上下面的应力为零，且让被测物体的信号介质与传感器介质在信号波的传播方向上保持一致，在匹配材料与PVDF膜的共同作用下使其用于接收信号的波入射角和频率与兰姆波保持一致，从而保证PVDF膜在相同方向上因响应待测材料上产生的兰姆波，产生相同频率的兰姆波信号，而PVDF材料本身的压电性将波信号装换成频率电信号输出，由此通过接收并分析被测物产生的兰姆波，达到探伤的目的。

可根据实际使用场景的需要，将所述传感器制成任意形状及面积的片状或管状结构，该兰姆波的生产和加工工艺简单。

实施例2

如图5-7所示的另一种结构的兰姆波传感器，该实施例中，正电极层由导电胶6粘接的两单层电极21A和21B构成的结构；负电极层由导电胶6粘接的两单层电极22A和22B构成的结构。

使用时，将传感器一侧的3M双面胶撕开粘贴在被测物表面即可。此处设置是为了让信号源与PVDF压电薄膜直接接触，这样做的好处是可以让信号源的信号不需要再经过第三介质直接导入PVDF压电薄膜上面采集(第三介质的声阻抗很难与信号源与PVDF进行100％的匹配)，从而增加了信号保真度。

进一步地，为了避免两正负电极层之间的延伸线因使用时移位导致短路，在正电极层/负电极层中的两单层电极之间夹设一层绝缘的阻隔层7。阻隔层7的尾部将正电极和负电极的延伸线进行阻隔。进一步地，阻隔层7的主体部分(头部)设置用于嵌入PVDF膜的定位孔，进一步加强对PVDF膜的定位。上述阻隔层7的设置还提高了传感器整体的强度和韧性。

此外，在远离接线引脚4的匹配层的外侧面增设加固片8。由于采用PVDF薄膜的厚度极薄，如0.08mm左右，其能承受的韧性和拉力有限，增设加固片之后可以增加接口位置的韧性和牢固度，延长传感器的使用寿命。

测试实施例

实施例1的传感器的性能与实施例2基本相同，仅以实施例2作为代表进行测试。按照如图8的方法设置一套超声波测试系统，用于检测实施例1-2提供的兰姆波传感器的性能，测试原理为：使用同一台示波器连接传感器，在没有信号激励源的空放状态将信号放大至可识别信号差异的放大倍数，即可测试传感器本身寄生底噪。其中换能器将信号发生器产生并经过放大电路和滤波电路处理的电信号转换成超声波信号。该实验中以油作为传播介质。实验组采用本实用新型实施例2的传感器进行测试；对照组采用如图11所示的D9203BSensor的声发射传感器，该传感器为美国物理声学公司PAC所生产，基于压点陶瓷材料进行检测，可用于检测兰姆波，结构体积较大。

如图9-10的实验结果所示，标记区域03为底噪，示波器标尺大小一致，可以看到：相较于对照组的传感器，本实用新型的兰姆波传感器的底噪减低幅度达到50％，说明当前的封装技术很好地降低了噪声。

其次，对上述两种传感器的电容值进行检测，方法为：在相同测试环境使用同一套信号激励源分别对两方公司的传感器进行相同幅度的信号激励，然后通过信号采集设备采集两种传感器各自输出信号幅值做出对比，从而得到两种传感器的电容值。实验结果表明：本实用新型的兰姆波传感器的电容值为对照组电容值的3倍，而由于传感器的电容越大，输出信号就越好，故本实用新型的兰姆波传感器相较于对照组的传感器，噪声小灵敏度高，达到了本次项目的目标。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本实用新型的技术方案及本实用新型构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种兰姆波传感器，其特征在于，其包括传感器主体和固设在主体上的接线引脚(4)；传感器主体包括位于中部的PVDF膜(1)、分别夹持在PVDF膜(1)上下两侧的正电极层(21)和负电极层(22)、以及从外侧包覆电极层的绝缘性质的上下匹配层(3)；每一电极层还延伸出与一相应接线引脚(4)进行电连接的延伸线(23)。

2.根据权利要求1所述的兰姆波传感器，其特征在于，正电极层(21)为单层电极结构，或者由导电胶(6)粘接的两单层电极结构构成；负电极层(22)与正电极层的结构一致。

3.根据权利要求2所述的兰姆波传感器，其特征在于，PVDF膜和匹配层的材料内分子结构为多层且平行排列。

4.根据权利要求3所述的兰姆波传感器，其特征在于，匹配层(3)采用有机绝缘材料。

5.根据权利要求4所述的兰姆波传感器，其特征在于，电极层为导电银浆、导电油墨、低阻碳、高阻碳或金属。

6.根据权利要求3所述的兰姆波传感器，其特征在于，还包括与接线引脚(4)进行电连接的信号引出线(5)，信号引出线(5)为单芯或双芯屏蔽线。

7.根据权利要求6所述的兰姆波传感器，其特征在于，在正电极层/负电极层中的两单层电极之间夹设一层绝缘的阻隔层(7)，阻隔层(7)的尾部将正电极和负电极的延伸线进行阻隔，其主体部分设置用于嵌入PVDF膜的定位孔。

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