[实用新型]一种基于轴向极化方式的压电传感器

说明书

技术领域

本实用新型属于材料技术领域，涉及一种用于测量杆类构件扭转变形的压电传感器。

背景技术

在空间结构中，很多构件往往采用柔性杆作为结构的支承件，例如，太阳能帆板的支杆，太空天线支架，空间机器人的连杆等。这类构件在空间运行时，不仅会产生弯曲变形，拉压变形，甚至还有扭转变形。由于扭转变形表现不太直观，因而不太引起人们的重视。但是随着各类设备输出功率的增加，导致设备主要构件体积的增大，刚度大幅下降。尤其在航天领域中，航天构件的大型化、低刚度和柔性化设计使得这些构件上扭转振动产生的影响已越来越明显，有些场合甚至已经产生较严重的危害性。目前对于此类杆类结构扭转变形的测量通常采用在杆表面粘贴电阻应变片的方法，但这种方法可靠性低，易受外界环境的变化。

压电材料不仅具有正压电效应，而且还具有逆压电效应，因而被制作成传感元件和致动元件。当给压电材料施加外力而使其发生机械变形时，材料内部正负电荷中心就会发生相对移动，使得材料表面带有极性不同的电荷，其电荷密度与外力成比例关系，这种由于应变或应力，在晶体内产生电极化的现象称为正压电效应。将压电材料粘贴在结构的表面或嵌入结构内部，测量压电材料由于机械变形而产生的电荷量，就可以知道其变形的情况，从而具有感受结构变形的能力。尽管压电材料的压电应变关系是三维的，但一般情况下，只使用其一个方向上的应变模型，例如使用与极化方向一致的d₃₃效应，或者是与极化方向垂直的d₃₁效应，或者使用沿剪切方向的d₁₅效应。

发明内容

本实用新型的目的是为了克服现有传感器在测量扭转变形上的不足，提出一种基于轴向极化方式的压电传感器。

本实用新型包括圆筒形的压电传感器本体、圆环形的上集电片和下集电片。压电传感器本体由2n(1≤n≤5)块形状相同的压电块组成。压电块为长条形，其截面为扇形，相邻的两块压电块通过环氧胶粘接。上集电片和下集电片的形状和尺寸与压电传感器本体截面的形状和尺寸相匹配，上集电片和下集电片分别与压电传感器本体的上端面和下端面粘贴在一起。

当要测量杆或轴的扭转变形时，将传感器粘贴在杆的外圆表面，一旦待测杆或轴上产生扭转变形时，因为压电传感器与杆或轴固连，将随之产生扭转变形，由于正压电效应，将会在上、下集电片上产生正、负电荷，将电荷通过导线与电荷放大器相连，通过电荷放大器放大，就可获知杆的扭转变形状况。

本实用新型制作工艺简单，能适应空间各种杆类构件的要求，且压电材料的响应较快、重量小，非常适合空间各类杆件的运行状况。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为图1的A-A向截面示意图；

图3为本实用新型的工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图，对本实施例进一步说明。

如图1和2所示，一种基于轴向极化方式的压电传感器包括圆筒形的压电传感器本体、圆环形的上集电片1和下集电片2。压电传感器本体由六块形状相同的压电块3组成。压电块3为长条形，其截面为扇形，相邻的两块压电块通过环氧胶4粘接。上集电片1和下集电片2的形状和尺寸与压电传感器本体截面的形状和尺寸相匹配，上集电片1和下集电片2分别与压电传感器本体的上端面和下端面粘贴在一起。

该压电传感器的制造工艺如下：

1)烧结管材：按照二元系压电陶瓷的配方进行配料，经振磨使其均匀混合，再经预烧，粉碎后，加入有机胶合剂，轧膜成型。

2)机械加工：由于在烧结过程中，不可避免地存在尺寸偏差，故先将管材的外径和内壁进行磨削加工，然后将压电陶瓷管周向均分成偶数等分，沿长度方向锯成压电块。

3)涂银极化：在每一个压电块的顶部和底部敷以银极，然后在专用的极化夹具上，在温度180摄氏度的油浴中，以2KV/mm的电场沿压电块的轴向方向极化5分钟。

4)腐蚀清洗：将极化前所敷的银极腐蚀掉，采用无机溶液(如丙酮)进行清洗。

5)压电块粘接：采用环氧胶粘剂将压电块将偶数块压电块粘接成环形结构。

6)集电片粘接：采用环氧胶粘剂将上、下集电片分别粘接在环形结构的下下端面，形成压电传感器。

如图3所示，在实际空间应用中，为了测量某一杆类构件5的扭转变形，可制作一内径与杆类构件外径尺寸相同的压电传感器。然后，将此传感器安装在待测杆5上，并在传感器的内表面与杆类构件的外圆表面以绝缘胶粘接，使得粘贴牢固可靠。然后上集电片1和下集电片2上各焊结一根导线，并将这两根导线与电荷放大器6相连，当待测杆上产生扭转变形时，压电传感器由于与杆固连，将随之产生扭转变形，由于正压电效应，将会在上、下集电片上产生正、负电荷，通过电荷放大器的放大处理，就可以获知杆或轴的变形情况。