CN102307428A

CN102307428A - 抗电磁干扰压电夹层

Info

Publication number: CN102307428A
Application number: CN201110236819A
Authority: CN
Inventors: 袁慎芳; 石晓玲; 邱雷; 杨伟博; 王昊; 张逍越; 童瑶
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2011-08-18
Filing date: 2011-08-18
Publication date: 2012-01-04

Abstract

本发明公布了一种抗电磁干扰压电夹层，包括压电传感器、柔性印刷电路板、SMA接头，其中压电传感器、接头通过焊接、胶结与柔性印刷电路板连接，压电传感器感受信号，通过柔性印刷电路板上的线路传到接头，接头连接电缆将信号传输到信号处理中心。通过合理设置柔性印刷电路板平行走线间距、布线方式及柔性印刷电路板结构，实现抗串扰、辐射干扰性能。本发明解决了压电夹层在使用过程中易受到电磁干扰的问题，提高了压电夹层使用的稳定、可靠性。这一发明可以促进压电夹层在结构健康监测中的广泛应用。

Description

抗电磁干扰压电夹层

技术领域

本发明涉及一种抗电磁干扰压电夹层，属于传感器与测试技术领域。

背景技术

目前，基于压电传感器和兰姆(Lamb)波主动诊断技术的结构健康监测法是一种典型的、行之有效的识别结构健康状态的方法。结构健康监控***在研究过程中，大多采用手工方式将压电传感器粘贴在结构上，这种方法难以保证结构的可靠性和性能的一致性，传感器在批量使用时，设置不便。“智能夹层”概念的提出很好的解决了这个问题，其设计思想是将传感器按照一定工艺封装在柔性夹层中形成传感网络，并用印刷线路代替普通导线连线，最终通过一个标准接口输出；根据智能夹层思想设计制作的压电夹层，由一个压电传感器、柔性印刷电路板、接头三部分组成，其中压电传感器、接头焊接在柔性印刷电路板上，压电传感器将感受到的信号通过柔性印刷电路板上的线路传到接头，接头连接电缆将信号传输到信号处理中心。通过这种方法制成的压电夹层可以直接布置在结构上，应用方便，可以保证生产工艺对压电传感器性能影响的一致性，且线路对结构影响小，压电夹层可以针对不同应用对象，进行三维设计。

但是在实际工程应用中，存在以下问题：压电夹层内部信号线路存在很多平行走线，而基于压电传感器和主动Lamb波的结构健康监测方法使用的激励信号通常是频率范围为15KHz～500KHz的五波峰正弦调制信号，经功率放大器放大后变成幅值很大的高频交变电流，在激励信号线路上传播时易耦合到附近的传感信号线路上，使得采集到的传感信号混杂了来自激励信号线路的串扰，改变了传感信号幅值、能量等特征，串扰更大可能引起后续处理电路中的电荷放大器饱和，使有用信号丢失；同时，压电夹层通常工作于高频辐射环境下，采集的信号存在较大的高频干扰，使得时域信号波形特征模糊，频域谱线增多，这会影响数据处理的可靠性，加大了数据处理的难度。

发明内容

本发明的目的在于为了克服现有压电夹层在应用过程中易受到电磁干扰、可靠性不高的缺陷。本发明提供一种抗电磁干扰压电夹层，通过对柔性印刷电路板进行抗电磁干扰优化设计，减弱电磁干扰对压电传感器信号的影响，提高压电夹层应用的可靠性。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

(1)抗电磁干扰原理及柔性印刷电路板抗电磁干扰优化设计

串扰和辐射性干扰是两种主要的压电夹层信号电磁干扰耦合途径。

串扰属于压电夹层内部平行线路的一种电磁现象，平行线路之间的串扰通过容性、感性耦合产生，图1所示为平行线路间串扰耦合的模型及等效电路。

如附图1(a)、(b)所示为容性耦合模型及示意图，一个导线中的能量通过寄生电容耦合到另一条导线中，耦合系数：

CC = \frac{U_{N}}{U_{1}} = \frac{jw C_{12} R}{1 + jw (C_{12} + C_{2}) R} \approx \frac{C_{12}}{C_{12} + C_{2}} - - - (1)

式中U_N为耦合电压，C₁₂为寄生电容，C₂为导线的对地阻抗，R为敏感电路的后续电路阻抗，由于压电夹层在应用过程中，敏感源的后续电路是电荷放大器，所以R为高阻抗。

如附图1(c)、(d)所示为电感耦合模型及示意图，导线上的电流发生变化引起周围的磁场变化，其邻近的导线感应出电动势，这样，一根导线上的信号就会耦合到另一根导线。感应电压：

式中，M是单位长度互感系数，l是耦合段长度。

公式(1)、(2)中，直径为d，间距为D的平行导线单位长度的互容、互感值：

C＝0.0885π×ε_r/(arccos(D/d))pF/cm (3)

M＝0.001(ln(1+(2h/D)²)mH/cm (4)

从上面的分析可以得出这样的结论：串扰对压电夹层信号影响的大小与平行导线的长度、互容、互感成正比。

根据式(3)、(4)，附图2给出了间距对平行导线互容、互感的影响，取d＝0.5mm，ε_r＝3.4(聚酰亚胺)。图中可以看出当导线间距在1～6mm以内时，互容和互感值随距离增加下降明显，当间距大于10mm后，互容和互感值则下降缓慢。设计平行导线间距为10mm，此时互容值小于0.25pF/cm，互感值小于0.1nH/cm。

为降低电容耦合，除了减小平行导线长度、合理设置平行导线间距外，还可考虑采用分流的方式，即在干扰与敏感线路间加入接地的导体，耦合系数表达如式(5)所示：

CC = \frac{U_{N}}{U_{S}} = \frac{jw C_{2} Z_{2}}{1 + jw (Z_{j} + Z_{2}) C_{2}} \times \frac{jw C_{1} Z_{j}}{1 + jw (Z_{j} + Z_{1}) C_{1}} - - - (5)

式中，C₁为干扰源导线与分流导体寄生电容，C₂为导体与敏感线路寄生电容，Z_j为导体的对地阻抗。由此可知，如果导体的导电性能好并且良好接地，Z_j值很小，公式第二项小于1，即耦合电压值因为中间导体的分流作用而大大减小。

辐射耦合是以电磁场的形式将电磁能量从干扰源经空间传输到敏感源。当电磁波照射到传输线上时，沿路引发的分布小电压源可分为共模和差模分量。在压电夹层应用环境中，一般为远场耦合模式，且有导线长度l＞λ/4，则导线上感应的电压：

其中，E为入射电场，l为导线长度，θ为入射电场矢量与导线间的夹角，λ为波长，h为导线对地距离，α为电磁场的入射方向与回路所在平面的夹角，b为平行导线间距，b、h□λ。

从上面的分析可以得出这样的结论：辐射场与压电夹层相对位置固定的前提下，辐射干扰大小与平行导线的长度、间距及对地距离成正比。通过合理确定这些参数减小辐射干扰。为降低辐射干扰，应该减小平行导线间距、长度，使导线尽量接近地面，减小回路面积，这些与降低串扰的条件相同。同时，对远区辐射干扰最有效的抑制方法是良导体电磁屏蔽，磁场穿过良导体时产生涡流，涡流产生的反向磁场抵消原磁场，同时增强了导体侧面的磁场，使干扰磁力线在导体侧边绕行通过，达到了高频磁场屏蔽的目的。涡流的大小直接影响屏蔽的效果，这说明导电材料适于高频磁场的屏蔽。高频磁场(大于100KHz)辐射耦合的屏蔽通常采用低电阻率的良导体材料如铜，铝等。

(2)柔性印刷电路板与压电传感器、接头的结合工艺

压电传感器与柔性印刷电路板实现电气、物理连接，可选用高可靠性的导电银胶实现电气、物理连接；也可以通过焊接实现电气、物理连接，同时为保证可靠性、美观性，可以将压电传感器焊接在柔性印刷电路板上，焊接完成后再在压电传感器周围均匀覆胶。

接头焊接在柔性印刷电路板上。

有益效果

本发明具有如下优点：(1)提供了一种抗电磁干扰优化设计，使得压电夹层在应用过程中受电磁环境的影响大为减小，降低了数据处理的难度，应用范围更加广泛；压电夹层的串扰大为减小，解决了可能出现的数据失效问题。(2)简化了引线。(3)通过恰当的连接工艺实现压电夹层的高可靠性。

附图说明

图1是平行线路间串扰、辐射干扰耦合的模型及等效电路；(a)电容耦合模型，(b)等效电路，(c)电感耦合模型，(d)等效电路；

图2是平行导线互容、互感值与间距的关系；

图3是抗电磁干扰压电夹层柔性印刷电路板布线图

图4是抗电磁干扰压电夹层俯视图及结构剖面图；

图中，1为柔性印刷电路板，2、3、4分别为三个压电传感器焊盘，5是其中一个压电传感器焊盘的正极，6、7、8分别为三个信号输入/输出接头，9为其中一个压电传感器焊盘的地级，10、11、12分别为三个压电传感器，13、14、15分别为三个SMA接头。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

压电夹层由压电传感器、柔性印刷电路板、接头三部分组成，压电传感器、接头焊接在柔性印刷电路板上，压电传感器将感受到的信号通过柔性印刷电路板上的线路传到接头，接头连接电缆将信号传输到信号处理中心。图3所示为抗电磁干扰压电夹层柔性印刷电路板布线图，柔性印刷电路板尺寸1的尺寸为336×30mm，其上等间距(150mm)排布三个圆形压电传感器焊盘2、3、4，其中半圆形焊盘5为正极，分别与等间距布置在柔性印刷电路板一端的信号输入/输出接头6、7、8连接，最大限度的减小平行导线的长度、增大间距，相邻平行走线间距为10mm；另一个焊盘9接地。如图4所示为抗电磁干扰压电夹层俯视图及结构剖面示意图，压电传感器10、11、12分别焊接在焊盘2、3、4上，SMA接头13、14、15分别焊接在6、7、8上。压电夹层柔性印刷电路板为双面板结构，顶层为屏蔽层，屏蔽材料选用薄膜铜，厚度35.56μm，起到电磁屏蔽作用；底层为信号层，信号层信号线周围覆铜并接地，最大限度的减小了导线对地距离和回路面积。

压电传感器通过焊锡膏焊接在柔性印刷电路板上，焊接完成后再在压电传感器周围均匀覆上环氧胶。接头焊接在柔性印刷电路板上。

所述柔性印刷电路板材料选择柔韧性好的聚酰亚胺材料。

所述压电传感器为PSN33，直径8mm，厚度0.48mm。

所述同轴电缆线接头为SMA接头。

所述焊接用的焊锡膏配有一定比例的银浆。

所述胶粘剂为353ND。

Claims

1.一种抗电磁干扰压电夹层，其特征在于由压电传感器、柔性印刷电路板、接头三部分组成，其中压电传感器通过焊接、胶结或两种方式结合的方式实现与柔性印刷电路板的电气、物理连接，接头焊接在柔性印刷电路板上，压电传感器感受信号，通过柔性印刷电路板上的线路传到接头，接头连接同轴电缆将信号传输到信号处理中心；压电夹层柔性印刷电路板为双面板结构，顶层为屏蔽层，屏蔽材料选用薄膜铜；底层为信号层，信号层信号线周围覆铜并接地，其中平行导线间距在[6mm，20mm]范围内。

2.根据权利要求1所述的抗电磁干扰压电夹层，其特征在于所述压电传感器选用具有压电性能的PZT材料。

3.根据权利要求1所述的抗电磁干扰压电夹层，其特征在于所述接头为同轴电缆线接头。