CN110057391B

CN110057391B - 一种测试剪切型压电传感器传感性能的装置及方法

Info

Publication number: CN110057391B
Application number: CN201910426903.9A
Authority: CN
Inventors: 张斗; 闫明洋; 王晓宇; 袁晰; 高峰; 李潇; 王浩威; 周科朝
Original assignee: Central South University; Beijing Institute of Spacecraft System Engineering
Current assignee: Central South University; Beijing Institute of Spacecraft System Engineering
Priority date: 2019-05-20
Filing date: 2019-05-20
Publication date: 2021-07-20
Anticipated expiration: 2039-05-20
Also published as: CN110057391A

Abstract

本发明属于压电传感器领域，具体涉及一种测试剪切型压电传感器传感性能的装置及方法。具体技术方案为：一种测试剪切型压电传感器传感性能的装置，包括一端固接于竖直面上的底板，所述底板另一端为悬端，所述底板与水平面平行；所述底板上表面固接剪切型的压电传感器，所述压电传感器上表面固接顶板、覆盖一部分压电传感器的上表面；所述压电传感器上表面露出部分设置传感信号接收口。利用本发明提出的测试结构和方法对剪切型压电传感器进行测试，测试准确、灵敏度高、对传感器本身损伤小，对剪切型压电传感器的发展具有重要的现实意义。

Description

一种测试剪切型压电传感器传感性能的装置及方法

技术领域

本发明属于压电传感器领域，具体涉及一种测试剪切型压电传感器传感性能的装置及方法。

背景技术

目前较为通用的压电传感器大多是拉伸型压电传感器，工作于d₃₃或d₃₁模式，用来检测压力、加速度和纵向应变；而剪切型压电传感器则以d₁₅模式工作，能够被用来感知剪切应力、加速度、剪切应变。对于压电陶瓷来说，其d₁₅压电常数要比d₃₃和d₃₁压电常数要高，相应的，机电转换效率也更高，这是它本身所具有的优势。因此研究剪切型压电传感器非常有意义。

为此，申请人在一篇在先专利(申请号为201711112739.1)中，以一定的技术手段将树脂材料与压电陶瓷结合起来，提出了一种全新的以d₁₅模式工作的压电纤维复合材料，该材料柔韧性良好，可以抵御弯曲变形，且电学性能、应变性能和驱动性能均表现良好，同时也适合用于制作柔性压电传感器，尤其是用于制作剪切型压电传感器。

但是，将剪切型压电传感器进行实际应用前，还需要测试其传感性能。目前，针对剪切型压电传感器的性能测试方法，主要有以下研究：

Xie等人通过冷冻浇注的方法制备出一种剪切型压电传感器，多孔压电陶瓷与PDMS复合得到柔性压电复合材料，然后对其传感性能进行了表征。具体为：把传感器粘贴到L形钢悬臂梁上面，然后在传感器上表面粘贴一个质量块，利用激振器使整个悬臂梁振动，测得不同加速度下的电压响应，对其传感性能进行了表征，其灵敏度为90.2mV/g。但使用这种方法进行测试，传感器处于与水平面垂直的状态，在振动过程中，上下受力不均匀，测试不准确，灵敏度不理想，而且不均匀的受力也容易使压电传感器受到损伤。

Ma等人通过切割填充法制备出一种以d₁₅模式工作的剪切型压电传感器，将压电陶瓷纤维与水泥复合得到压电复合材料。随后，Ma等人将传感器与水泥一起固化制成一个水泥梁，然后通过三点抗弯测试来表征其对剪切应力的响应，以测定其传感性能。但这种方法要求把传感器与水泥固化在一起形成一个水泥梁，严重削弱了传感器的输出信号，使得测出传感性能远低于实际值，测试结果非常不准确。

因此，针对柔性剪切型压电传感器，提出一种测试准确、灵敏度高、对传感器本身损伤小的传感性能测试方法，对剪切型压电传感器的发展具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种测试剪切型压电传感器传感性能的装置和方法。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种测试剪切型压电传感器传感性能的装置，包括一端固接于竖直面上的底板，所述底板另一端为悬端，所述底板与水平面平行；所述底板上表面固接剪切型的压电传感器，所述压电传感器上表面固接顶板、覆盖一部分压电传感器的上表面；所述压电传感器上表面露出部分设置传感信号接收口。

优选的，所述底板、压电传感器、顶板相互平行。

优选的，所述底板与顶板之间，固接厚度与压电传感器厚度相同的高分子膜，所述高分子膜充满所述底板、顶板和压电传感器所限定范围的剩余空间。

优选的，所述高分子膜为mylar膜。

优选的，所述底板、顶板为铝板，厚度为1mm。

优选的，所述固接方式为：通过环氧树脂胶进行胶粘，胶粘完成后，在60℃下热压4h。

相应的，使用所述测试剪切型压电传感器传感性能的装置测试剪切型压电传感器传感性能的方法，对底板或顶板施加垂直方向的力。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供了一种全新的测试剪切型压电传感器的结构，不仅可以准确、灵敏地测试出剪切型压电传感器的传感性能，而且对压电传感器本身的损伤极小，对剪切型压电传感器的发展非常重要。

2、与既往L型悬臂梁结构或三点抗弯测试方法不同的是，本发明提供的结构将压电传感器水平放置，避免压电传感器受力振动时、上下受力不均匀。但如果直接使用夹子等结构将压电传感器夹持呈水平状态、一端悬空，进行传感性能测试，测试过程中，压电传感器受力后在空气中振荡，没有外部结构对其进行位移限定，不仅测试不准，而且受力集中在夹持部，压电传感器更加容易损伤。

所以当压电传感器处于水平状态时，需要使用适合的装置对压电传感器进行上下限位。但因为在实际应用中，压电传感器的形状不尽相同，而且不一定都是规整形状，所以上下限位的装置将压电传感器夹持起来后，依然势必会留下缝隙，降低测试准确性。发明人测试了非常多种材料、并基于大量的前期试验和经验积累，发现使用mylar材料制备的高分子膜填充在这些缝隙中，不会影响压电传感器的传感性能测试，而且也可解决不同性质、规格的压电传感器在不同的上下限位结构中夹持留下缝隙的问题。最终，发明人提供了本发明的三明治悬臂梁结构，其测试的灵敏度可以比传统方式提高2/3以上。

3、一般而言，测试传感性能，实际是测试压电传感器所能感知的力、加速度和应变，测试过程中可以通过软件计算出施加在压电传感器上的加速度和力。所以，如果能施加很小的力就能使传感器产生较大的电压信号，那可测试的力就很小，测试灵敏度高。

如果直接简单地将压电传感器固定在地面或桌面等水平面上，虽然可以避免竖直固定压电传感器带来的受力不均匀等问题，但直接放在水平面上，由于地面或桌面不容易发生形变，施加同样大小的力发生的相对位移更小，测试灵敏度低。而且，要选择与地面或桌面等下底面相同的材质作为配重块，操作更加麻烦；而如果配重块与下底面材质不同，上下面发生形变的情况不同，则计算力与相对位移间的关系时，公式更加繁琐。

本发明选择铝板作为上下板对压电传感器进行限位，一方面因为铝板较轻、可以在一定范围内发生可恢复的形变，从而施加较小的力也可以在压电传感器表面产生较大的相对位移，测试灵敏度高；另一方面，上下板材质相同，受力发生形变时情况相当，施加的力与产生的相对位移间形成的公式相对更简单，计算量更小。

附图说明

图1为三明治悬臂梁结构示意图；

图2为本发明的实验装置图；

图3为三明治悬臂梁结构测试压电传感器的传感性能示意图；

图4为三明治悬臂梁结构测试压电传感器的灵敏度示意图；

图5为L型悬臂梁结构示意图；

图6为L型悬臂梁结构测试压电传感器的传感性能示意图；

图7为L型悬臂梁结构测试压电传感器的灵敏度示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明涉及一种三明治悬臂梁结构，以测试剪切型压电传感器的输出电压与加速度间的相应关系。所述三明治悬臂梁结构设置于竖直平面(例如墙体等)上，与竖直面垂直、与水平面平行。其具体结构包括：一端与竖直平面固接的底板1，所述底板1的另一端为悬端，构成悬臂梁结构。所述底板1优选为金属材质，更优选的方案为铝板，厚度优选为1mm。所述底板1上表面固接剪切型压电传感器2，固接方式优选为利用环氧树脂胶将所述压电传感器2粘贴到底板1上。所述压电传感器2可以直接使用背景技术中提到的申请人在先专利中的压电材料，也可以使用其它具有一定柔性、适合用于制备剪切型压电传感器的压电材料。测试时，可以使用制备好的压电传感器2(按现有技术的方法进行制备即可，此处不再赘述)；本发明下文测试时，为方便操作，直接使用在先专利中制备的剪切型压电纤维复合材料，将其切割至所需大小和形状，再用聚酰亚胺膜封装即为压电传感器2。所述压电传感器2顶部固接顶板4。所述顶板4覆盖一部分压电传感器2，露出部分的压电传感器2设置信号连接口，用于与外部导线等连接，以进行传感测试。所述顶板4为铝板，厚度为1mm。所述底板1、压电传感器2、顶板4间相互平行。所述顶板4的固接方式优选为：通过环氧树脂胶与所述压电传感器2胶粘。

但因为压电传感器2存在一定厚度，且形状不一定规整，也不一定与底板1和顶板4之间的形状完全吻合。所以采用这种设置方式对压电传感器进行传感测试时，难以保证压电传感器2各处受力均匀，灵敏度不高；而不均匀的受力也容易导致压电传感器2损伤。

所以，更优选的方案为，所述底板1与顶板4之间、设置有压电传感器2以外的其余位置处，全部固接与所述压电传感器2厚度相同的高分子膜3，其固接方式与压电传感器2与底板1、顶板4的固接方式相同。所述高分子膜3材质为聚酯类高分子材料，优选为mylar膜(杜邦旗下的PET材料)。

所述三明治悬臂梁结构的制备方法为：将底板1与竖直平面固接后，使用环氧树脂胶依次将压电传感器2、高分子膜3、顶板4固接到所需位置，随后在60℃下热压固化4h，即可。

使用本发明提供的三明治悬臂梁结构测试压电传感器2的传感性能时，首先向三明治悬臂梁结构施加与该结构方向垂直的力(加速度)，使该结构发生弯曲，进而使底板1和顶板4发生错动，从而对夹持在底板1和顶板4之间的压电传感器2产生剪切力。压电传感器2接收到剪切力信号后，通过露出部分连接的导线，将信号传输到相应的信号接收装置和检测装置上，即可简单地实现对压电传感器2的传感性能测试。

下面通过实施例和对比例，来进一步展示本发明提供结构的效果。

实施例

按上述步骤制备三明治悬臂梁结构。具体实验装置如图2所示，通过振动平台***来测试剪切型压电传感器在不同加速度下的电压响应。实验过程中，通过导线将三明治悬臂梁结构中的压电传感器2与安捷伦54835A的示波器探头相连，产生电压信号后，被NI数据采集***采集，然后传输到电脑上的Labview软件，进行分析。实验过程中通过Labview软件发出指令，作用到NI盒子，经过功率放大器放大后，施加在激振器上，激振器通过固定螺栓与三明治悬臂梁结构连接，从而提供和控制施加到该结构上的振动频率和加速度。通过Labview软件校正振动平台***来确保在测试频率范围内激振器所产生的加速度是稳定的。

实验结果如图3、4所示。图3表示在70～90Hz范围内所述压电传感器2的输出电压与施加的加速度的关系，图中，g代表加速度。由图3可以看出，在不同加速度下，随着频率的增长，压电传感器2的输出电压先增加后下降，当频率达到整个三明治悬臂梁结构的谐振频率时，所述压电传感器2的输出电压达到最大，最大输出电压可以达到2104mV。图4表示在80Hz时，加速度与所述压电传感器2输出电压的关系。由图4可以看出，压电传感器2的输出电压与加速度呈现出良好的线性关系，灵敏度可达到263mV/g，传感器的传感性能优异，证明利用本发明提供的三明治悬臂梁结构，可以准确测试剪切型压电纤维复合物的传感性能。

对比例

采用现有技术中的L形悬臂梁结构进行测试。对比例和实施例中使用的压电传感器均为：将申请人在先专利中制备的压电纤维材料剪切为相同形状、大小后，用聚酰亚胺膜封装制成。所述L形悬臂梁结构示意图如图5所示，具体为在呈L形的竖直面上固接压电传感器，所述压电传感器一侧面与竖直面完全贴合，对侧面固接配重块(均为通过环氧树脂胶粘)，配重块未完全覆盖压电传感器表面，使压电传感器露出一部分。通过向配重块施加力(加速度)，从而在压电传感器上产生剪切力。压电传感器2接收到剪切力信号后，通过露出部分连接的导线，将信号传输到相应的信号接收装置和检测装置上，从而实现传感性能测试。

具体实验连接图与图2相同，只是将图2中的三明治悬臂梁结构替换为L形悬臂梁结构。实验方式也与实施例相同。测试结果如图6、7所示。图6表示在50～60Hz范围内，压电传感器的输出电压与施加的加速度的关系，最大输出电压可达到1203mV。图7表示的是在60Hz时加速度与输出电压的关系，灵敏度为150mV/g。

另外，对比实施例和对比例的结果可以看出：使用实施例的三明治悬臂梁结构进行测试，相同加速度下输出电压远高于对比例的输出电压，再次证明本发明提供的结构测试灵敏度更高。

Claims

1.一种测试剪切型压电传感器传感性能的装置，其特征在于：包括一端固接于竖直面上的底板（1），所述底板（1）另一端为悬端，所述底板（1）与水平面平行；所述底板（1）上表面固接剪切型压电传感器（2），所述压电传感器（2）上表面固接顶板（4），所述底板（1）、顶板（4）为铝板，所述顶板（4）覆盖一部分压电传感器（2）的上表面；所述压电传感器（2）上表面露出部分设置传感信号接收口；

所述底板（1）与顶板（4）之间，固接厚度与压电传感器（2）厚度相同的高分子膜（3），所述高分子膜（3）充满所述底板（1）、顶板（4）和压电传感器（2）所限定范围的剩余空间；

所述底板（1）、压电传感器（2）、顶板（4）相互平行；

使用所述测试剪切型压电传感器传感性能的装置测试剪切型压电传感器传感性能时，对底板（1）或顶板（4）施加垂直方向的力。

2.根据权利要求1所述的测试剪切型压电传感器传感性能的装置，其特征在于：所述高分子膜（3）为mylar膜。

3.根据权利要求1所述的测试剪切型压电传感器传感性能的装置，其特征在于：所述底板（1）、顶板（4）的厚度为1mm。

4.根据权利要求1所述的测试剪切型压电传感器传感性能的装置，其特征在于：所述固接方式为：通过环氧树脂胶进行胶粘，胶粘完成后，在60℃下热压4h。