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一种基于增材制造技术的三向振动测试传感器

2021-02-01 16:53:34

一种基于增材制造技术的三向振动测试传感器

  技术领域

  本实用新型属于检测技术领域,具体涉及一种基于增材制造技术的三向振动测试传感器及制备方法。

  背景技术

  振动量测试传感器是种类繁多的传感器的一个重要分支,它的作用是把振动造成的振动位移、振动速度和振动加速度定量转化成电信号的形式记录并反馈给使用者。由于材料科学及电子计量技术发展的限制,现如今常见的振动传感器包括有光纤光栅式振动传感器、压电式振动传感器和电容式振动传感器,这几类传感器大多都以传统的金属材料、半导体材料制造,存在一些显而易见的不足,例如:复杂的制作工艺,结构不够精简,刚度硬度较大而柔韧性不足,对微小振动量不能做到有效的检测,且难以在恶劣环境下应用,因此传感器的灵敏度、稳定性等性能不能满足人们日益增长的需求。

  传统的压电陶瓷传感器大多以单一的锆钛酸铅作为压敏元件,随着新材料的发展,一些具有优异性能的复合材料逐步出现,融入金属离子的压电陶瓷复合材料吸引了广大中外研究人员的关注,在传感器制备领域发展迅猛。金属传导材料Al、Zn、At和Ag等尝试用做传感器中,高质量比例的金属材料使传感器获得较好的电导率和灵敏度,高分子聚合物及柔性基体制备的柔性传感器应用越来越广泛。

  传统传感器的制备方法普遍存在着一些不足,比如说制备过程繁杂、制备工艺落后,尤其针对柔性复合材料的传感器制备,难以实现复合材料的均匀成型。增材制造技术以数字模型文件为基础,运用粉末状金属、塑料及复合材料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术具有快速简单、成型精度高、无副产物产生、能胜任各种结构产品制造的优点,其在模具制造、工业设计、建筑工程以及医疗产业等领域中有重要应用。将增材制造技术应用于传感器的制造过程中,使定制结构的传感器及复合材质传感器的制备成为了现实。

  发明内容

  本实用新型的目的在于提供一种基于增材制造技术的三向振动测试传感器及制备方法,以克服传统振动测试传感器的不足。

  本实用新型的基于增材制造技术的三向振动测试传感器由底座A、振动测试组件B、传感器外壳C和数据管理模块D组成,其中底座A由底盘1、中盘2和中心杆3组成,底盘1、中盘2和中心杆3自下而上顺序排列并固接;振动测试组件B中圆柱体13的中心孔6与底座A 的中心杆3固接,传感器外壳C下端固接于底座A中中盘2的上面;数据管理模块D中振动信号采集卡35的数据输入端与振动测试组件B中感应组件Ⅰ4、感应组件Ⅲ8、感应组件Ⅱ10、感应组件Ⅳ11、感应组件Ⅴ15和感应组件Ⅵ17的数据传输接口21通信连接。

  所述的振动测试组件B由感应组件Ⅰ4、悬臂梁Ⅰ5、悬臂梁Ⅲ7、感应组件Ⅲ8、悬臂梁Ⅱ9、感应组件Ⅱ10、感应组件Ⅳ11、悬臂梁Ⅳ12、圆柱体13、悬臂梁Ⅴ14、感应组件Ⅴ15、悬臂梁Ⅵ16和感应组件Ⅵ17组成,其中圆柱体13上设有中心孔6;悬臂梁Ⅰ5内端固接于圆柱体13左侧上端,感应组件Ⅰ4固接于悬臂梁Ⅰ5近外端上面;悬臂梁Ⅱ9内端固接于圆柱体13右侧上端,感应组件Ⅱ10固接于悬臂梁Ⅱ9近外端下面;悬臂梁Ⅲ7内端固接于圆柱体 13前侧下端,感应组件Ⅲ8固接于悬臂梁Ⅲ7外端上面;悬臂梁Ⅳ12内端固接于圆柱体13右侧下端,感应组件Ⅳ11固接于悬臂梁Ⅳ12外端上面;悬臂梁Ⅴ14内端固接于圆柱体13后侧下端,感应组件Ⅴ15固接于悬臂梁Ⅴ14外端上面;悬臂梁Ⅵ16内端固接于圆柱体13左侧下端,感应组件Ⅵ17固接于悬臂梁Ⅵ16外端上面。

  所述的感应组件Ⅰ4、感应组件Ⅲ8、感应组件Ⅱ10、感应组件Ⅳ11、感应组件Ⅴ15和感应组件Ⅵ17结构相同,均由液箱18、导振液体20、数据传输接口21、铜导线22和压电片 23组成,液箱18顶面设有输液口19;导振液体20置于液箱18内,压电片23镶嵌于液箱 18底面中心,数据传输接口21经铜导线22与压电片23连接。

  所述的压电片23由指叉电极Ⅰ24、导电银浆Ⅰ25、基底26、压电层27、封装盖28、电极层29、导电银浆Ⅱ30和指叉电极Ⅱ31组成,封装盖28左侧设有孔Ⅰ32,封装盖28右侧设有孔Ⅱ33;基底26、压电层27和电极层29自下而上顺序排列并固接,封装盖28固接于基底26上面;导电银浆Ⅱ30固接于电极层29左侧,指叉电极Ⅱ31右端经封装盖28的孔Ⅰ 32与导电银浆Ⅱ30固接,导电银浆Ⅰ25固接于电极层29右侧,指叉电极Ⅰ24左端经封装盖 28的孔Ⅱ33与导电银浆Ⅰ25固接。

  所述数据管理模块D由电源管理单元34、振动信号采集卡35、振动信号处理单元36、无线传输单元37和信号显示单元38组成;所述振动信号处理单元36与振动信号采集卡35 通信连接,无线传输单元37通信连接于振动信号处理单元36和信号显示单元38,采用无线通信的方式进行数据传输;信号显示单元38与振动信号采集卡35通信连接;电源管理单元 34采用3.7V锂电池供电,利用MicroUSB接口与振动信号采集卡35、振动信号处理单元36和无线传输单元37连接。

  一种基于增材制造技术的三向振动测试传感器的制备方法,包括压电层27的制作方法、电极层29的制备方法和封装盖28的制备方法:

  1.1压电层27的制备方法包括下列步骤:

  1.1.1所述的压电层27材料为一种利用3D打印技术复合成的新型压电陶瓷材料,其中锆钛酸铅、石墨、氧化锌和氢氧化铜的质量比为100:20:10:10,利用SLS3D打印技术打印而成;

  1.1.2在常温下,锆钛酸铅固体粉料与六偏磷酸钠按照100:1.5的质量比混合,以无水乙醇为助磨剂球磨12小时以后,静置形成悬浊液A;

  1.1.3在常温下,石墨固体粉粒与六偏磷酸钠按照100:0.5的质量比混合,以无水乙醇为助磨剂球磨8小时以后,静置形成悬浊液B;

  1.1.4将悬浊液A与悬浊液B混合后,加入质量分数为70%的酒精溶液,辅以超声分散,使溶液混合均匀,获得一定质量分数的混合溶液,将混合溶液放入85℃恒温箱中干燥12小时,获得混合固体粉末颗粒,过二百筛;

  1.1.5在常温下,研磨氧化锌和氢氧化铜固体颗粒,以二水合柠檬酸三钠为分散剂,以无水乙醇为助磨剂球磨8小时后,将混合溶液放入60℃恒温箱中干燥12小时,获得混合固体粉末颗粒,过二百筛,其中锆钛酸铅:氧化锌:氢氧化铜:二水合柠檬酸的质量比为100: 10:15:5;

  1.1.6将步骤3,步骤4获得的粉粒混合,加入浓度为10%的聚乙烯醇溶胶,以离子水为溶剂,搅拌同时辅以超声分散,得到悬浊液C;

  1.1.7在悬浊液C中加入2g硅溶胶,震荡均匀至硅溶胶完全溶于悬浊液中后烘干,去除溶剂,得到粉末装压电混合材料,得到一种新型的压电陶瓷材料;

  1.1.8利用SLS3D打印技术,打印特定结构的感应组件压电层;将加工好的压电层做表面平滑处理,然后再将压电层依次置于清洗液和乙醇溶液中中各超声清洗处理10min,去除压电层低温干燥,并冷却至室温;

  1.1.9采用油浴极化的方法对压电层实现极化,极化介质选用二甲基导热硅油,极化温度 50-80℃,极化电压40-60KV/mm,时长为1-2小时,极化完成后,在极化电压不变的条件使薄膜自然冷却至室温,使用乙醇溶液再次清洗压电层表面;

  1.2电极层29的制备方法包括下列步骤:

  1.2.1所述电极层29由导电银浆30和指叉电极31以及引出的铜导线22组成;

  1.2.2在离子水溶液中对压电层27材料进行擦洗,放置酒精蒸气内进行干燥;

  1.2.3以二氧化硅为靶材,运用磁控溅射的技术,在压电层27材料上沉淀一层二氧化硅薄膜;

  1.2.4选用氧化铟锡作为指叉电极Ⅰ24和指叉电极Ⅱ31的主要材质,使用磁控溅射技术在二氧化硅上溅射氧化铟锡;

  1.2.5用Ag作导电银浆Ⅰ25和导电银浆Ⅱ30的主要材质,在指叉电极Ⅰ24和指叉电极Ⅱ31两端分别用导电银浆Ⅰ25和导电银浆Ⅱ30引出铜导线16;

  1.2.6用无水乙醇清洗残余的导电银浆Ⅰ25和导电银浆Ⅱ30;

  1.3封装盖28的制备方法包括下列步骤:

  1.3.1所述封装盖28制作流程为环氧值为0.38-0.42的E51型环氧树脂作为基材,石墨烯和苯乙烯热塑性弹性体为填料,表面覆以厚度为0.5mm的聚乙烯薄膜,以酚醛胺为固化剂,以丙酮溶液为稀释剂制备,其中E51型环氧树脂,石墨烯,苯乙烯热塑性弹性体和酚醛胺的质量比为5:1:1:0.1;

  1.3.2将质量比为5:0.1的E51型环氧树脂和酚醛胺混合,放入加热炉70℃加热30分钟,取出;

  1.3.3将丙酮迅速加入E51型环氧树脂和酚醛胺的混合物中,并快速搅拌,同时慢慢加入石墨烯和苯乙烯热塑性弹性体填料,待拌合物搅拌均匀后,将其置于真空干燥器内进行真空处理,获得封装层混合物;

  1.3.4将封装混合物剪碎并与氯化聚乙烯热塑性弹性体混合,再使用单螺杆挤出机在180 摄氏度的温度下挤出成具有隔离双逾渗微观结的丝材;

  1.3.5利用熔融沉积快速成型3D打印技术,打印封装层结构,清洗并冷却至室温后,用按压的方式将聚乙烯薄膜赋予其上。

  本实用新型的有益效果在于:

  相比于传统成型技术,增材制造技术使该定制结构的加速度传感器的制作过程能实现并达到要求,并且投入大规模生产过程中能保证生产快速、成本低廉,每个传感器制作时间短,原料使用精简,而且不同批次生产的产品能保证结构性能一致。

  本实用新型使用的金属离子填料使压电层具有更高的电导率和灵敏度,对微小作用表现的更为敏感,且制作原材料来源广泛,聚合物封装盖和柔性基底制作的传感器具有轻质、柔软、易于加工等优点,环保的材质与人体接触不会使人体产生不良反应。制备的柔性传感器相比于传统金属材料或半导体材料制备的传感器应用范围更加广泛,在恶劣环境下表现出较好的工作性能且便于随身携带。

  本实用新型设计定制的三向加速度传感器,在结构上能够通过杠杆作用将被测装置微小的振动量放大为较大的振动幅值,使用一种导振液体作为振动量传导介质,可以连续的进行振动波传导,使传感器持续的将力信号转换为电信号不断的进行输出。

  本实用新型能有效提高信息的利用率,优化和提升采集到的振动信号的质量和数量,并提供了确定是否有传感器工作异常以及异常报警工作机制,通过计算机可视化技术,将传感器采集的信号有效展示,具有较好的交互性。

  附图说明

  图1为基于增材制造技术的三向振动测试传感器的结构示意图

  图2为底座A和振动测试组件B的结构示意图

  图3为底座A的结构示意图

  图4为振动测试组件B的结构示意图

  图5为感应组件的结构示意图

  图6为压电片23的结构示意图

  图7为封装盖28的剖视图

  图8为压电层27和电极层29的俯视图

  图9为指叉电极Ⅰ24的结构示意图

  图10为数据管理模块D的结构示意图

  图11为压电层27的制作流程图

  图12为封装盖28的制作流程图

  其中:A.底座 B.振动测试组件 C.传感器外壳 D.数据管理模块 1.底盘 2.中盘3.中心杆 4.感应组件Ⅰ 5.悬臂梁Ⅰ 6.中心孔 7.悬臂梁Ⅲ 8.感应组件Ⅲ 9.悬臂梁Ⅱ10.感应组件Ⅱ 11.感应组件Ⅳ12.悬臂梁Ⅳ 13.圆柱体 14.悬臂梁Ⅴ 15.感应组件Ⅴ16.悬臂梁Ⅵ 17.感应组件Ⅵ 18.液箱 19.输液口 20.导振液体 21.数据传输接口 22.铜导线 23.压电片 24.指叉电极Ⅰ 25.导电银浆Ⅰ 26.基底 27.压电层 28.封装盖 29.电极层 30.导电银浆Ⅱ 31.指叉电极Ⅱ 32.孔Ⅰ 33.孔Ⅱ 34.电源管理单元 35.振动信号采集卡 36.振动信号处理单元 37.无线传输单元 38.信号显示单元

  具体实施方式

  如图1至图3所示,本实用新型的基于增材制造技术的三向振动测试传感器由底座A、振动测试组件B、传感器外壳C和数据管理模块D组成,其中底座A由底盘1、中盘2和中心杆3组成,底盘1、中盘2和中心杆3自下而上顺序排列并固接;振动测试组件B中圆柱体 13的中心孔6与底座A的中心杆3固接,传感器外壳C下端固接于底座A中中盘2的上面;数据管理模块D中振动信号采集卡35的数据输入端与振动测试组件B中感应组件Ⅰ4、感应组件Ⅲ8、感应组件Ⅱ10、感应组件Ⅳ11、感应组件Ⅴ15和感应组件Ⅵ17的数据传输接口21 通信连接。

  如图4所示,所述的振动测试组件B由感应组件Ⅰ4、悬臂梁Ⅰ5、悬臂梁Ⅲ7、感应组件Ⅲ8、悬臂梁Ⅱ9、感应组件Ⅱ10、感应组件Ⅳ11、悬臂梁Ⅳ12、圆柱体13、悬臂梁Ⅴ14、感应组件Ⅴ15、悬臂梁Ⅵ16和感应组件Ⅵ17组成,其中圆柱体13上设有中心孔6;悬臂梁Ⅰ5 内端固接于圆柱体13左侧上端,感应组件Ⅰ4固接于悬臂梁Ⅰ5近外端上面;悬臂梁Ⅱ9内端固接于圆柱体13右侧上端,感应组件Ⅱ10固接于悬臂梁Ⅱ9近外端下面;悬臂梁Ⅲ7内端固接于圆柱体13前侧下端,感应组件Ⅲ8固接于悬臂梁Ⅲ7外端上面;悬臂梁Ⅳ12内端固接于圆柱体13右侧下端,感应组件Ⅳ11固接于悬臂梁Ⅳ12外端上面;悬臂梁Ⅴ14内端固接于圆柱体13后侧下端,感应组件Ⅴ15固接于悬臂梁Ⅴ14外端上面;悬臂梁Ⅵ16内端固接于圆柱体13左侧下端,感应组件Ⅵ17固接于悬臂梁Ⅵ16外端上面。

  如图5所示,所述的感应组件Ⅰ4、感应组件Ⅲ8、感应组件Ⅱ10、感应组件Ⅳ11、感应组件Ⅴ15和感应组件Ⅵ17结构相同,均由液箱18、导振液体20、数据传输接口21、铜导线 22和压电片23组成,液箱18顶面设有输液口19;导振液体20置于液箱18内,压电片23 镶嵌于液箱18底面中心,数据传输接口21经铜导线22与压电片23连接。

  如图6至图9所示,所述的压电片23由指叉电极Ⅰ24、导电银浆Ⅰ25、基底26、压电层27、封装盖28、电极层29、导电银浆Ⅱ30和指叉电极Ⅱ31组成,封装盖28左侧设有孔Ⅰ32,封装盖28右侧设有孔Ⅱ33;基底26、压电层27和电极层29自下而上顺序排列并固接,封装盖28固接于基底26上面;导电银浆Ⅱ30固接于电极层29左侧,指叉电极Ⅱ31右端经封装盖28的孔Ⅰ32与导电银浆Ⅱ30固接,导电银浆Ⅰ25固接于电极层29右侧,指叉电极Ⅰ24左端经封装盖28的孔Ⅱ33与导电银浆Ⅰ25固接。

  如图10所示,所述数据管理模块D由电源管理单元34、振动信号采集卡35、振动信号处理单元36、无线传输单元37和信号显示单元38组成;采集过程中采用周期数据采样法,针对来自不同感应组件的信号都固定采样10000个数据,形成数据采集点,通过调节采样频率,保持采用频率为30Hz-70Hz且采样时间始终是信号周期的整数倍;所述振动信号处理单元36与振动信号采集卡35通信连接,集中放大采集卡采集的振动数据,将每个点采集的振动数据进行数据拟合和积分处理,获得光滑的振动波型,求解出一定频率范围内三个方向的振动烈度值,通过FFT处理获得振幅与时间的关系曲线,获得幅值、有效值和均值,将所述幅值、有效值和均值与预设阈值做对比,如幅值、有效值和均值超过预设阈值,则进行振动预警;

  无线传输单元37通信连接于振动信号处理单元36和信号显示单元38,采用无线通信的方式进行数据传输;信号显示单元38与振动信号采集卡35通信连接,可视化显示数据处理单元35的检测数据;电源管理单元34采用3.7V锂电池供电,利用MicroUSB接口与振动信号采集卡35、振动信号处理单元36和无线传输单元37连接。

  如图11和图12所示,一种基于增材制造技术的三向振动测试传感器的制备方法,包括压电层27的制作方法、电极层29的制备方法和封装盖28的制备方法:

  1.1压电层27的制备方法包括下列步骤:

  1.1.1所述的压电层27材料为一种利用3D打印技术复合成的新型压电陶瓷材料,其中锆钛酸铅、石墨、氧化锌和氢氧化铜的质量比为100:20:10:10,利用SLS3D打印技术打印而成;

  1.1.2在常温下,锆钛酸铅固体粉料与六偏磷酸钠按照100:1.5的质量比混合,以无水乙醇为助磨剂球磨12小时以后,静置形成悬浊液A;

  1.1.3在常温下,石墨固体粉粒与六偏磷酸钠按照100:0.5的质量比混合,以无水乙醇为助磨剂球磨8小时以后,静置形成悬浊液B;

  1.1.4将悬浊液A与悬浊液B混合后,加入质量分数为70%的酒精溶液,辅以超声分散,使溶液混合均匀,获得一定质量分数的混合溶液,将混合溶液放入85℃恒温箱中干燥12小时,获得混合固体粉末颗粒,过二百筛;

  1.1.5在常温下,研磨氧化锌和氢氧化铜固体颗粒,以二水合柠檬酸三钠为分散剂,以无水乙醇为助磨剂球磨8小时后,将混合溶液放入60℃恒温箱中干燥12小时,获得混合固体粉末颗粒,过二百筛,其中锆钛酸铅:氧化锌:氢氧化铜:二水合柠檬酸的质量比为100: 10:15:5;

  1.1.6将步骤3,步骤4获得的粉粒混合,加入浓度为10%的聚乙烯醇溶胶,以离子水为溶剂,搅拌同时辅以超声分散,得到悬浊液C;

  1.1.7在悬浊液C中加入2g硅溶胶,震荡均匀至硅溶胶完全溶于悬浊液中后烘干,去除溶剂,得到粉末装压电混合材料,得到一种新型的压电陶瓷材料;

  1.1.8利用SLS3D打印技术,打印特定结构的感应组件压电层;将加工好的压电层做表面平滑处理,然后再将压电层依次置于清洗液和乙醇溶液中中各超声清洗处理10min,去除压电层低温干燥,并冷却至室温;

  1.1.9采用油浴极化的方法对压电层实现极化,极化介质选用二甲基导热硅油,极化温度 50-80℃,极化电压40-60KV/mm,时长为1-2小时,极化完成后,在极化电压不变的条件使薄膜自然冷却至室温,使用乙醇溶液再次清洗压电层表面;

  1.2电极层29的制备方法包括下列步骤:

  1.2.1所述电极层29由导电银浆30和指叉电极31以及引出的铜导线22组成;

  1.2.2在离子水溶液中对压电层27材料进行擦洗,放置酒精蒸气内进行干燥;

  1.2.3以二氧化硅为靶材,运用磁控溅射的技术,在压电层27材料上沉淀一层二氧化硅薄膜;

  1.2.4选用氧化铟锡作为指叉电极Ⅰ24和指叉电极Ⅱ31的主要材质,使用磁控溅射技术在二氧化硅上溅射氧化铟锡;

  1.2.5用Ag作导电银浆Ⅰ25和导电银浆Ⅱ30的主要材质,在指叉电极Ⅰ24和指叉电极Ⅱ31两端分别用导电银浆Ⅰ25和导电银浆Ⅱ30引出铜导线16;

  1.2.6用无水乙醇清洗残余的导电银浆Ⅰ25和导电银浆Ⅱ30;

  1.3封装盖28的制备方法包括下列步骤:

  1.3.1所述封装盖28制作流程为环氧值为0.38-0.42的E51型环氧树脂作为基材,石墨烯和苯乙烯热塑性弹性体为填料,表面覆以厚度为0.5mm的聚乙烯薄膜,以酚醛胺为固化剂,以丙酮溶液为稀释剂制备,其中E51型环氧树脂,石墨烯,苯乙烯热塑性弹性体和酚醛胺的质量比为5:1:1:0.1;

  1.3.2将质量比为5:0.1的E51型环氧树脂和酚醛胺混合,放入加热炉70℃加热30分钟,取出;

  1.3.3将丙酮迅速加入E51型环氧树脂和酚醛胺的混合物中,并快速搅拌,同时慢慢加入石墨烯和苯乙烯热塑性弹性体填料,待拌合物搅拌均匀后,将其置于真空干燥器内进行真空处理,获得封装层混合物;

  1.3.4将封装混合物剪碎并与氯化聚乙烯热塑性弹性体混合,再使用单螺杆挤出机在180 摄氏度的温度下挤出成具有隔离双逾渗微观结的丝材;

  1.3.5利用熔融沉积快速成型3D打印技术,打印封装层结构,清洗并冷却至室温后,用按压的方式将聚乙烯薄膜赋予其上。

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