[发明专利]一种可定量调控压电陶瓷圆管表面预应力的纤维缠绕方法

说明书

本发明提供一种可定量调控压电陶瓷圆管表面预应力的纤维缠绕方法，包括表面预应力的分解和计算，缠绕部件的组装与调整，压电陶瓷圆管性能的测量、计算和比较，缠绕完成的固定机制。本发明可以利用纤维胶带重复进行缠绕，实现压电陶瓷圆管表面预应力的定量调控，具备成本低、方法简单、调控准确、适用范围大等优势。

技术领域

本发明涉及超声波传感器技术领域，具体涉及一种可定量调控压电陶瓷圆管表面预应力的纤维缠绕方法。

背景技术

压电陶瓷被广泛用于超声波传感器，可用于超声测距、超声清洗、超声探伤等，在医学、军事、工业、农业上得到广泛应用。超声波传感器的性能直接影响系统性能，是系统的关键性器件。利用径向极化的压电陶瓷圆管制备的超声波传感器具有结构简单、水平无指向性和灵敏度高等优点，然而为了提升压电压电陶瓷机械极限，或提高压电圆管换能器的防水、防冲击和防腐性能等，经常在换能器外侧缠绕纤维层，并利用环氧树脂等有机胶进行固化，导致缠绕完成后，压电陶瓷管的应力不可改变。

此外，纤维缠绕和固化工艺在压电陶瓷圆管表面引入的应力直接影响压电陶瓷圆管的机电性能和压电性能，进而影响压电换能器的灵敏度和效率。若应力施加不当，压电陶瓷圆管只能报废，不可重复利用。

发明内容

针对已有的压电陶瓷圆管纤维缠绕工艺中，环氧树脂在固化后，压电陶瓷管的应力不可改变，以及压电陶瓷圆管不可重复利用的缺陷，本发明提供一种可定量调控压电陶瓷圆管表面预应力的纤维缠绕方法。利用纤维胶带缠绕定量调控压电陶瓷圆管表面预应力，对压电陶瓷圆管完成纤维缠绕之后的压电性能和机电性能进行过程控制，有利于降低成本，提高换能器的灵敏度和效率。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种利用纤维胶带缠绕定量调控压电陶瓷圆管表面预应力的方法，包括以下步骤：

（1）利用螺栓结构固定夹持压电陶瓷圆管；

（2）确定应力预期值，结合换能器尺寸，确定最优初始缠绕参数，包括纤维胶带缠绕层数和悬垂块质量；

（3）裁剪适当纤维胶带长度，在压电陶瓷圆管外表面上预粘接一周；

（4）根据悬垂块的质量，调整悬垂装置，并利用悬垂装置的纤维固定夹板，将纤维胶带另一端固定到悬垂装置；

（5）将螺栓结构与缠绕设备进行组装，完成预定纤维缠绕层数；

（6）拧紧夹板固定装置，并拆除悬垂装置，利用螺栓结构和夹板固定装置使纤维胶带定型；

（7）分别测量压电陶瓷圆管的静态电容C₀和阻抗曲线，分别取G-f和R-f曲线的最大值，得到串联谐振频率 f_s和并联谐振频率 f_p，依据压电圆管的半径高度比得到压电圆管的半径高度归一化修正参数a和b，即可计算压电陶瓷圆管的机电耦合系数 k₃₁和压电应变常数 d₃₁；；

（8）对机电耦合系数和压电应变常数进行评估，若满足使用要求，拆除夹板，压电圆管备用；若机电耦合系数和压电应变常数偏小，可拆除纤维胶带，通过调整悬垂块质量，重复上述步骤，调整预应力，直至圆管的机电耦合系数和压电应变常数符合需求。

优选地，所述的步骤（2）中纤维胶带缠绕层数和悬垂块质量的确定方法为：

①测量压电陶瓷圆管的内半径R₁、外半径R₂和高度h，计算应力常数 α：