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
阅读说明：本技术 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 (Fiber winding method capable of quantitatively regulating and controlling surface prestress of piezoelectric ceramic round tube ) 是由 黄世峰 张晓芳 林秀娟 杨长红 程新 于 2021-07-22 设计创作，主要内容包括：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。(The invention provides a fiber winding method capable of quantitatively regulating and controlling the surface prestress of a piezoelectric ceramic round tube, which comprises the steps of decomposing and calculating the surface prestress, assembling and adjusting a winding part, measuring, calculating and comparing the performance of the piezoelectric ceramic round tube and a fixing mechanism for finishing winding. The method can repeatedly wind by using the fiber adhesive tape, realizes quantitative regulation and control of the prestress on the surface of the piezoelectric ceramic round tube, and has the advantages of low cost, simple method, accurate regulation and control, wide application range and the like.)
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，长度为大于等于，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k 31和压电应变常数d 31；
；
（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径R1、外径R2和高度h，计算应力常数α：
；
②准备纤维胶带，测量纤维厚度t，查询拉伸极限Tc；
③确定压电陶瓷圆管预应力需求Tθ，根据预期换能器成型后的半径R3，对预应力进行最优取值计算：
；
④确定初始纤维缠绕参数纤缠绕层数n，计算悬垂块质量m。
优选地，所述的螺栓结构为：螺栓结构包括左端帽、右端帽，左端帽与右端帽分别套于压电陶瓷圆管的两端，左端帽和右端帽的内侧设有定位垫片；左端帽与右端帽之间设有轴向夹持压电陶瓷圆管的夹紧螺杆，下部均设置有连接杆，并固定到连接层夹板两端，在连接层夹板的中部两侧设有上夹板，上夹板的两端设有固定螺栓。
优选地，所述的左端帽、右端帽和螺杆材料为不锈钢或黄铜等，在轴向夹持压电圆管，定位垫片材料为聚四氟乙烯、尼龙或塑料等，既可以在沿半径的方向固定压电陶瓷圆管，又对压电陶瓷圆管进行轴向保护，防止陶瓷管在轴向应力作用下开裂。定位垫片结构简单，便于加工，可以有效实现不同尺寸压电圆管的固定夹持。
优选地，所述的悬垂装置具有层状结构，顶部有纤维固定夹板，便于夹持纤维；底部由多层层状悬垂块组成，便于进行质量调整；同时层状悬垂块上设有悬垂质量块固定螺栓，固定多层层状悬垂块。
更优选地，所述的纤维为聚酯纤维、玻璃纤维或碳纤维胶带。利用胶带的粘性，在压电陶瓷表面预缠绕一周实现纤维固定；纤维垂直于陶瓷圆管的轴向，沿圆周方向缠绕，表面预应力的大小取决于纤维缠绕层数和悬垂块质量。
有益效果：
（1）采用纤维胶带进行缠绕，便于固定和拆除，缠绕可重复实施，成本低；
（2）对缠绕设备要求低，调控方法简单；
（3）利用纤维缠绕层数和悬垂质量，可以在较大范围内实现预应力的精准施加；
（4）适用范围大，适用于不同尺寸和材料的压电陶瓷圆管。
附图说明
图1为本发明所述的压电陶瓷圆管主视图；
图2为本发明所述的压电陶瓷圆管侧视图；
图3为本发明所述的螺栓结构示意图；
图4为本发明所述的悬垂装置主视图；
图5为本发明所述的悬垂装置侧视图
图6为利用本发明预应力定量施加后压电圆管定量缠绕后的导纳曲线；
图7为利用本发明预应力调控后压电圆管定量缠绕后的导纳曲线；
图8为本发明缠绕方法流程图；
其中1-压电陶瓷圆管、2-纤维、3-悬垂块、3-1纤维固定夹板、3-2 悬垂质量块固定螺栓、3-3 层状悬垂块、4-定位垫片、5-左端帽、6-夹紧螺杆、7-右端帽、8-连接杆、9-上夹板、10-固定螺栓、11-连接层夹板。
具体实施方式
实施例1：
参照附图，本申请的使用的装置螺栓结构为：螺栓结构包括左端帽5、右端帽7，左端帽5与右端帽7分别套于压电陶瓷圆管1的两端，右端帽7的内侧设有定位垫片4；左端帽5与右端帽7之间设有轴向夹持压电陶瓷圆管的夹紧螺杆6，下部均设置有连接杆8，并固定到连接层夹板11两端，在连接层夹板中部的两侧设有上夹板9，上夹板的两端设有固定螺栓10。
左端帽、右端帽和螺杆为不锈钢材料，在轴向夹持压电圆管，定位垫片4为聚四氟乙烯材料，既可以在沿半径的方向固定压电陶瓷圆管，又对压电陶瓷圆管进行轴向保护，防止陶瓷管在轴向应力作用下开裂。定位垫片结构简单，便于加工，可以有效实现不同尺寸压电圆管的固定夹持。
悬垂装置具有层状结构，顶部有纤维固定夹板3-1，便于夹持纤维；底部由多层层状悬垂块3-3组成，便于进行质量调整；同时层状悬垂块3-3上设有悬垂质量块固定螺栓3-2，固定多层层状悬垂块。
纤维为玻璃纤维胶带。利用胶带的粘性，在压电陶瓷表面预缠绕一周实现纤维固定；纤维垂直于陶瓷圆管的轴向，沿圆周方向缠绕，表面预应力的大小取决于纤维缠绕层数和悬垂块质量。
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，该方法包括以下步骤：
（1）准备一个尺寸为R19*R210.75*h26mm压电陶瓷圆管，表面清洁，电极无缺损，计算应力常数α为-2293.8；
（2）准备3M8915玻璃纤维胶带，厚度为0.15mm，抗拉强度TC为596MPa；
（3）利用螺栓结构固定夹持压电陶瓷圆管；
（4）若压电陶瓷圆管应力预期需求Tθ为1MPa，预期换能器成型后的半径R3为12.5mm，则预应力最优取值应满足：
；
（5）若初始纤维缠绕层数n确定为3，则悬垂块质量m计算为1.6kg：
（6）将压电陶瓷螺栓结构与手动缠绕设备进行组装；
（7）裁剪玻璃纤维胶带，长度为500mm，在压电陶瓷圆管上并排铺满玻璃纤维胶带，并预缠绕一周；
（8）根据悬垂块的质量m，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；
（9）利用手动缠绕设备缠绕3层玻璃纤维；
（10）利用夹板和螺栓对纤维进行固定，拆除悬垂装置；
（11）利用keysight4900A 阻抗分析仪测量压电陶瓷圆管的静态电容C0为15.405nF，G-f曲线和R-f曲线如图4所示，从中提取最大值对应的串联谐振频率fs和并联谐振频率fp，分别为43993.99Hz和44234.23Hz。根据CB/T4314-2013获得压电圆管的半径高度归一化修正参数a和 b，并计算压电陶瓷圆管的机电耦合系数k31和压电应变常数d31：
；
通过计算得到k31和d31分别为0.31和161.2*10-12m/V。
（12）若计算所得k31和d31满足需求，则拆除夹板，压电圆管备用；若k31和d31偏小，先拆除纤维胶带，然后尝试保持缠绕层数n不变，通过逐渐降低悬垂块质量降低预应力，重复步骤（4）-（11）。
（13）当预应力降低为0.1MPa，纤维缠绕层数n为3，悬垂块质量m计算为0.16kg，测得静态电容C0为15.306nF，G-f曲线和R-f曲线如图5所示，从中提取谐振频率fs和fp，分别为43873.87Hz和44144.14Hz。根据CB/T4314-2013提取高径比归一化值，并计算压电陶瓷圆管的机电耦合系数k31和压电应变常数d31，分别提高为0.33和171.1*10-12m/V。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种压电陶瓷片的涂银装置