[发明专利]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

权利要求书

1.一种基于增材制造技术的三向振动测试传感器，其特征在于，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；信息管理模块(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Ⅰ(4)、感应组件Ⅲ(8)、感应组件Ⅱ(10)、感应组件Ⅳ(11)、感应组件Ⅴ(15)和感应组件Ⅵ(17)的数据传输接口(21)通信连接。

2.按权利要求1所述的基于增材制造技术的三向振动测试传感器，其特征在于，所述的振动测试组件(B)由感应组件Ⅰ(4)、悬臂梁Ⅰ(5)、悬臂梁Ⅲ(7)、感应组件Ⅲ(8)、悬臂梁Ⅱ(9)、感应组件Ⅱ(10)、感应组件Ⅳ(11)、悬臂梁Ⅳ(12)、圆柱体(13)、悬臂梁Ⅴ(14)、感应组件Ⅴ(15)、悬臂梁Ⅵ(16)和感应组件Ⅵ(17)组成，其中圆柱体(13)上设有中心孔(6)；悬臂梁Ⅰ(5)内端固接于圆柱体(13)左侧上端，感应组件Ⅰ(4)固接于悬臂梁Ⅰ(5)近外端上面；悬臂梁Ⅱ(9)内端固接于圆柱体(13)右侧上端，感应组件Ⅱ(10)固接于悬臂梁Ⅱ(9)近外端下面；悬臂梁Ⅲ(7)内端固接于圆柱体(13)前侧下端，感应组件Ⅲ(8)固接于悬臂梁Ⅲ(7)外端上面；悬臂梁Ⅳ(12)内端固接于圆柱体(13)右侧下端，感应组件Ⅳ(11)固接于悬臂梁Ⅳ(12)外端上面；悬臂梁Ⅴ(14)内端固接于圆柱体(13)后侧下端，感应组件Ⅴ(15)固接于悬臂梁Ⅴ(14)外端上面；悬臂梁Ⅵ(16)内端固接于圆柱体(13)左侧下端，感应组件Ⅵ(17)固接于悬臂梁Ⅵ(16)外端上面。

3.按权利要求2所述的基于增材制造技术的三向振动测试传感器，其特征在于，所述的感应组件Ⅰ(4)、感应组件Ⅲ(8)、感应组件Ⅱ(10)、感应组件Ⅳ(11)、感应组件Ⅴ(15)和感应组件Ⅵ(17)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。

4.按权利要求3所述的基于增材制造技术的三向振动测试传感器，其特征在于，所述的压电片(23)由指叉电极Ⅰ(24)、导电银浆Ⅰ(25)、基底(26)、压电层(27)、封装盖(28)、电极层(29)、导电银浆Ⅱ(30)和指叉电极Ⅱ(31)组成，封装盖(28)左侧设有孔Ⅰ(32)，封装盖(28)右侧设有孔Ⅱ(33)；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Ⅱ(30)固接于电极层(29)左侧，指叉电极Ⅱ(31)右端经封装盖(28)的孔Ⅰ(32)与导电银浆Ⅱ(30)固接；导电银浆Ⅰ(25)固接于电极层(29)右侧，指叉电极Ⅰ(24)左端经封装盖(28)的孔Ⅱ(33)与导电银浆Ⅰ(25)固接。

5.按权利要求1所述的基于增材制造技术的三向振动测试传感器，其特征在于，所述信息管理模块(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)与数据处理单元(35)通信连接；电源管理单元(38)采用3.7V锂电池供电，利用Micro USB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。

6.一种按权利要求1所述基于增材制造技术的三向振动测试传感器的制备方法，其特征在于，包括压电层(27)的制备方法、电极层(29)的制备方法和封装盖(28)的制备方法：

6.1压电层(27)的制备方法包括下列步骤：

6.1.1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SLS 3D打印技术打印而成；

6.1.2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；

6.1.3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；

6.1.4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；

6.1.5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；

6.1.6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；

6.1.7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；

6.1.8利用SLS 3D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各超声清洗处理10min，去除压电层低温干燥，并冷却至室温；

6.1.9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；

6.2电极层(29)的制备方法包括下列步骤：

6.2.1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；

6.2.2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；

6.2.3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；

6.2.4选用氧化铟锡作为指叉电极Ⅰ(24)和指叉电极Ⅱ(31)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；

6.2.5用Ag作导电银浆Ⅰ(25)和导电银浆Ⅱ(30)的主要材质，在指叉电极Ⅰ(24)和指叉电极Ⅱ(31)两端分别用导电银浆Ⅰ(25)和导电银浆Ⅱ(30)引出铜导线(16)；

6.2.6用无水乙醇清洗残余的导电银浆Ⅰ(25)和导电银浆Ⅱ(30)；

6.3封装盖(28)的制备方法包括下列步骤：

6.3.1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；

6.3.2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；

6.3.3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；

6.3.4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；

6.3.5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。