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CN113916422B - 一种用于空心类紧固件超声传感器加工中的绝缘遮蔽结构 - Google Patents

一种用于空心类紧固件超声传感器加工中的绝缘遮蔽结构 Download PDF

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Abstract

本发明创造提供了一种用于空心类紧固件超声传感器加工中的绝缘遮蔽结构，包括紧固件基体、压电层、绝缘保护层、金属电极层，压电层、绝缘保护层、金属电极层依次设置在紧固件基体端面上，所述紧固件基体中间设有中心孔，金属电极层在中心孔的外侧依次设有内绝缘环和外绝缘环，内绝缘环和外绝缘环与中心孔同轴。本发明创造所述的一种应用于空心类紧固件超声传感器加工中的绝缘遮蔽结构，增强了传感器双电极结构的稳定性、保证了闭合回路的形成，有利于超声传感器顺利完成电信号和机械信号之间的转换，大大提高了在空心销轴类紧固件上制备超声传感器的合格率。

Description

一种用于空心类紧固件超声传感器加工中的绝缘遮蔽结构
技术领域
本发明创造属于空心销传感器领域，尤其是涉及一种用于空心类紧固件超声传感器加工中的绝缘遮蔽结构。
背景技术
根据圆轴扭转时截面上剪切应力的分布规律可知，截面上各点处的剪切应力大小与该点到轴心的距离成正比，故轴心处的剪切应力为零，可以简单认为接近轴心处的材料没有充分发挥作用。把轴设计为空心销轴，可以充分利用材料，减轻零部件质量。大量的实验结果表明，壁厚设计合理的空心销轴可以在载荷相同的条件下保持和实心轴相当的力学性能和服役寿命。在一些对质量要求比较严格的机械设备上，采用空心销轴的设计已经非常普遍。
智能螺栓的超声传感器目前已发展了两代：第一代采用贴片式超声传感器，将其粘贴在螺栓的头部或尾端；第二代通过物理气相沉积的方式在螺栓头部或尾端原位生长永久型超声传感器，从而解决贴片式超声传感器稳定性差，胶黏剂老化等问题。目前，通过物理气相沉积在紧固件上制备超声传感器，再利用相应测量仪器完成信号采集处理从而检测紧固件预紧力的技术成为了研究热点，具有广阔的应用前景。
永久型超声传感器一般包含压电层，绝缘层和金属层三层结构，在现有的加工方式下，在压电层和绝缘层制备完成后，需要根据紧固件的规格和头型在加工端面粘附一定尺寸的绝缘遮蔽环模具，物理性遮挡金属层的沉积并最终形成由表面中心圆金属层和零件剩余部分作为电极的完整闭合回路。但空心圆柱体的销轴，在制备金属层的过程中无法避免金属在内壁沉积成膜，最终整个零件串联导通，不能构成双电极结构、无法形成闭合回路、电信号不能激发产生机械信号，导致预紧力无法测量；尝试改变沉积方式——工装不旋转，试样垂直正对靶材静止沉积，保持加工端面和靶材表面平行，但内壁仍难以避免金属层的沉积与附着，零件各部分电阻值差异明显，无法完成预紧力的测量。
发明内容
有鉴于此，本发明创造旨在提出一种用于空心类紧固件超声传感器加工中的绝缘遮蔽结构，以解决传统单绝遮蔽环传感器应用在空心销类紧固件两电极短路问题。
为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：
一种用于空心类紧固件超声传感器加工中的绝缘遮蔽结构，包括紧固件基体、压电层、绝缘保护层、金属电极层，压电层、绝缘保护层、金属电极层依次设置在紧固件基体端面上，所述紧固件基体中间设有中心孔，金属电极层在中心孔的外侧依次设有内绝缘环和外绝缘环，内绝缘环和外绝缘环与中心孔同轴。
进一步的，所示外绝缘环内壁与内绝缘环外壁之间的距离至少为1.5mm，便于探头安装和信号采集测量。
进一步的，所述外绝缘环和内绝缘环的宽度均为1-3mm。外绝缘环和内绝缘环设置的宽度能够便于外绝缘环和内绝缘环的贴附和去除，并且使外绝缘环和内绝缘环能够易于保持环形结构。
进一步的，所述紧固件基体为螺栓，内绝缘环的内环直径至少为中心孔的孔径，能够保证紧固件基体的中心孔内壁与中心电极绝缘。外绝缘环的内环直径不超过螺栓的螺纹小径，能够保证超声波的有效传输。
进一步的，所述内绝缘环和外绝缘环与空心销的同轴度最大为0.1mm。同轴度能够保证电极结构和信号的稳定性。
进一步的，所述金属电极层厚度至少为2μm。金属电极层厚度保证电极导电性，起到一定的保护传感器整体结构的作用。
一种用于空心类紧固件超声传感器加工中的绝缘遮蔽结构的加工方法，包括如下步骤：
S1:在紧固件基体(4)进行压电层(3)和绝缘保护层(2)的制备；
S2：通过激光加工的方式在粘附于耐高温板的高分子耐热胶上制备一定尺寸的内绝缘环模具和外绝缘环模具；
S3：在金属电极层(1)沉积之前检测试样电阻，合格后将双绝缘遮蔽环模具按要求贴附在加工端面上，注意保持同轴度；
S4：在金属电极层(1)沉积后，将内绝缘环模具和外绝缘环模具去除，完成传感器制备。
进一步的，在S1中使用的高分子耐热胶的受热温度为最少为300℃，厚度最少为0.05mm。高分子耐热胶的受热温度高，能够使高分子耐热胶的粘性好，服帖性好，使用后不残胶，厚度要求保证环内外金属电极层不会导通。在粘附和去除双绝缘环时应注意保护已加工的膜层，减少由于操作带来的膜层磕碰擦伤。
进一步的，在S1中的激光加工的激光速率为15-20mm/s，激光功率为70％-90％，激光频率为20kHz。激光的参数能够保证环形尺寸准确，边缘规整，保证最终传感器外观。在中心电极和外围电极之间施加电压时，外围电极通过紧固件基体将电压传到至压电层下侧，中心电极由于双绝缘遮蔽环结构的作用，中心电极将电压传至压电层上侧，而不会与紧固件基体连接形成短路，如图5所示。
进一步的，所述耐高温板包括有机玻璃板、亚克力板、环氧树脂板。
相对于现有技术，本发明创造所述的一种用于空心类紧固件超声传感器加工中的绝缘遮蔽结构具有以下有益效果：
将中心电极与通孔内部隔离开，形成双绝缘遮蔽环结构，确保在金属电极层沉积时表面环形中心电极与内壁绝缘。解决了传统单绝遮蔽环传感器应用在空心销类紧固件两电极短路问题。其增强了传感器双电极结构的稳定性、保证了闭合回路的形成，有利于超声传感器顺利完成电信号和机械信号之间的转换，大大提高了在空心销类紧固件上制备传感器的合格率。
附图说明
构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：
图1为永久型传感器示意图；
图2为单绝缘环3D示意图；
图3为单绝缘遮蔽环传感器微观结构示意图；
图4为双绝缘环3D示意图；
图5为双绝缘遮蔽环传感器微观结构示意图。
附图说明：
1、金属电极层；2、绝缘保护层；3、压电层；4、紧固件基体；5、外绝缘环；6、内绝缘环；7、中心孔。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。
实施例1：
以某航空发动机使用的型号为XXX8-103空心销为例，在其要求的加工端面依次完成压电层和绝缘保护层的制备，检测电阻值＞2MΩ后，粘附双绝缘环模具，然后溅射金属电极层，最终去除绝缘环模具，完成传感器结构的整体制备，其双环型绝缘结构的具体参数如下：聚氨酯(PU)绝缘胶耐受温度340℃，厚度0.1mm；激光加工参数：速率20mm/s，功率90％，频率20kHz；内绝缘环宽度＝1mm，外绝缘环宽度＝2mm；空心销空心圆柱体直径φ1＝12.70mm，内绝缘环内圆直径d1＝12.70mm，外圆直径d1＝14.70mm；空心销外螺纹小径φ2＝17.80mm，外绝缘环内圆直径D1＝17.70mm，外绝缘环外圆直径D2＝21.70mm；通过双绝缘环形成的环形金属电极层电极宽度l＝1.5mm；双绝缘环与空心销的同轴度：≤0.1mm，金属电极层厚度2-5μm。在中心电极和外围电极之间随机选取5组测量点位，分别测量其电阻值，结果如表1所示。
表1双绝缘遮蔽环制备传感器电阻值
测量点 电阻值
1 2.31MΩ
2 3.62MΩ
3 3.41MΩ
4 2.87MΩ
5 3.02MΩ
对比例1：
以某航空发动机使用的型号为XXX8-103空心销为例，在其要求的加工端面依次完成压电层和绝缘保护层的制备，检测电阻值＞2MΩ后，粘附单绝缘环模具，然后溅射金属电极层，最终去除绝缘环模具，完成传感器结构的整体制备，聚氨酯(PU)绝缘胶耐受温度340℃，厚度0.1mm；激光加工参数：速率20mm/s，功率90％，频率20kHz；绝缘环宽度＝2mm；空心销空心圆柱体直径φ1＝12.70mm，外圆直径d1＝14.70mm；空心销外螺纹小径φ2＝17.80mm，绝缘环内圆直径D1＝17.70mm，绝缘环外圆直径D2＝21.70mm；金属电极层厚度2-5μm。
在中心电极和外围电极之间随机选取5组测量点位，分别测量其电阻值，结果如表2所示。
表2单绝缘遮蔽环制备传感器电阻值
测量点 电阻值
1 0.3Ω
2 1.1Ω
3 0.3Ω
4 1.2Ω
5 0.6Ω
从实施例1和对比例1能够看出，使用单绝缘遮蔽环制备传感器，中心电极与外围电极之间电阻值很小，相当于短路，因此不能在两电极之间形成足够大的电压值来驱动传感器正常工作。实施例1中的测量的电阻值能够满足要求，不会使中心电极将通过空心内壁与外围电极短路，从而解决了传统单绝遮蔽环传感器应用在空心销类紧固件两电极短路问题。
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于空心类紧固件超声传感器加工中的绝缘遮蔽结构的加工方法，其特征在于：绝缘遮蔽结构包括紧固件基体(4)、压电层(3)、绝缘保护层(2)、金属电极层(1)，压电层(3)、绝缘保护层(2)、金属电极层(1)依次设置在紧固件基体(4)端面上，所述紧固件基体(4)中间设有中心孔(7)，金属电极层(1)在中心孔的外侧依次设有内绝缘环(6)和外绝缘环(5)，内绝缘环(6)和外绝缘环(5)与中心孔(7)同轴；
上述空心类紧固件超声传感器加工中的绝缘遮蔽结构的加工方法，包括如下步骤：
S1:在紧固件基体(4)进行压电层(3)和绝缘保护层(2)的制备；
S2：通过激光加工的方式在粘附于耐高温板的高分子耐热胶上制备一定尺寸的内绝缘环模具和外绝缘环模具；
S3：在金属电极层(1)沉积之前检测试样电阻，合格后将双绝缘遮蔽环模具按要求贴附在加工端面上，注意保持同轴度；
S4：在金属电极层(1)沉积后，将内绝缘环模具和外绝缘环模具去除，完成传感器制备。
2.根据权利要求1所述的一种用于空心类紧固件超声传感器加工中的绝缘遮蔽结构的加工方法，其特征在于：所述外绝缘环(5)内壁与内绝缘环(6)外壁之间的距离至少为1.5mm。
3.根据权利要求1所述的一种用于空心类紧固件超声传感器加工中的绝缘遮蔽结构的加工方法，其特征在于：所述外绝缘环(5)和内绝缘环(6)的宽度均为1-3mm。
4.根据权利要求1所述的一种用于空心类紧固件超声传感器加工中的绝缘遮蔽结构的加工方法，其特征在于：所述紧固件基体(4)为螺栓，内绝缘环(6)的内环直径至少为中心孔的孔径，外绝缘环(5)的内环直径不超过螺栓的螺纹小径。
5.根据权利要求1所述的一种用于空心类紧固件超声传感器加工中的绝缘遮蔽结构的加工方法，其特征在于：所述内绝缘环(6)和外绝缘环(5)与中心孔(7)的同轴度最大为0.1mm。
6.根据权利要求1所述的一种用于空心类紧固件超声传感器加工中的绝缘遮蔽结构的加工方法，其特征在于：所述金属电极层(1)厚度至少为2μm。
7.根据权利要求1所述的一种用于空心类紧固件超声传感器加工中的绝缘遮蔽结构的加工方法，其特征在于：在S1中使用的高分子耐热胶的受热温度为最少为300℃，厚度最少为0.05mm。
8.根据权利要求1所述的一种用于空心类紧固件超声传感器加工中的绝缘遮蔽结构的加工方法，其特征在于：在S1中的激光加工的激光速率为15-20mm/s，激光功率为70％-90％，激光频率为19-21kHz。
9.根据权利要求1所述的一种用于空心类紧固件超声传感器加工中的绝缘遮蔽结构的加工方法，其特征在于：所述耐高温板包括有机玻璃板、环氧树脂板。
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