一种喷涂式传感器及其制作方法、无线传感系统与流程

本申请涉及无线传感技术领域，特别是涉及一种喷涂式传感器及其制作方法、无线传感系统。

背景技术：

航空航天工业和海洋产业装备技术也日渐成熟，但是航空航天工业和海洋产业装置关键结构的检测手段还依然局限于传统的结构健康监测和无损检测手段，比如磁粉检测、射线检测等。虽然这些技术各有其优点，但是针对于一些特殊行业仍然由于其技术手段固有缺点而无法应用。

为了保证航空航天以及海洋产业的生产安全，必须周期性的对于关键构件进行安全性检测，以保证设备运行安全。超声无损检测由于其利用声波在固体结构传播的特点，能够通过超声波在结构频散特性和非线性特征来检测结构中的疲劳缺陷、蠕变缺陷、夹渣等结构常见缺陷。

通常采用压电陶瓷作为核心激发和接收的传感器来作为传感器网络的核心部件，但是由于压电陶瓷具有密度大、重量大、体积大等缺点，在构成传感器检测阵列的过程中，会造成航天、航空器件和海洋装备不必要的重量增加，造成安全以及经济性方面的负担，降低了这些装备在实际应用和生产过程中的安全性。传统的结构健康检测系统一般都是采用实体导线对于传感器进行信号的接收和传感器的激发，这就根本上导致了结构健康检测系统的复杂度，监测系统的维护相对困难，并且产生大量的成本。

技术实现要素：

为解决上述问题，本申请提供了一种喷涂式传感器及其制作方法、无线传感系统，一方面减少了待检测结构的负载，另一方面缩小了系统的冗余以及复杂度，降低了成本，提高了后期可维护性。

本申请采用的一个技术方案是：提供一种无线传感系统，该无线传感系统包括：喷涂式传感器，喷涂于待检测机构上；上位机；无线传感电路，连接喷涂式传感器和上位机，用于接收喷涂式传感器获取的传感信号，并将传感信号处理后发送给上位机，或用于接收上位机发送的控制信号，基于控制信号生成激励信号，并对喷涂式传感器进行激励，以使喷涂式传感器产生振动信号对待检测机构进行检测。

其中，喷涂式传感器包括：柔性压电层，喷涂于待检测机构上；电极层，设置于柔性压电层的表面，并连接无线传感电路。

其中，柔性压电层采用铁电高分子聚合物制作得到。

其中，喷涂式传感器的数量为多个；无线传感电路，连接多个喷涂式传感器和上位机，用于接收多个喷涂式传感器获取的传感信号，并将传感信号处理后发送给上位机，或用于接收上位机发送的控制信号，基于控制信号生成激励信号，并对多个喷涂式传感器中的至少一个进行激励，以使被激励的喷涂式传感器产生振动信号对待检测机构进行检测。

其中，无线传感电路包括：无线通信电路，用于与上位机进行数据交互；通道选择器，连接多个喷涂式传感器，用于对多个喷涂式传感器中的至少一个进行选择；第一处理电路，连接无线通信电路和通道选择器，用于根据无线通信电路接收的控制信号生成对应的激励信号；第二处理电路，连接无线通信电路和通道选择器，用于对传感信号进行调制处理。

其中，第一处理电路包括：信号发生器，连接无线通信电路，用于根据无线通信电路接收的控制信号生成对应的激励信号；功率放大器，连接信号发生器和通道选择器，用于对激励信号进行放大处理。

其中，第二处理电路包括：电荷放大器，连接通道选择器，用于对传感信号进行放大处理；信号调制电路，连接电荷放大器和无线通信电路，用于对放大处理后的传感信号进行滤波处理。

本申请采用的另一个技术方案是：提供一种喷涂式传感器，该喷涂式传感器包括：柔性压电层，喷涂于待检测机构上；电极层，设置于柔性压电层的表面，用于将电荷信号转换为电压信号。

其中，柔性压电层采用铁电高分子聚合物制作得到。

本申请采用的另一个技术方案是：提供一种喷涂式传感器的制作方法，该方法包括：在待检测机构上喷涂柔性压电涂料，以形成柔性压电层；在柔性压电层上形成电极层；对柔性压电层进行电晕极化处理。

其中，在柔性压电层上形成电极层，包括：采用点胶或溅射的方式在柔性压电层上形成电极层。

本申请提供的无线传感系统包括：喷涂式传感器，喷涂于待检测机构上；上位机；无线传感电路，连接喷涂式传感器和上位机，用于接收喷涂式传感器获取的传感信号，并将传感信号处理后发送给上位机，或用于接收上位机发送的控制信号，基于控制信号生成激励信号，并对喷涂式传感器进行激励，以使喷涂式传感器产生振动信号对待检测机构进行检测。通过上述方式，一方面采用了喷涂式传感器，比传统的压电陶瓷换能器更加轻便、体积更小，减少了待检测结构的负载。而且能够满足航空航天业和海洋产业的需求。另一方面结合无线传输技术，能够将检测和激励通过无线信号传输，进一步缩小了系统的冗余以及复杂度，降低了成本，提高了后期可维护性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：

图1是本申请提供的无线传感系统一实施例的结构示意图；

图2是本申请提供的喷涂式传感器一实施例的结构示意图；

图3是本申请提供的喷涂式传感器的制作方法一实施例的流程示意图；

图4是本申请提供的无线传感电路第一实施例的结构示意图；

图5是本申请提供的无线传感电路第二实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分而非全部结构。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

参阅图1，图1是本申请提供的无线传感系统一实施例的结构示意图，该无线传感系统10包括喷涂式传感器11、上位机12和连接喷涂式传感器11和上位机12的无线传感电路13。

其中，该喷涂式传感器11喷涂于待检测机构上，用于获取传感信号或者产生振动信号以对待检测机构进行检测。

喷涂式传感器11具有柔性、超轻、超薄、低成本、高可靠性等优点。喷涂材料一般都是pvdf(聚偏氟乙烯)等高分子压电材料及其掺杂物构成，经过专用的喷涂设备在待检测机构表面喷涂成为特定形状的传感器(或传感器阵列)，通过电晕极化改变高分子压电材料中偶极子的偏转，通过铺设电极并且施加交流激励电压，这就是主动模式下，通过偶极子的偏转从而激发超声波。而在被动模式下，利用超声波在固体材料中传播造成以高分子压电材料制成的传感器的轻微震动，材料中偶极子在受迫振动下的逆压电效应，产生电荷的流动并且导致电压信号的变化，通过采集信号进行分析，确定冲击发生或者结构缺陷产生的位置。

继续参阅图2，图2是本申请提供的喷涂式传感器一实施例的结构示意图，该喷涂式传感器11包括层叠设置的柔性压电层111和电极层112。其中，柔性压电层111喷涂于待检测机构上；电极层112设置于柔性压电层111的表面，并连接无线传感电路13。

可选地，在一实施例中，该柔性压电层111采用铁电高分子聚合物制作得到。

结合图3，图3是本申请提供的喷涂式传感器的制作方法一实施例的流程示意图，该方法包括：

步骤31：在待检测机构上喷涂柔性压电涂料，以形成柔性压电层。

具体地，以铁电聚合物材料为例，首先对于铁电聚合物材料的粉末进行溶解，待完全溶解后得到所需溶液。将制备完成的压电材料溶液置于喷雾装置中，利用喷涂法将溶液喷涂到待测试件表面，试件表面光滑利于薄膜附着，通过加热平台加热到一定温度增加压电材料与待测结构之间的粘结性，保证成膜的稳定性。

可选地，在一具体实施例中，可以采用nordson781ssspay喷雾阀，将溶解的溶液喷涂在待检测机构上。

可以理解地，上述的喷涂方式仅仅是举例，在其他实施例中，还可以采用涂覆的方式进行。

步骤32：在柔性压电层上形成电极层。

可选地，在一实施例中，可以采用点胶或溅射的方式在柔性压电层上形成电极层。例如，可以采用真空溅射的方式在柔性压电层上制作电极层。

可选地，在一具体实施例中，可以采用nordsonefdpicopulse系列点胶设备，采用0.1mm针头进行点胶工艺。

步骤33：对柔性压电层进行电晕极化处理。

极化是让压电材料中杂乱取向的分子偶极矩沿着特定方向取向，改善压电材料的铁电性能，使薄膜具有更加优异的压电性能。电极层是用来对于压电材料产生的电荷进行收集和导出，通过点胶设备或溅射电极将进行不同形状的电极的制作。可以采用叉指电极通过高频交流电信号来激发超声波并且可以通过感知机械波来检测超声波信号。经过多个位置的喷涂，在一个平面上由多个喷涂式传感器形成传感器网络。

可选地，在一具体实施例中，可以采用nordsonencoreautomaticgunsencore自动喷枪，通过高压电源时空气中的氧电离成为负氧离子，然后喷射到薄膜表面进行极化。

进一步，在本实施例中，无线传感电路13可以工作在两种不同的模式：

被动模式：无线传感电路13接收喷涂式传感器11获取的传感信号，并将传感信号处理后发送给上位机12。具体地，利用超声波在待检测机构中传播造成喷涂式传感器11的轻微震动，喷涂式传感器11中柔性压电层111的偶极子在受迫振动下的逆压电效应，产生电荷的流动并且导致电压信号的变化，通过无线传感电路采集信号进行处理并发送至上位机进行分析，确定冲击发生或者结构缺陷产生的位置。

主动模式：无线传感电路13接收上位机12发送的控制信号，基于控制信号生成激励信号，并对喷涂式传感器11进行激励，以使喷涂式传感器产生振动信号对待检测机构进行检测。具体地，在激励时，通过喷涂式传感器11中柔性压电层111的偶极子的偏转从而激发超声波。

区别于现有技术，本实施例提供的无线传感系统包括：喷涂式传感器，喷涂于待检测机构上；上位机；无线传感电路，连接喷涂式传感器和上位机，用于接收喷涂式传感器获取的传感信号，并将传感信号处理后发送给上位机，或用于接收上位机发送的控制信号，基于控制信号生成激励信号，并对喷涂式传感器进行激励，以使喷涂式传感器产生振动信号对待检测机构进行检测。通过上述方式，一方面采用了喷涂式传感器，比传统的压电陶瓷换能器更加轻便、体积更小，减少了待检测结构的负载。而且能够满足航空航天业和海洋产业的需求。另一方面结合无线传输技术，能够将检测和激励通过无线信号传输，进一步缩小了系统的冗余以及复杂度，降低了成本，提高了后期可维护性。

参阅图4，图4是本申请提供的无线传感电路第一实施例的结构示意图。

在本实施例中，喷涂式传感器11的数量为多个，多个喷涂式传感器11可以阵列分布的方式喷涂于待检测机构表面；无线传感电路13连接多个喷涂式传感器11和上位机12，用于接收多个喷涂式传感器11获取的传感信号，并将传感信号处理后发送给上位机12，或用于接收上位机12发送的控制信号，基于控制信号生成激励信号，并对多个喷涂式传感器11中的至少一个进行激励，以使被激励的喷涂式传感器11产生振动信号对待检测机构进行检测。

其中，无线传感电路13包括无线通信电路131、通道选择器132、第一处理电路133和第二处理电路134。

无线通信电路131用于与上位机12进行数据交互；通道选择器132连接多个喷涂式传感器11，用于对多个喷涂式传感器11中的至少一个进行选择；第一处理电路133连接无线通信电路131和通道选择器132，用于根据无线通信电路131接收的控制信号生成对应的激励信号；第二处理电路134连接无线通信电路131和通道选择器132，用于对传感信号进行调制处理。

可选地，该无线通信电路131可以为蓝牙电路，用于与上位机12进行蓝牙通信。

进一步，在本实施例中，无线传感电路13可以工作在两种不同的模式：

被动模式：喷涂式传感器11采集到传感信号后，通过通道选择器132发送给第二处理电路134，第二处理电路134对传感信号处理后发送给上位机12。具体地，利用超声波在待检测机构中传播造成喷涂式传感器11的轻微震动，喷涂式传感器11中柔性压电层111的偶极子在受迫振动下的逆压电效应，产生电荷的流动并且导致电压信号的变化，通过第二处理电路134采集信号进行处理并发送至无线通信电路131，并通过无线通信电路131发送给上位机进行分析，确定冲击发生或者结构缺陷产生的位置。

主动模式：无线通信电路131接收上位机12发送的控制信号，并将控制信号发送给第一处理电路133，第一处理电路133基于控制信号生成激励信号，由于该激励信号只对某一个或多个喷涂式传感器11进行激励，所以需要通过到选择器132选择连通相应的喷涂式传感器11，并对该喷涂式传感器11进行激励，以使喷涂式传感器产生振动信号对待检测机构进行检测。具体地，在激励时，通过喷涂式传感器11中柔性压电层111的偶极子的偏转从而激发超声波。

参阅图5，图5是本申请提供的无线传感电路第二实施例的结构示意图。

在本实施例中，喷涂式传感器11的数量为多个，多个喷涂式传感器11可以阵列分布的方式喷涂于待检测机构表面；无线传感电路13连接多个喷涂式传感器11和上位机12，用于接收多个喷涂式传感器11获取的传感信号，并将传感信号处理后发送给上位机12，或用于接收上位机12发送的控制信号，基于控制信号生成激励信号，并对多个喷涂式传感器11中的至少一个进行激励，以使被激励的喷涂式传感器11产生振动信号对待检测机构进行检测。

其中，无线传感电路13包括无线通信电路131、通道选择器132、第一处理电路133和第二处理电路134。

无线通信电路131用于与上位机12进行数据交互；通道选择器132连接多个喷涂式传感器11，用于对多个喷涂式传感器11中的至少一个进行选择；第一处理电路133连接无线通信电路131和通道选择器132，用于根据无线通信电路131接收的控制信号生成对应的激励信号；第二处理电路134连接无线通信电路131和通道选择器132，用于对传感信号进行调制处理。

其中，第一处理电路133包括信号发生器1331和功率放大器1332，其中，信号发生器1331连接无线通信电路131，用于根据无线通信电路131接收的控制信号生成对应的激励信号；功率放大器1332连接信号发生器1331和通道选择器132，用于对激励信号进行放大处理。

其中，第二处理电路134包括电荷放大器1341和信号调制电路1342，其中，电荷放大器1341连接通道选择器132，用于对传感信号进行放大处理；信号调制电路1342连接电荷放大器1341和无线通信电路131，用于对放大处理后的传感信号进行滤波处理。

进一步，在本实施例中，无线传感电路13可以工作在两种不同的模式：

被动模式：被动模式下，喷涂式传感器11产生的电荷信号不能够直接被捕捉，需要将电荷信号转化为电压信号，电荷放大器1341是由类似于opa141(jfet精密放大器)的运算放大器组成电荷放大器，变成电压信号之后，由于原生的电压信号受到线路干扰、外界环境的电磁干扰等，造成信号干扰过强，则需要加入低通滤波器和高通滤波器等组成的信号调理电路1342。

可选地，无线通信电路131内部集成了模数转换器(例如12位高采样速率的adc)、处理器(如armcortex-m4f)和射频芯片(如nrf52840)，可将电压信号高精度采样传入armcortex-m4f内部进行处理，随后通过armcortex-m4f与nrf52840射频芯片的串口通讯将信号发送到上位机12。

主动模式：主动模式下，喷涂式传感器11的激励信号是通过信号发生器1331、功率放大器1332、通道选择器132通过特定的激励路径的来实现传感器阵列中某一个喷涂式传感器11的激发，而其他传感器自动变为接收状态，为了提高后期信号分析的精度，可以通过通道选择器进行多个传感器按照一定顺序激励，获得更加优质的超声传感信号。

具体地，上位机12针对某种待检测机构发出特定通道的激励信号之后，信号被无线通信电路131的无线通讯串口接收，i/o接口输出通道信号制定通道选择器选择某一通道进行激励，然后信号由信号发生器发生，然后通过功率放大器直接激发在特定的传感器上，产生喷涂式传感器振动所产生的瑞利波，以便检测结构中的缺陷和健康状态。

本实施例具有以下优点：

1、喷涂式传感器柔性、超轻、超薄、低成本、可靠性高、重复性好、灵敏度高、无需耦合及附加装置且价格低廉，不会增加结构本身的负载。相比于压电陶瓷可以降低80％的换能器质量，大大降低了传感器网络的负载状况。

2、由于采用喷涂高分子压电材料，压电换能器可现场制备，制备方式简单，形成的传感器结构和性能十分稳定。

3、通过通道选择器和无线通信电路对于某一个特定的传感器进行激发。采用了主动激励和被动接收一体的结构健康检测系统。

以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是根据本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。