一種單弧面非貫通型氣體基線聚焦空氣耦合傳感器的製作方法
2023-09-15 14:39:40
本發明涉及一種用於空氣耦合式超聲檢測的單弧面非貫通型氣體基線聚焦壓電傳感器，屬於聲學換能器技術領域，其作用是把激勵端產生的電信號轉換為壓電材料的振動進而產生超聲波，同時接收從被測件反射回的聲波信號，並將其轉換為電信號。整個激勵和接收過程均採用空氣耦合的方式，實現了對被測材料進行非接觸檢測的目的。
背景技術：
在超聲波檢測中，利用耦合介質進行聲波耦合的方法佔主導地位，但耦合介質的使用會使耦合條件存在差異，對激勵、接收信號的幅值和相位有較大影響，並且耦合劑會使試樣受潮或變汙，影響被測材料的性能和正常使用。另外，耦合劑的耦合效果在不同環境溫度條件下差異較大，會嚴重影響檢測效果。因此，非接觸式超聲檢測技術得到了廣泛應用。目前，非接觸式超聲檢測技術主要有空氣耦合超聲檢測技術、電磁超聲檢測技術和雷射超聲檢測技術，此三種方法均無需採用任何液體或固體耦合介質即可直接在被測件中激勵出超聲波，而空氣耦合超聲檢測技術對設備和被測件的要求較低，解決了實驗條件難以統一的問題。
在空氣耦合檢測過程中，壓電敏感元件與空氣之間存在著高聲阻抗差，大大降低了能量傳輸效率。針對這個問題，設計製作非貫通型氣體基壓電複合材料，使其等效聲阻抗能夠儘量與空氣接近，提高能量傳輸效率。除此之外，聲波在空氣中傳播時存在著較大的能量衰減，減少了傳播到被測件中的聲波能量，也大大減弱了傳感器接收到的聲能量的強度。為了解決這個問題，設計製作聚焦式傳感器，以實現聲能量的匯聚，提高傳播到被測件以及接收傳感器中的聲能量的強度。目前，常規的聚焦式傳感器是採用在壓電材料表面增加聲透鏡的方法，來實現聲波的匯聚。由於在製作精密聲透鏡時，材料昂貴、加工困難，且激勵元件與透鏡之間的聲阻抗不匹配以及鏡頭與空氣之間的聲阻抗不匹配，導致了能量傳輸效率的下降，因此傳統的透鏡式聚焦傳感器不適用於空氣耦合超聲檢測。而以具有單弧面結構的非貫通型氣體基壓電複合材料作為敏感元件製作的線聚焦式傳感器，既可以保證傳感器的低聲阻抗特性，又可以實現聲能量的聚焦，最終可適用到空氣耦合超聲檢測中。
技術實現要素：
本發明的目的是提出一種單弧面非貫通型氣體基線聚焦空氣耦合傳感器，並將激勵/接收統一在一個傳感器中，實現非接觸檢測的目的。
為了實現上述目的，本發明包含了如下部件：單弧面非貫通型氣體基壓電複合材料1、上電極2、下電極3、阻抗匹配層4、背襯層5、阻抗匹配電路6、金屬外殼7、BNC接頭8。
傳感器的整體裝配圖如圖1所示，單弧面非貫通型氣體基壓電複合材料結構示意圖如圖2所示。
整個傳感器的核心部件為單弧面非貫通型氣體基壓電複合材料1，單弧面非貫通型氣體基壓電複合材料1的上、下表面分別鍍有金屬電極上電極2、下電極3；背襯層5與上電極2粘結，阻抗匹配層4與下電極3粘接；上電極2、下電極3組成電極端；阻抗匹配電路6設置在背襯層5的頂部，阻抗匹配電路6與BNC接頭8連接並固定在金屬外殼7的頂部，上電極2與BNC接頭8的插針導通，下電極3與BNC接頭8的殼體導通。金屬外殼7用於封裝單弧面非貫通型氣體基壓電複合材料1、上電極2、下電極3、阻抗匹配層4、背襯層5、阻抗匹配電路6，且所有封裝部件在裝配時均與金屬外殼7同軸布置。
單弧面非貫通型氣體基壓電複合材料1為本傳感器的核心部件，該核心部件由壓電柱9和環氧樹脂支架11組成，壓電柱9在環氧樹脂支架11內等間距布置，各壓電柱9之間以及各壓電柱9與環氧樹脂支架11之間填充有非貫通的空氣隙10。
壓電柱9的幾何結構是橫截面為正方形的長方體，如圖4所示，其橫截面邊長為a＝0.5mm～2.5mm，高度為h＝5mm～25mm。
如圖3、圖6所示，環氧樹脂支架11是含有非貫通型空氣隙10的結構，空氣隙10的兩端設有厚度均勻的環氧樹脂層，該環氧樹脂層厚度為r＝0.5mm～1mm；如圖2所示，單弧面非貫通型氣體基壓電複合材料1底部中間設有圓柱面，單弧面非貫通型氣體基壓電複合材料1整體橫截面邊長為s＝10mm～40mm，邊緣高度f＝5mm～25mm，圓柱面半徑為R＝2mm～30mm，張角為θ＝20°～100°，圓柱面長度s＝10mm～40mm。
壓電柱9在環氧樹脂支架11內等間距對稱布置，結構如圖3、圖5所示，斜線填充部分為壓電柱9，未填充部分為非貫通的空氣隙10，空氣隙10由正方形結構和長方形結構組成，長方形結構的空氣隙10設置在各壓電柱9平面之間，正方形結構的空氣隙10設置在各壓電柱9對角之間；長方形結構的空氣隙的長度等於壓電柱9的截面邊長a，寬度為b＝0.2mm～0.8mm，正方形結構的空氣隙的邊長等於b；每個重複單元中的支架寬度為c＝0.1mm～0.3mm。壓電複合材料的上電極2、下電極3的厚度均為50nm～500nm，阻抗匹配層4的厚度為3mm～8mm，背襯層5的厚度為10mm～30mm。
本發明以一種單弧面非貫通型氣體基壓電複合材料作為敏感元件，製作出具有線聚焦功能的空氣耦合傳感器，該傳感器具有聲阻抗低、能量傳輸效率高、聲能量集中等優點。
附圖說明
圖1傳感器整體裝配圖；
圖2單弧面非貫通型氣體基壓電複合材料結構示意圖；
圖3壓電複合材料局部剖視俯視圖；
圖4壓電柱結構示意圖；
圖5壓電複合材料周期性結構圖；
圖6壓電複合材料局部剖視正視圖。
具體實施方式
下面結合附圖1-6，以張角θ＝90°，聚焦半徑R＝20mm的傳感器為實例對具體的實施方式作進一步的說明。這裡選定壓電柱9的橫截面邊長為a＝1.5mm，高度h＝15mm；環氧樹脂支架11的整體橫截面邊長為s＝32.5mm，邊緣高度f＝15mm，圓柱面長度s＝32.5mm，長方形空氣隙橫截面尺寸a×b：1.5mm×0.5mm，正方形空氣隙橫截面尺寸b×b：0.5mm×0.5mm，空氣隙10兩端的環氧樹脂層厚度為r＝0.5mm，支架寬度c＝0.2mm。
如圖1所示，該傳感器包括單弧面非貫通型氣體基壓電複合材料1、上電極2、下電極3、阻抗匹配層4、背襯層5、阻抗匹配電路6、金屬外殼7、BNC接頭8等。其中的核心部件單弧面非貫通型氣體基壓電複合材料1由壓電柱9和環氧樹脂支架11組成。
壓電柱9的極化方向為高度方向，其在環氧樹脂支架11中呈周期分布。通過對壓電複合材料的上下表面進行精細研磨，去除多餘的壓電柱部分，使壓電柱的一端與環氧樹脂支架的平面端(上表面)平齊，另一端與支架的圓柱面端(下表面)貼合，且保證上下表面均達到鏡面等級，粗糙度Ra≤0.2um，然後通過濺射鍍膜的方式在其上下表面鍍電極，上下電極厚度均為250nm。背襯層5由環氧樹脂和鎢粉混合調製而成，同時按照上電極2的結構尺寸製作並與之同軸粘接，厚度為15mm；阻抗匹配層4的材料為環氧樹脂，同時按照下電極3的結構尺寸製作並與之同軸粘接，其厚度為3mm。阻抗匹配電路6在背襯層5的上方，一端與BNC接頭8的插針相連接，另一端經導線與上電極2相連接。金屬外殼7的內表面與上電極2絕緣，與下電極3導通；金屬外殼7的外表面與BNC接頭8的殼體相接觸並導通。