一種用於超聲檢測的高頻寬帶換能器的製作方法

2023-04-23 01:14:01

專利名稱：一種用於超聲檢測的高頻寬帶換能器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種換能器設計及製備技術領域，主要用於超聲檢測，也可用於水聲、醫用超聲、工業超聲檢測等方面的高頻寬帶換能器。
背景技術：
高頻換能器一般是指工作頻率在20千赫茲以上的換能器，因此通常又稱為超聲換能器。其較高的工作頻率決定了超聲換能器分辨力高、作用距離近的特點。超聲換能器在民用領域的應用非常廣泛，按用途不同可分為檢測超聲、功率超聲、超聲測量、超聲治療等。檢測超聲又可分為醫學超聲檢測和工業超聲檢測，前者包括大家熟悉的B超診斷儀，後者包括工業上廣泛使用的無損探傷儀。功率超聲主要是利用超聲的物理、化學等效應來對載體進行相應的處理，主要包括超聲清洗、超聲焊接、超聲加工、超聲處理等。超聲測量主要包括料位測量、流速測量、溫度測量、聲學特性測量等。超聲治療則包括超聲理療、超聲體外碎石、超聲治癌等。高頻換能器在軍事領域的應用也非常廣泛，包括靠岸聲納、成像聲納、淺海測深聲納、反蛙人聲納、港口警戒聲納、尾流自導聲納等，這些聲納的特點都是分辨力比較高。隨著信號處理技術及DSP硬體的發展，信號處理機的運算能力越來越強，所能處理的頻段越來越寬，因此對換能器提出了更高的的帶寬要求。另外，由於高頻換能器通常用來探測近距離目標，要求工作盲區小，因此一般還要求高頻換能器具有很好的瞬態效應。
發明內容本實用新型的目的在於克服上述存在的不足，而提供一種用於超聲檢測的高頻寬帶換能器。本實用新型的目的是通過如下技術方案來完成的，它包括去耦材料層、外殼、電纜，換能器結構上包含三層即上層為前輻射匹配層，中間層為多層複合結構壓電元器件與高分子材料組成的複合材料層，下層為後背襯匹配層；在該複合材料層與後背襯匹配層的外側包裹有一層去耦材料層，去耦材料層的上端覆有一層前輻射匹配層，該前輻射匹配層灌注於多層複合結構壓電元器件上端面上，在該去耦材料層與前輻射匹配層的外側裹有一外殼；所述的後背襯匹配層灌注於多層複合結構壓電元器件下端面上，並在後背襯匹配層的下端焊接一電纜，該電纜固定於所述的外殼底端中心上。作為優選，所述的多層複合結構壓電元器件為換能器的有源部分，是通過將實心壓電陶瓷材料元件採用雙面不切透條形切割後形成，外形為圓形、方形或者多邊形平面元件。作為優選，所述的多層複合結構壓電元器件結構上包含三層兩端面是呈條形排列的壓電材料條，中間層是壓電材料的顆粒柱，兩端面的壓電材料條電極通過導線焊接後作為整體元件的電極。本實用新型的有益效果為所提供的高頻寬帶換能器外形為圓形、方形或者多邊
3行平面元件，換能器有源元件的電極引線通過高溫焊接實現，可靠性高，能承受長時間高電壓工作；相比實心壓電元器件，本實用新型所得換能器性能帶寬較寬，相比其它壓電複合材料，本實用新型的製備工藝過程更簡便，具有明顯的優勢。

圖1是本實用新型的高頻寬帶換能器結構示意圖；圖2是本實用新型的多層複合結構壓電元器件俯視結構示意圖；圖3是本實用新型的多層複合結構壓電元器件仰視結構示意圖；附圖中的標號分別為1、去耦材料層，2、外殼，3、電纜，4、前輻射匹配層，5、複合材料層，6、多層複合結構壓電元器件，7、後背襯匹配層，61、顆粒柱，62、壓電材料條。
具體實施方式
下面將結合附圖對本實用新型做詳細的介紹如附圖1所示，本實用新型包括去耦材料層1、外殼2、電纜3，換能器結構上包含三層即上層為前輻射匹配層4，中間層為多層複合結構壓電元器件6與高分子材料組成的複合材料層5，下層為後背襯匹配層7 ；在該複合材料層5與後背襯匹配層7的外側包裹有一層去耦材料層1，去耦材料層1的上端覆有一層前輻射匹配層4，該前輻射匹配層4灌注於多層複合結構壓電元器件6上端面上，在該去耦材料層1與前輻射匹配層4的外側裹有一外殼2 ；所述的後背襯匹配層7灌注於多層複合結構壓電元器件6下端面上，並在後背襯匹配層7的下端焊接一電纜3，該電纜3固定於所述的外殼2底端中心上。所述的多層複合結構壓電元器件6為換能器的有源部分，是通過將實心壓電陶瓷材料元件採用雙面不切透條形切割後形成，外形為圓形、方形或者多邊形平面元件。所述的多層複合結構壓電元器件6結構上包含三層兩端面是呈條形排列的壓電材料條62，中間層是壓電材料的顆粒柱61，兩端面的壓電材料條電極通過導線焊接後作為整體元件的電極。本實用新型的技術特點為通過將實心壓電陶瓷材料元器件進行兩面不切透條形切割後形成的多層複合結構壓電元器件6為換能器的有源部分，元器件呈條形狀的壓電材料，中間層是壓電材料的顆粒柱61，兩面的剩餘電極層仍作為整體元件的電極，再通過前輻射匹配層4和後背襯匹配層7灌注組合而成。經過匹配層灌注以後，中間多層複合結構壓電元器件6與高分子材料組成的複合材料層5。本實用新型的具體製作步驟敘述如下(該實例中的數據和結果不作為限制本實用新型專利一般性的約束)1、元件採用02OmmX 2. 7mm的圓形實心平面壓電陶瓷材料元件進行正反兩次交錯切割，製備成多層複合結構壓電元器件6，如圖2、3所示；2、電極引線，在多層複合結構壓電元器件6上表面和下表面採用導線焊接；3、後背襯匹配層7灌注，採用環氧鎢粉混合物(體積比1 10)灌注，厚度5mm，常溫固化；4、前輻射匹配層4灌注，採用環氧材料，並進行抽真空處理，80°C高溫固化，再將輻射端面打磨光滑；[0022]5、焊接電纜3，換能器結構示意圖如圖1所示。換能器測得的諧振頻率為590kHz，_6dB發送響應帶寬為450kHz，比採用相同尺寸的實心壓電元件製成的換能器帶寬大一倍。除上述實施例外，凡採用等同替換或等效變換形成的技術方案，均落在本實用新型要求的保護範圍。
權利要求1.一種用於超聲檢測的高頻寬帶換能器，包括去耦材料層(1)、外殼(2)、電纜(3)，其特徵在於換能器結構上包含三層即上層為前輻射匹配層(4)，中間層為多層複合結構壓電元器件(6)與高分子材料組成的複合材料層(5)，下層為後背襯匹配層(7)；在該複合材料層(5)與後背襯匹配層(7)的外側包裹有一層去耦材料層(1)，去耦材料層(1)的上端覆有一層前輻射匹配層(4)，該前輻射匹配層(4)灌注於多層複合結構壓電元器件(6)上端面上，在該去耦材料層(1)與前輻射匹配層(4)的外側裹有一外殼(2)；所述的後背襯匹配層 (7)灌注於多層複合結構壓電元器件(6)下端面上，並在後背襯匹配層(7)的下端焊接一電纜(3)，該電纜(3)固定於所述的外殼(2)底端中心上。
2.根據權利要求1所述的用於超聲檢測的高頻寬帶換能器，其特徵在於所述的多層複合結構壓電元器件(6)為換能器的有源部分，是通過將實心壓電陶瓷材料元件採用雙面不切透條形切割後形成，外形為圓形、方形或者多邊形平面元件。
3.根據權利要求2所述的用於超聲檢測的高頻寬帶換能器，其特徵在於所述的多層複合結構壓電元器件(6)結構上包含三層兩端面是呈條形排列的壓電材料條(62)，中間層是壓電材料的顆粒柱(61)，兩端面的壓電材料條電極通過導線焊接後作為整體元件的電極。
專利摘要本實用新型涉及一種用於超聲檢測的高頻寬帶換能器，包括去耦材料層、外殼、電纜，換能器結構上包含三層即上層為前輻射匹配層，中間層為多層複合結構壓電元器件與高分子材料組成的複合材料層，下層為後背襯匹配層；本實用新型的有益效果為所提供的高頻寬帶換能器外形為圓形、方形或者多邊行平面元件，換能器有源元件的電極引線通過高溫焊接實現，可靠性高，能承受長時間高電壓工作；相比實心壓電元器件，本實用新型所得換能器性能帶寬較寬，相比其它壓電複合材料，本實用新型的製備工藝過程更簡便，具有明顯的優勢。
文檔編號B06B1/06GK202316266SQ201120456318
公開日2012年7月11日 申請日期2011年11月17日 優先權日2011年11月17日
發明者張軍, 徐平, 朱學文, 李建成, 費騰 申請人:中國船舶重工集團公司第七一五研究所