一種用於蘭姆波波速檢測的點聚焦超聲換能器的製作方法

2023-10-20 05:06:47 4

專利名稱：一種用於蘭姆波波速檢測的點聚焦超聲換能器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於材料漏蘭姆波波速檢測的超聲換能器，屬於聲學換能器技術領域，其作用是把激勵源產生的脈衝電信號轉換為壓電薄膜的振動從而產生超聲信號，同時接收被測試樣的反射回波，並將超聲信號轉換為電信號。通過對採集到的信號進行分析來了解被測材料的波動特性，反演出材料的機械性能。
背景技術：
材料性質無損檢測的專用換能器是整個測試系統的關鍵，眾多學者都在應用於材料性質檢測的聚焦式換能器研製方面做了卓有成效的工作。從早期對應用於超聲成像的鏡頭式ZnO、PZT或LiNbO3等壓電薄膜聚焦換能器進行改良，獲得應用於材料性質檢測的大張角換能器，到採用PVDF壓電薄膜的無鏡頭式聚焦換能器，其製作工藝的發展使材料性質檢測的範圍不斷擴大。但使用ΖηΟ、ΡΖΤ或LiNbO3等壓電材料作為激勵/接收元件時，需要製作一個非常精密的石英或藍寶石鏡頭，受限於其材料昂貴、製作困難，且激振元件與鏡頭之間聲學阻抗不匹配等因素，導致傳統顯微鏡大多操作在窄頻或單一頻率下，而且鏡頭與水的聲學阻抗也相差很大，會造成能量傳輸效率的降低，因此傳統的鏡頭式換能器並未得到普及。PVDF在被證實具有壓電性之後，其較低的聲學阻抗，良好的可撓性使無鏡頭式換能器成為了國內外學者的研究重點。近年來，PVDF的共聚物，例如P(VDF-TrFE)高分子聚合物，由於其良好的壓電特性，被廣泛的用作超聲換能器的激勵/接收元件。純PVDF的壓電特性雖然很好，但是在極化的過程中需要進行單向或雙向拉伸，這樣直接限制了其與其它元器件進行集成的能力， 而且由於需要拉伸極化，PVDF薄膜的厚度被限制在10 μ m以上，使製成的換能器頻率相對較低。

發明內容
本發明的目的在於提供一種用於漏蘭姆波波速檢測的點聚焦式超聲換能器，可將激勵/接收統一在一個換能器中。為了實現上述目的，本發明包含了如下部件接頭I、金屬彈簧2、上金屬外殼3A、 下金屬外殼3B、絕緣套筒4、背襯5、絕緣膠6、壓電薄膜7、蒸鍍電極8及位於上金屬外殼3A 頂端的凸臺9，換能器的整體裝配外觀如圖I所示，剖面如圖2與圖3所示。背襯5位於空心圓柱型絕緣套筒4的內部且同軸，圓柱形背襯5的上表面有一個半徑為R，張角為Θ的凹球面，凹球面的球心與圓柱形背襯的中心軸線在同一直線上，凹球面上覆蓋一層厚度為h 的壓電薄膜7，壓電薄膜7邊緣的上表面與絕緣套筒4的上端面齊平，且壓電薄膜7邊緣的上表面與絕緣套筒4的上端面覆蓋有絕緣膠6，中心凹球面上壓電薄膜7的上表面與絕緣膠
6的上表面覆蓋有蒸鍍電極8，絕緣套筒4位於空心圓柱形上金屬外殼3A的內部且同軸，上金屬外殼3A與下金屬外殼3B同軸,下金屬外殼3B通過螺紋旋入上金屬外殼3A,接頭I的上部有一個凸起的公頭，公頭部分套有金屬彈簧2，彈簧的兩端分別與背襯5與接頭I接觸，接頭I固定在空心圓柱形下金屬外殼3B內，壓緊的彈簧使蒸鍍電極8邊緣的上表面與凸臺 9的內表面接觸.如圖4所示，上述過程中製作的壓電薄膜，厚度為h = 10-50 μ m ;上述過程中背襯凹球面的張角可為Θ = 60-120°，半徑為R = 10-25mm。本換能器為 激勵/接收一體換能器，採用通用的脈衝激勵/接收裝置進行激勵/ 接收，使用時需進行水浸耦合，系統如圖5所示，包括四軸移動平臺9、運動控制卡10、嵌入式控制器11、示波器12、脈衝激勵/接收儀13以及製成的換能器14與試樣15。本發明實現對各向同性薄板材料蘭姆波波速的測量，具有中心頻率高、頻帶寬、信噪比高等優點，完全可以滿足實驗分析的需要。


圖I是本發明整體裝配示意圖；圖2是本發明整體裝配剖面示意圖；圖3是本發明壓電局部剖面示意圖；圖4是本發明背襯、套筒、壓電薄膜與電極示意圖；圖5測試系統示意圖；圖6換能器測試結果圖。
具體實施例方式以張角為Θ =90°，聚焦半徑為R= IOmm的換能器為實例對具體的實施方式進行詳述。如圖I所不,該換能器包括接頭I、金屬彈簧2、上金屬外殼3A、下金屬外殼3B、絕緣套筒4、背襯5、絕緣膠6、P (VDF-TrFE)壓電薄膜7、蒸鍍電極8等。背襯作為P (VDF-TrFE) 壓電薄膜7的支撐結構與負極，需要對其進行精加工，所製作的凹球面位於圓柱體的上表面，凹球面的中心位於圓柱體的軸線上，凹球面的弧度與張角決定了 P(VDF-TrFE) 壓電薄膜的弧度與張角，通過對凹球面進行精細研磨，使其表面達到鏡面等級，粗糙度 RaS 0.2 μ m。在製作完成的凹球面上製備厚度為10-12 μ m的高分子壓電薄膜，待薄膜完全固化之後將背襯插入絕緣套筒中，使具有壓電薄膜的一端與套筒的一端齊平，然後使用絕緣膠將兩者粘接在一起，起到固定的作用，同時起到隔離背襯(正極)與銅外殼(負極)的目的。待絕緣膠凝固之後，在P (VDF-TrFE)壓電薄膜的表面蒸鍍一層金屬電極，該金屬層通過與銅外殼的機械式接觸形成電氣連接作為負極，同時起到屏蔽的功能。將上下兩個金屬外殼3A與3B旋緊，並將UHF接頭搭配金屬彈簧旋入換能器，完成換能器的裝配，然後通過高壓極化裝置對P(VDF-TrFE)壓電薄膜進行極化，使其具有壓電效應，背襯凹球面的低粗糙度將降低極化過程中的尖端放電效應，提高極化成功率。使用長方體型碳化鶴作為反射體(試樣)，其尺寸為40mmX40mmX IOmm,研製的換能器在聚焦面的脈衝時域信號與頻域信號如圖6所示，換能器的中心頻率可達14MHz，-6dB 帶寬約為11MHz，信噪比很高。該換能器針對漏蘭姆波波速測量而設計，結構簡單，製作方便，由測試結果可以看出其能夠勝任測量的需要。
權利要求
1.一種用於蘭姆波波速檢測的點聚焦超聲換能器，其特徵在於該換能器包含了如下部件接頭(I)、金屬彈簧(2)、上金屬外殼(3A)、下金屬外殼(3B)、絕緣套筒(4)、背襯(5)、絕緣膠(6)、壓電薄膜(7)、蒸鍍電極(8)及位於上金屬外殼(3A)頂端的凸臺(9)， 背襯(5)位於空心圓柱型絕緣套筒(4)的內部且同軸，圓柱形背襯(5)的上表面有一個半徑為R，張角為0的凹球面，凹球面的球心與圓柱形背襯的中心軸線在同一直線上，凹球面上覆蓋一層厚度為h的壓電薄膜(7)，壓電薄膜(7)邊緣的上表面與絕緣套筒(4)的上端面齊平，且壓電薄膜(7)邊緣的上表面與絕緣套筒(4)的上端面覆蓋有絕緣膠￠)，中心凹球面上壓電薄膜(7)的上表面與絕緣膠￠)的上表面覆蓋有蒸鍍電極(8)，絕緣套筒(4)位於空心圓柱形上金屬外殼(3A)的內部且同軸,上金屬外殼(3A)與下金屬外殼(3B)同軸，下金屬外殼(3B)通過螺紋旋入上金屬外殼(3A)，接頭(I)的上部有一個凸起的公頭，公頭部分套有金屬彈簧(2)，彈簧的兩端分別與背襯(5)與接頭(I)接觸，接頭(I)固定在 空心圓柱形下金屬外殼(3B)內，壓緊的彈簧使蒸鍍電極(8)邊緣的上表面與凸臺(9)的內表面接觸，上述壓電薄膜，厚度為h = 10-50 iim;上述凹球面的張角為0 = 60-120°，半徑為 R = 10_25mm。
全文摘要
本發明涉及一種用於蘭姆波波速檢測的點聚焦超聲換能器，屬於聲學換能器技術領域，其作用是把激勵源產生的脈衝電信號轉換為壓電薄膜的振動從而產生超聲信號，同時接收被測試樣的反射回波，並將超聲信號轉換為電信號。本發明採用壓電高分子聚合物作為激勵接收元件，接頭、金屬彈簧、上金屬外殼、下金屬外殼、絕緣套筒、背襯、絕緣膠、蒸鍍電極等即可產生中心頻率為14MHz的超聲信號。其在極化過程中不需要進行拉伸操作，大大降低了極化難度。本發明具有散焦距離長、頻帶寬、信噪比高等優點，完全可以滿足實驗分析的需要。
文檔編號G01N29/07GK102706964SQ201210152249
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月16日 優先權日2012年5月16日
發明者何存富, 呂炎, 吳斌, 宋國榮, 胡躍剛, 譚博濤 申請人:北京工業大學