一种用于兰姆波波速检测的点聚焦超声换能器

摘要

本发明涉及一种用于兰姆波波速检测的点聚焦超声换能器，属于声学换能器技术领域，其作用是把激励源产生的脉冲电信号转换为压电薄膜的振动从而产生超声信号，同时接收被测试样的反射回波，并将超声信号转换为电信号。本发明采用压电高分子聚合物作为激励接收元件，接头、金属弹簧、上金属外壳、下金属外壳、绝缘套筒、背衬、绝缘胶、蒸镀电极等即可产生中心频率为14MHz的超声信号。其在极化过程中不需要进行拉伸操作，大大降低了极化难度。本发明具有散焦距离长、频带宽、信噪比高等优点，完全可以满足实验分析的需要。

权利要求

1.一种用于兰姆波波速检测的点聚焦超声换能器，该换能器包含了如下部件：背衬、压电薄膜、蒸镀电极，

其特征在于：该换能器还包含了如下部件：接头(1)、金属弹簧(2)、上金属外壳(3A)、下金属外壳(3B)、绝缘套筒(4)、绝缘胶(6)及位于上金属外壳(3A)顶端的凸台(9)；

背衬(5)位于空心圆柱型绝缘套筒(4)的内部且同轴，圆柱形背衬(5)的上表面有一个半径为R，张角为θ的凹球面，凹球面的球心与圆柱形背衬的中心轴线在同一直线上，凹球面上覆盖一层厚度为h的压电薄膜(7)，压电薄膜(7)边缘的上表面与绝缘套筒(4)的上端面齐平，且压电薄膜(7)边缘的上表面与绝缘套筒(4)的上端面覆盖有绝缘胶(6)，中心凹球面上压电薄膜(7)的上表面与绝缘胶(6)的上表面覆盖有蒸镀电极(8)，绝缘套筒(4)位于空心圆柱形上金属外壳(3A)的内部且同轴，上金属外壳(3A)与下金属外壳(3B)同轴，下金属外壳(3B)通过螺纹旋入上金属外壳(3A)，接头(1)的上部有一个凸起的公头，公头部分套有金属弹簧(2)，弹簧的两端分别与背衬(5)与接头(1)接触，接头(1)固定在空心圆柱形下金属外壳(3B)内，压紧的弹簧使蒸镀电极(8)边缘的上表面与凸台(9)的内表面接触，上述压电薄膜，厚度为h=10-50μm；上述凹球面的张角为θ=60-120°，半径为R=10-25mm。

说明书

一种用于兰姆波波速检测的点聚焦超声换能器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于材料漏兰姆波波速检测的超声换能器，属于声学换能器技术领域，其作用是把激励源产生的脉冲电信号转换为压电薄膜的振动从而产生超声信号，同时接收被测试样的反射回波，并将超声信号转换为电信号。通过对采集到的信号进行分析来了解被测材料的波动特性，反演出材料的机械性能。

背景技术

[0002] 材料性质无损检测的专用换能器是整个测试系统的关键，众多学者都在应用于材料性质检测的聚焦式换能器研制方面做了卓有成效的工作。从早期对应用于超声成像的镜头式ZnO、PZT或LiNbO3等压电薄膜聚焦换能器进行改良，获得应用于材料性质检测的大张角换能器，到采用PVDF压电薄膜的无镜头式聚焦换能器，其制作工艺的发展使材料性质检测的范围不断扩大。但使用ZnO、PZT或LiNbO3等压电材料作为激励/接收元件时，需要制作一个非常精密的石英或蓝宝石镜头，受限于其材料昂贵、制作困难，且激振元件与镜头之间声学阻抗不匹配等因素，导致传统显微镜大多操作在窄频或单一频率下，而且镜头与水的声学阻抗也相差很大，会造成能量传输效率的降低，因此传统的镜头式换能器并未得到普及。PVDF在被证实具有压电性之后，其较低的声学阻抗，良好的可挠性使无镜头式换能器成为了国内外学者的研究重点。

[0003] 近年来，PVDF的共聚物，例如P(VDF-TrFE)高分子聚合物，由于其良好的压电特性，被广泛的用作超声换能器的激励/接收元件。纯PVDF的压电特性虽然很好，但是在极化的过程中需要进行单向或双向拉伸，这样直接限制了其与其它元器件进行集成的能力，而且由于需要拉伸极化，PVDF薄膜的厚度被限制在10μm以上，使制成的换能器频率相对较低。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种用于漏兰姆波波速检测的点聚焦式超声换能器，可将激励/接收统一在一个换能器中。

[0005] 为了实现上述目的，本发明包含了如下部件：接头1、金属弹簧2、上金属外壳3A、下金属外壳3B、绝缘套筒4、背衬5、绝缘胶6、压电薄膜7、蒸镀电极8及位于上金属外壳3A顶端的凸台9，换能器的整体装配外观如图1所示，剖面如图2与图3所示。背衬5位于空心圆柱型绝缘套筒4的内部且同轴，圆柱形背衬5的上表面有一个半径为R，张角为θ的凹球面，凹球面的球心与圆柱形背衬的中心轴线在同一直线上，凹球面上覆盖一层厚度为h的压电薄膜7，压电薄膜7边缘的上表面与绝缘套筒4的上端面齐平，且压电薄膜7边缘的上表面与绝缘套筒4的上端面覆盖有绝缘胶6，中心凹球面上压电薄膜7的上表面与绝缘胶6的上表面覆盖有蒸镀电极8，绝缘套筒4位于空心圆柱形上金属外壳3A的内部且同轴，上金属外壳3A与下金属外壳3B同轴，下金属外壳3B通过螺纹旋入上金属外壳3A，接头1的上部有一个凸起的公头，公头部分套有金属弹簧2，弹簧的两端分别与背衬5与接头1接触，接头1固定在空心圆柱形下金属外壳3B内，压紧的弹簧使蒸镀电极8边缘的上表面与凸台
9的内表面接触.

[0006] 如图4所示，上述过程中制作的压电薄膜，厚度为h＝10-50μm；上述过程中背衬凹球面的张角可为θ＝60-120°，半径为R＝10-25mm。

[0007] 本换能器为激励/接收一体换能器，采用通用的脉冲激励/接收装置进行激励/接收，使用时需进行水浸耦合，系统如图5所示，包括：四轴移动平台9、运动控制卡10、嵌入式控制器11、示波器12、脉冲激励/接收仪13以及制成的换能器14与试样15。本发明实现对各向同性薄板材料兰姆波波速的测量，具有中心频率高、频带宽、信噪比高等优点，完全可以满足实验分析的需要。

附图说明

[0008] 图1是本发明整体装配示意图；

[0009] 图2是本发明整体装配剖面示意图；

[0010] 图3是本发明压电局部剖面示意图；

[0011] 图4是本发明背衬、套筒、压电薄膜与电极示意图；

[0012] 图5测试系统示意图；

[0013] 图6换能器测试结果图。

具体实施方式

[0014] 以张角为θ＝90°，聚焦半径为R＝10mm的换能器为实例对具体的实施方式进行详述。

[0015] 如图1所示，该换能器包括：接头1、金属弹簧2、上金属外壳3A、下金属外壳3B、绝缘套筒4、背衬5、绝缘胶6、P(VDF-TrFE)压电薄膜7、蒸镀电极8等。背衬作为P(VDF-TrFE)压电薄膜7的支撑结构与负极，需要对其进行精加工，所制作的凹球面位于圆柱体的上表面，凹球面的中心位于圆柱体的轴线上，凹球面的弧度与张角决定了P(VDF-TrFE)压电薄膜的弧度与张角，通过对凹球面进行精细研磨，使其表面达到镜面等级，粗糙度Ra≤0.2μm。在制作完成的凹球面上制备厚度为10-12μm的高分子压电薄膜，待薄膜完全固化之后将背衬插入绝缘套筒中，使具有压电薄膜的一端与套筒的一端齐平，然后使用绝缘胶将两者粘接在一起，起到固定的作用，同时起到隔离背衬（正极）与铜外壳（负极）的目的。待绝缘胶凝固之后，在P(VDF-TrFE)压电薄膜的表面蒸镀一层金属电极，该金属层通过与铜外壳的机械式接触形成电气连接作为负极，同时起到屏蔽的功能。将上下两个金属外壳3A与3B旋紧，并将UHF接头搭配金属弹簧旋入换能器，完成换能器的装配，然后通过高压极化装置对P(VDF-TrFE)压电薄膜进行极化，使其具有压电效应，背衬凹球面的低粗糙度将降低极化过程中的尖端放电效应，提高极化成功率。

[0016] 使用长方体型碳化钨作为反射体（试样），其尺寸为40mm×40mm×10mm，研制的换能器在聚焦面的脉冲时域信号与频域信号如图6所示，换能器的中心频率可达14MHz，-6dB带宽约为11MHz，信噪比很高。该换能器针对漏兰姆波波速测量而设计，结构简单，制作方便，由测试结果可以看出其能够胜任测量的需要。