CN101569882A - 线性超声相控阵换能器 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种用于检测钢材料的线性超声相控阵换能器，包括该换能器设计方法和制作工艺。该换能器的结构包括一层压电晶片、一层匹配层、背衬和电极制作，其中压电晶片的材料为PZT－5H，匹配层为环氧树脂，背衬为不同颗粒大小的钨粉和环氧树脂固化而成，电极由铜片和银层。该换能器的设计参数为中心频率为1.5MHz，阵元数为16，正的最大偏转角度为30°。在制作工艺上，将整块压电陶瓷与铜片粘贴后，采用多次切割工艺制作超声相控阵换能器，该加工工艺在保证阵列尺寸精度的同时，可以减小相邻阵元间的相互影响。根据换能器优化设计的目标，利用多目标优化设计方法，对换能器的阵列参数，包括阵元宽度、阵元间距和阵元高度进行结构优化，从而获得良好的波束特性和更大的声压。

Description

线性超声相控阵换能器

一、技术领域

本发明涉及的是一种用于检测的超声换能器，具体地说是接触式线性平面超声相控阵换能器。

二、背景技术

国内在超声相控阵技术方面的研究开始较晚，和国外相比，国内在超声相控阵无损检测方面的研究比较落后，设计和制作经验不丰富，这些都阻碍了超声相控阵检测技术的应用和发展。超声相控阵换能器是超声相控阵检测系统的关键部分，超声信号的发射和接收都是由超声相控阵换能器来完成的，其性能直接影响着检测系统的发射和接收性能。

超声相控阵换能器按其阵列结构的不同，超声相控阵换能器可分为线阵、面阵、环阵等类型，线性超声相控阵换能器由于结构简单、聚焦算法简单等优点，广泛应用在工业无损检测领域。

线性超声相控阵换能器的性能主要取决于设计方法和制造工艺。为了获得良好的声学性能，要求相控阵换能器的几何设计尺寸很小，这就给换能器的加工精度和制造工艺带来了困难，具体表现在以下几个方面：

1)压电陶瓷材料脆而硬，当换能器阵元的几何尺寸在1mm或更小的数量级时，加工高精度、微小尺寸的压电陶瓷材料成为一个难题。

2)超声相控阵换能器由多个阵元组成，当阵元间距在1mm甚至更小时，通过何种方法使得阵元独立振动而不相互干扰是研究的一个关键问题。

3)超声相控阵换能器各个阵元的信号线中电信号的相互干扰对检测信号的质量影响很大，当阵元数量很多时，如大规模超声相控阵换能器的阵元数已经达到1024甚至更多，信号线的屏蔽去耦问题也是一个影响检测质量的关键因素。

在制造水平允许的条件下，合理的设计换能器参数对于制作符合检测要求的超声相控阵换能器也是非常重要的。在超声相控阵换能器的设计方面，主要问题是如何通过优化换能器的设计参数来获得无栅瓣、低旁瓣级、灵敏度高、噪声低等优良性能。超声相控阵的设计参数主要包括阵元数、阵元宽度、阵元间距和阵元高度，如果这些参数选择不合理，会影响到换能器的性能。

三、发明内容

本发明的目的是提供线性平面超声相控阵换能器的设计方法和制作方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种接触式用于金属检测的线性超声相控阵换能器，所述换能器的中心频率为1.5MHz，由16个窄矩形阵元组成；所述换能器的结构形式包括：一层压电晶体、一层匹配层、背衬和电极制作而成。在换能器的设计过程中，根据换能器的中心频率确定压电晶体的厚度；从接收灵敏度考虑确定背衬的厚度；阵列换能器的几何参数，阵元宽度和阵元间距利用多目标优化方法确定最优解；阵元高度采用空间脉冲响应方法确定最优范围；在换能器的制作过程中，压电陶瓷上表面和侧面镀银，一整块压电陶瓷下表面与电极铜粘帖后，在铜片的另一侧制作背衬；然后在专用陶瓷切割设备上采用多次切割方法进行加工；最后在阵元之间加硅橡胶，在压电陶瓷上表面制作匹配层进行封装。

由于本发明采用以上的技术方案，能够制作出性能较好的线性平面超声相控阵换能器，不仅提高了制作工艺的精度，而且提高了波束聚焦特性。

四、附图说明

图1是线性平面超声相控阵换能器组成部分；

图2是声速随背衬层厚度的变化粘贴铜片的陶瓷；

图3是线性超声相控阵换能器结构；

图4是偏转方向归一化声压；

图5是阵元高度对相控阵发射聚焦声压的影响；

图6是16阵元相控阵换能器剖面图；

图7是橡胶球加压示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图和表举例对本发明作更详细的描述：

本发明所述的超声相控阵换能器是对钢材进行检测，最大检测距离为50cm。对金属的检测频率一般为1MHz-7.5MHz，综合考虑检测距离和晶片的加工能力，最终选择晶片的中心频率为1.5MHz；阵元数增大，虽然能够改变波束特性，但是会增加硬件系统的复杂程度，因此所述的超声相控阵换能器的阵元数为16。

结合图1，所述的线性超声相控阵换能器的组成包括：压电晶体、匹配层、背衬和电极；所述的压电晶体由PZT-5H型压电陶瓷材料构成；环氧树脂作为匹配层；在环氧树脂中添加不同颗粒大小钨粉的比例来制作背衬；所述的电极由铜片和压电陶瓷表面和侧面的银层构成。

根据公式

δ＝N_T/f                        (1)

其中N_T为频率常数，单位为MHz·mm，f为换能器的中心频率，δ为压电晶片的厚度。由于PZT-5H的厚度常数为1.89MHz·mm，压电陶瓷的厚度δ＝1.89/1.5＝1.26mm。

结合图2，声速随背衬层厚度的变化是先减小再增大，有一个最小值；而声速与换能器接收灵敏度成反比，换能器接收灵敏度随背衬层厚度的变化有个最大值。在换能器的其它参数不变的情况下，选择背衬层厚度为13mm。

结合图3，所述线性相控阵换能器的阵元沿宽度方向线性排列，主要的几何结构尺寸包括阵元宽度a、阵元间距d和阵元高度b。

换能器优化设计的目标为：主瓣宽度最小；抑制旁瓣；消除栅瓣；偏转方向获得更大的声压。波束指向性和声场体现了相控阵动态聚焦和动态偏转的特性，因此确定恰当的目标函数要同时兼顾这两个因素。

阵元高度是一个相对独立的量，不会对波束角、栅瓣、旁瓣级产生影响，但会影响换能器的声压，因此在利用多目标优化方法换能器优化设计过程中，主要考虑阵元宽度a和阵元间距d对目标函数的影响，因此优化设计变量为

X＝(x₁，x₂)＝(a，d)                                (2)

评价指向性的参量为主瓣宽度和峰值旁瓣与主瓣振幅比。归一化的主瓣宽度或简化的主瓣宽度q，表达式为

$q=\frac{1}{\mathrm{\π}}[{\sin }^{-1}(\sin {\mathrm{\θ}}_s+\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{Nd}})-{\sin }^{-1}(\sin {\mathrm{\θ}}_s-\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{Nd}})]---\left(3\right)$

相控阵峰值旁瓣与主瓣的振幅比ξ为

$\mathrm{\ξ}={\mathrm{\ξ}}^0\frac{\sin (\frac{\mathrm{\π}a\sin {\mathrm{\θ}}_s}{\mathrm{\λ}}-\frac{3\mathrm{\πa}}{2\mathrm{Nd}})\sin {\mathrm{\θ}}_s}{(\sin {\mathrm{\θ}}_s-\frac{3\mathrm{\λ}}{2\mathrm{Nd}})\sin \left(\frac{\mathrm{\π}a\sin {\mathrm{\θ}}_s}{\mathrm{\λ}}\right)}---\left(4\right)$

其中ξ⁰为离散线源峰值旁瓣与主瓣的振幅比

${\mathrm{\ξ}}^0=\frac{\frac{2}{3\mathrm{\π}}}{\sin c\left(\frac{3\mathrm{\π}}{2N}\right)}---\left(5\right)$

本发明根据换能器优化设计目标，分析了影响相控阵换能器波束指向性和声场的主要因素，利用多目标优化方法确定了阵元宽度和阵元间距的最优值。

为了使主瓣宽度最小并抑制旁瓣，分别选取归一化的主瓣宽度q(X)和峰值旁瓣与主瓣的振幅比ξ(X)作为目标函数；为了在偏转方向上获得最大的声压，选取偏转方向上的声压p(r，θ_s，λ，N，a)作为目标函数。

结合图4，当a/λ的比值一定时，偏转方向上归一化的声压随着偏转角度的增大而减小，因此当r为固定值时，选取最大偏转方向上归一化的声压作为目标函数。当最大偏转方向上的声压达到最大时，其他偏转方向上的声压也会随之增大。

由于归一化主瓣宽度q(X)和最大偏转方向上归一化的压力p(X)分别只与变量d和a有关，这里把这两个目标函数的差

$f_1\left(X\right)=q\left(X\right)-p\left(X\right)$

$=\frac{1}{\mathrm{\π}}[{\sin }^{-1}(\sin {\mathrm{\θ}}_s+\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{Nd}})-{\sin }^{-1}(\sin {\mathrm{\θ}}_s-\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{Nd}})]-{\left(\frac{1}{r}\right)}^{1/2}\mathrm{Na}\sin c\left(\frac{\mathrm{\π}a\sin {\mathrm{\θ}}_s}{\mathrm{\λ}}\right)---\left(6\right)$

作为第一个目标函数；ξ(X)作为第二个目标函数

$f_2\left(X\right)=\mathrm{\ξ}\left(X\right)=\frac{\frac{2}{3\mathrm{\π}}}{\sin c\left(\frac{3\mathrm{\π}}{2N}\right)}\frac{\sin (\frac{\mathrm{\π}a\sin {\mathrm{\θ}}_s}{\mathrm{\λ}}-\frac{3\mathrm{\πa}}{2\mathrm{Nd}})\sin {\mathrm{\θ}}_s}{(\sin {\mathrm{\θ}}_s-\frac{3\mathrm{\λ}}{2\mathrm{Nd}})\sin \left(\frac{\mathrm{\π}a\sin {\mathrm{\θ}}_s}{\mathrm{\λ}}\right)}---\left(7\right)$

当上述两个目标函数都为最小时，就能实现主瓣宽度最小；抑制旁瓣；在偏转方向上获得最大声压的目标。

为了消除栅瓣，d必须满足下面约束条件，即d＜d_max。

$d_{\max }=\frac{\mathrm{\λ}}{1+\sin {\left({\mathrm{\θ}}_s\right)}_{\max }}\frac{N-1}{N}---\left(8\right)$

为了减小阵元间的互辐射效应，单纯靠增大阵元间距的方式是不可行的，只能通过减小阵元尺寸或减小晶片的共振频率来实现。综合考虑，阵元宽度a应介于(0.6～0.8)d之间。

换能器的横向尺寸或孔径的大小D与阵元数N，阵元间距d存在下列关系

D＝(N-1)d+a                                        (9)

在孔径D固定的情况下，a和d之间必须满足(N-1)d+a＝D，(0＜a＜d)。

根据目标函数和约束条件，在优化设计的过程中，由iSIGHT提供集成平台和优化方法。把参数值映射到输入文件，利用MATLAB软件进行计算，通过输出文件得到分析结果。在iSIGHT软件中设置优化设计变量和约束条件，建立优化任务；采用直接探索法中的序列二次规划法(NLPQL)进行优化设计。

结合图5，本发明根据空间脉冲响应方法，确定阵元高度b的最优范围。随着阵元高度的增加，换能器近场某点的声压随着阵元高度的增加，先增大然后再减小，最后趋于稳定。说明阵元高度存在最优值，当阵元高度b＝15mm时，换能器的声压达到最大。

上面介绍的是线性相控阵换能器的设计方法，为了使换能器具有更好的性能，制作方法也是非常值得研究的。

本发明利用专用的陶瓷切割工具，采用一整块陶瓷进行多次切割的工艺来制作16阵元相控阵换能器。

结合图1和图6，相控阵换能器的制作过程如下：在压电陶瓷的上表面和高度方向侧面的上半部分镀银，δ为陶瓷的厚度；将压电陶瓷与铜片进行粘贴，胶液按基胶及固化剂重量比为100∶12配置，粘贴层厚度应均匀，铜片长出的两毫米用来焊接电极；在铜片上添加钨粉与环氧树脂的背衬层；将背衬打磨平，粘贴在硅片上采用专用的切割设备上进行切割；将每个阵元侧面的银层和铜片焊接导线，分别作为电极，共引出32根导线；在切缝中填入硅橡胶；加匹配层(匹配层为环氧树脂)，设环氧树脂材料的波长为λ，按照四分之一波长匹配层理论，匹配层的厚度为λ/4；最后用聚铵脂进行封装。

结合图7，在粘结固化过程中，采用橡胶球加压的粘结方法。这种方法提供了一种中心强，边缘弱的非均匀压力分布，随着压力的不断增大，多余胶液便能充分溢出，从而使胶层变薄，而且均匀。

Claims (12)

1、一种线性超声相控阵换能器，包括设计方法和制作工艺；其特征在于，相控阵换能器主要由一层压电晶片、一层匹配层、背衬和电极制作而成，其中包括换能器每个部分材料的选择和制作方法；根据换能器的中心频率，确定相应的参数，主要包括压电陶瓷、匹配层、背衬的厚度，并且根据换能器优化设计的目标，利用多目标优化方法，确定影响波束偏转和聚焦特性的阵列参数。

2、如权利要求1所述，其特征在于，所述换能器的材料分别为：具有收发两用功能的压电陶瓷PZT-5H；背衬为环氧树脂和300钨粉颗粒按照一定的比例固化而成。

3、如权利要求1所述，其特征在于，所述的超声相控阵换能器的中心频率为1.5MHz。

4、如权利要求1所述，其特征在于，为了获得良好的接收灵敏度，背衬的厚度为13mm。

5、如权利要求1所述，其特征在于，所述的超声相控阵换能器由16个阵元组成，正的最大偏转角为30°。

6、如权利要求1所述，其特征在于，所述的超声相控阵换能器由尺寸大于16个阵元尺寸之和的一整片陶瓷与铜粘贴后切割而成。

7、如权利要求1和6所述，其特征在于，压电陶瓷与铜粘贴时采用橡胶球加压方式，获得厚度均匀而且很薄的粘贴层。

8、如权利要求1所述，其特征在于，在数控机床上加工采用多次切割工艺用于制作超声相控阵换能器。

9、如权利要求3至5所述，其特征在于，利用多目标优化方法来确定相控阵换能器主要几何结构参数，包括阵元间距、阵元宽度的最优值。

10、如权利要求1所述，其特征在于，根据空间脉冲响应方法，分析阵元高度对超声相控阵换能器近场声场的影响，确定阵元高度的最优范围。

11、如权利要求1和10所述，其特征在于，为了使相控阵换能器获得更大的发射声压，阵元高度为10-15mm。

12、如权利要求1和9所述，其特征在于，以最大偏转方向上归一化的主瓣宽度和归一化声压的差值作为第一个目标函数；峰值旁瓣与主瓣的振幅比作为第二个目标函数，在满足约束条件的基础上寻求最优解。

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