CN102252967B - 基于pvdf压电薄膜lsaw定位的压电探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超声传播精确定向、测量。为对声表面波的传播方向精确定位，并同时检测不同位置处的声表面波信号，提高测量精度。本发明采取的技术方案是，基于PVDF压电薄膜LSAW定位的压电探测装置，由PVDF压电传感器和压电探头两部分组成，PVDF压电传感器和压电探头采用活动连接，PVDF压电传感器被分成四个象限，每象限之间彼此分离，并且每个象限引出两个电极，最后将每象限上电极发出的共四路压电信号分别传入高速宽带示波器；4个压电探头也呈四象限分布，但是是彼此分离的两部分，每两象限为一个有机的整体，将一体的两个探头平行于激光激发线放置，并与PVDF压电薄膜紧密接触。本发明主要应用于材料力学性能测量。

Description

基于PVDF压电薄膜LSAW定位的压电探测装置

技术领域

本发明涉及超声传播精确定向、材料力学性能的评估，具体讲涉及基于PVDF压电薄膜LSAW定位的压电探测装置。

背景技术

近年来，通过激光超声技术对材料的纳米机械特性进行测量得到了越来越广泛的关注，在激光超声的非光学检测中，利用聚偏氟乙烯PVDF压电薄膜传感器接收超声信号是一种常用的方法，并得到了越来越广泛的应用。

在2007年发表的杂志《测试技术学报》第21卷第3期，有亚刚，沈中华，陆建发表的题名为“利用PVDF检测激光声表面波的实验方法”的文章，其实验中所采用的压电探头由PVDF薄膜、刀劈、金属固定块、高频电缆线和前置放大器组成。采用边缘钳紧方法，将附着PVDF薄膜的微型刀劈装入金属固定块，刀劈与金属固定块之间是绝缘的，从而形成两个电极，保证了传感器与被测物体尽量小的接触面积。并且，采用高精密电动位移平台移动探头，保证了很好的直线度。

在2003年发表的杂志《American Institute of Physics》第74卷第10期，有Xia Xiao和Nobuhiro Hata发表的题名为“Mechanical properties of periodic porous silica low-kfilms determined by the twin-transducer surface acoustic wave technique”的文章，其介绍了一种基于双探头定向和探测超声声波的方法，能够精确的定向超声信号。

为了更加精确地检测和测量，必须保证探头的刀劈与超声的传播方向垂直放置，而且，为了克服环境因素对测量结果的影响，应该要求同时对两个不同位置出的信号进行同时测量，在第一个文献采用的方法中，尽管采用了精密电动位移平台保证了很好的直线度，但是，在测试过程中只是将微型刀劈大致放置在垂直于声表面波的传播方向上，不能对超声的传播方向准确定位以及精确测量。在第二个文献采用的方法中，采用双探头定向超声信号，排除环境因素的影响，能够得到准确的结果，但是，环境是时刻变化的，只有同时测量两路信号，才能尽可能的排除环境因素的干扰，准确的定位及测量超声信号。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供一种基于PVDF压电薄膜LSAW定位的压电探测装置，对激光激发声表面波的传播方向精确定位，并同时检测不同位置处的声表面波信号，提高测量精度。本发明采取的技术方案是，基于PVDF压电薄膜LSAW定位的压电探测装置，由PVDF压电传感器和压电探头两部分组成，PVDF压电传感器和压电探头采用活动连接，PVDF压电传感器被分成四个象限，每象限之间彼此分离，并且每个象限引出两个电极，最后将每象限上电极发出的共四路压电信号分别传入高速宽带示波器；4个压电探头也呈四象限分布，但是是彼此分离的两部分，每两象限为一个有机的整体，将一体的两个探头平行于激光激发线放置，并与PVDF压电薄膜紧密接触。

所述将一体的两个探头平行于激光激发线放置，在检测压电薄膜输出的信号时，如果一体的两个探头输出信号波形一致，则可确定两探头放置方向与超声传播方向垂直。

四象限探头彼此分离的两部分由一活动部件连接，此部件可以是四个螺杆，在螺杆上加弹簧，通过进给不同的螺杆，可方便的调整两者之间的距离。

本发明的特点在于：

1)能够判定压电探头是否与汇聚光束平行。由于光的能量线与汇聚方向垂直传播，光能量的传播方向为检测的最佳路径，因此应将压电探头放置在于汇聚光束平行的位置上。同一主体上的两个劈尖即用于实现此功能，当探头并未与光束平行，即有一定夹角时，两个劈尖会得到不同波形，如图1；当探头与光束平行时，两个劈尖会产生完全重合的波形，如图2，这也是测量的最佳位置。

2)同时测量不同点的波形。四象限探头不同主体之间采用弹簧和螺母连接，可精确调节其之间的距离，当探头压下采集时，可以同时得到4个波形，其中包涵不同位置(即波传播不同距离)的波形。目前，现有技术只能实现定点采集，通过探头移动，对下一点进行二次采集，两者进行比较。而这其中，环境变化，移动误差，探头偏移等等都会引入误差。而且四象限压电探测技术成功避免了这些误差。在数字处理条件允许的情况下，更有可能实现实时检测。

附图说明

图1是探头与超声传播方向不垂直时的曲线。

图2是探头与超声传播方向垂直时的曲线。

图3是根据本四象限压电探头装置的剖面图，其中(a)为主视图，(b)为侧视图。

图4是根据四象限压电片具体装置的俯视图。

图5是四象限压电探头的前侧立体图。

图6是四象限压电探头的后侧立体图。

具体实施方式

本发明要解决的技术问题是提供一种能够对超声定向，以及同时检测不同位置处的声表面波信号的方法，其能够以简单的结构有效的定位超声的传播方向，而且该发明的关键部分可以用价格低廉，便于加工的材料制成。

为解决上述技术问题，本发明由相互独立的PVDF压电传感器和压电探头两部分组成，PVDF压电传感器和压电探头采用活动连接，因此能更加方便的调整探头与压电传感器的接触位置。其中，PVDF压电传感器被分成四个象限，每象限之间彼此分离，并且每个象限引出两个电极，最后将四路压电信号分别传入高速宽带示波器；压电探头也呈四象限分布，但是是彼此分离的两部分，每两象限为一个有机的整体，将一体的两个探头平行于激光激发线放置，垂直压在PVDF压电薄膜之上；在检测压电薄膜输出的信号时，如果一体的两个探头输出信号波形一致，则可确定两探头放置方向与超声传播方向垂直，从而能够对超声信号精确定向。

在设计中，四象限探头彼此分离的两部分由一活动部件连接，此部件可以是四个螺杆，在螺杆外环绕弹簧，弹簧起到平衡探头两个主体的作用，通过调节螺杆，可方便的调整两者之间的距离。

采用这种结构后，不仅可以在X方向上调整两者之间的距离，而且，可以在Y方向上调整探头的偏转，实现了二维调整，从而能精确定向超声信号，并同时测量不同位置处的超声信号。

下面结合附图3进一步详细说明依据本四象限压电探头提出的具体装置的细节及工作情况。

本发明的装置包括两个基本对称的主体，图3(a)为主视图，图3(b)为侧视图，1为长4mm的劈尖，一个金属主体上有两个劈尖，间隙为2mm。2为外直径3mm内直径2mm的圆环状凹槽，将弹簧置于其中，方可调节两个主体之间的距离。3为一个直径5mm的圆形螺纹凹槽，支撑杆通过M5螺纹与探头连接。4为直径2mm的圆柱螺纹孔，两个主体通过4个M2螺丝固定在一起，螺丝外环绕弹簧。

两个主体之间不同在于，只有与支撑杆相连接的主体背面有直径5mm的圆形螺纹孔，同时其上的四个小孔为螺纹孔；与此不同的是，另外一个主体上的4个小孔并没有螺纹，将螺丝从圆孔中穿入，拧到另外一个主体之上，两个主体之间的距离靠调节螺丝固定的位置调节，而环绕在螺丝外侧的弹簧则可以将主体顶在最前端，同时起到平衡作用。

下面结合图4进一步详细说明依据四象限压电片具体装置的细节及工作原理。

压电片使用正方形的PVDF压电薄膜制作而成，氢氟酸可以腐蚀掉其表面的硅涂层，从而使其形成独立的象限及独立电极，如图4，用氢氟酸在PVDF压电薄膜表面腐蚀一个“十”字行，将4个压电片间隔开。在围绕管脚周围进行腐蚀，在薄膜正反两面围绕不同管脚，从而得到正负两极。8为固定在压电片上的金属铆钉，6为连接铆钉与导线的口鼻夹，将示波器的正负探头分别连接到导线上即可得到待测波形。5为聚焦光束打在被测样品上的位置。7为四个劈尖分别压在压电片的四个象限上的位置。9为象限上一个电极，10为象限上另一个电极。

图5为四象限压电探头的前侧立体图。可以清晰的看到弹簧与螺杆的环绕关系，以及弹簧是如何嵌入到主体当中。调节4个螺杆的给进可调节彼此分离的两部分主体相互间距离，调节其中的两个螺杆给进，可实现彼此分离的两部分主体相互间偏转运动。

图6为四象限压电探头的后侧立体图。可以清晰看出支撑杆与主体的连接方式，以及螺母与主体间的连接。

Claims (3)

1.一种基于聚偏氟乙烯压电薄膜LSAW定位的压电探测装置，其特征是，由聚偏氟乙烯压电传感器和压电探头两部分组成，聚偏氟乙烯压电传感器和压电探头采用活动连接，聚偏氟乙烯压电传感器被分成四个象限，每象限之间彼此分离，并且每个象限引出两个电极，最后将每象限上电极发出的共四路压电信号分别传入高速宽带示波器；四个压电探头也呈四象限分布，但是是彼此分离的两部分，每两象限为一个有机的整体，将一体的两个探头平行于激光激发线放置，并与聚偏氟乙烯压电传感器紧密接触。

2.如权利要求1所述的装置，其特征是，所述将一体的两个探头平行于激光激发线放置，在检测压电薄膜输出的信号时，如果一体的两个探头输出信号波形一致，则可确定两探头放置方向与超声传播方向垂直。

3.如权利要求1所述的装置，其特征是，四象限探头彼此分离的两部分由一活动部件连接，此部件是四个螺杆，在螺杆上加弹簧，通过进给不同的螺杆，可方便的调整两者之间的距离。

Images