CN103540152B - 渐变过渡声阻抗匹配材料配制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于传感器领域，具体是一种渐变过渡声阻抗匹配材料配制方法。渐变过渡声阻抗匹配材料配制方法，它包括：材料的选取，选取填充料、树脂和偶联剂，其中，填充料为空心微珠偶联剂为氨基类硅烷偶联剂；材料配比，将步骤一的填充料、树脂和偶联剂进行配比；抽真空搅拌，将步骤二中的材料按比例配置好后放入搅拌容器中，将容器置入真空搅拌机中进行搅拌，抽去混合材料中的空气；步骤四、固化，将步骤四中搅拌均匀的材料放入烘箱中固化，固化采用阶梯温度固化然后形成渐变过渡声阻抗匹配材料。解决了目前现有匹配材料多层粘结而成梯度材料的工艺所带来的，多个材料层与多个粘合层阻抗不匹配，超声波信号能量衰减大问题，提高传感器的灵敏度。

Description

渐变过渡声阻抗匹配材料配制方法

技术领域

本发明属于传感器领域，具体是一种渐变过渡声阻抗匹配材料配制方法。

背景技术

随着现代社会的进步，工业，科技，电子通迅逐步实现智能化，物联网的发展在国家十二五规划中新的篇章，而传感器是物联网首要器件，而本发明渐变声阻抗匹配材料是传感器对外界感知性能的重要部分，决定着感知信号强弱，除物联网外，还应用于工业高精定位，烟雾探测，料位，液位测试，属于声学材料行业。此材料居于传感器振动元件与空气接触面之间，将振动元件所产生的机械振动超声波能量传递到空气中，同时当振动超声波作用于此匹配材料时，又将振动能量传输给振动器件，在此能量传输过程中，要求能量损失要达到最小(或能量吸收最小)，达到声学中最重要的参数声阻抗Z匹配，现在的声阻抗材料主要有两种：一种使用金属材料，直接与压电振动器件连接，一种采用不同声阻抗的匹配材料粘合在一起构成梯度声阻抗材料与压电振动器件连接。金属材料作为阻抗匹配层只适合于几十千赫兹普通传感器使用，不适于用高频率传感器，而传统方法使用不同声阻抗材料粘合在一起形成梯度材料，虽能做到高频率，但由于材料属于多层粘合，在声波能量传输过程中虽然层与层之间阻抗的变化起过阻抗逐渐变化的作用，但层与层之间对声波能量存在大幅度的衰减(灵敏度衰减大)，使得传感发射或接收的信号不能有效的传输。常规的声阻抗匹配材料如图一，使用金属材料作为压电振动元件与空气间的匹配层，将压电元件的振动超声波信号通过金属片耦合到空气中，又将空气中返回的超声波振动能量传输给压电元件，此种结构传感器其工作频率只能做到70KHz以下，对于高频率，金属匹配元件的尺寸需变化，使得在高频段对超声波信号衰减太大，使得接收灵敏度低，此种材料方案不宜用作100K以上的高频率传感器。图二使用多层梯度阻抗材料，使匹配层声阻抗居于压电振动元件1与空气的声阻抗之间，其阻抗关系：压电元件1>A1>A2>A3>A4>空气介质，A4声阻抗接近于空气的声阻抗，A1的声阻抗接近于压电振动元件的声阻抗，其工艺方法将不同阻抗材料利用树脂粘合，如图所示a1、a2、a3。虽然能使声阻抗阶梯过渡，由靠近压电振动元件高阻抗降为接近空气的低阻抗，但超声波能量在传输过程中经过多个树脂层，对超声波能量进行大量的吸收与衰减，导致产品灵敏度低。

发明内容

本发明要解决的问题是怎么提供能量损失小而能达到最重要的参数声抗Z匹配，本发明提供了一种渐变过渡声阻抗匹配材料配制方法。

本发明提供了如下技术方案：

渐变过渡声阻抗匹配材料配制方法，它包括：

步骤一、材料的选取，选取填充料、树脂和偶联剂，其中，填充料为密度在0.01g/cm³-1g/cm³的空心微珠，抗压强度在1MPa-30MPa，树脂比重1.12g/cm³,粘度3000-15000mpa.s，偶联剂为氨基类硅烷偶联剂；

步骤二、材料配比，将步骤一的填充料、树脂和偶联剂进行配比，比例为填充料：树脂：偶联剂＝0.5:1:0.015；

步骤三、抽真空搅拌，将步骤二中的材料按比例配置好后放入搅拌容器中，将容器置入真空搅拌机中进行搅拌，搅拌同时开启真空泵，抽去混合材料中的空气，搅拌10分钟；

步骤四、固化，将步骤四中搅拌均匀的材料放入烘箱中固化，固化采用阶梯温度固化：第一阶梯段，40℃，4-6小时；第二阶梯段，60℃，6-10小时；第三阶梯段，80℃，6-10小时；第四阶梯段，100℃，12-24小时，然后形成渐变过渡声阻抗匹配材料。

此工艺方式的优点在于，采用阶梯温度固化使树脂的粘度先由稠变稀，此过程填充材料根据密度不同形成不同的沉积层，密度小的往上浮，相对密度大的往下沉,层与层之间无明显的界限，使得内部不同密度材料形成不同声阻抗层，以渐变的方式过渡，将固化后的材料与压电振动元件粘合，装配成所需的传感器，压电振动元件通过施加电压，使压电元件振动，产生超声波，超声波通过匹配层的高声阻抗区传输到低声阻抗区，再通过低声阻抗区将超声波信号传输到空气中，此过程由压电高声阻抗产生的超声波由匹配层的高声阻抗区传输到低声阻抗区，再传输到低声阻抗的空气中，当发出的超声波反馈时，反馈超声波信号由匹配层的低阻抗区，传输到高阻抗区，再通过高阻抗区传输到压电振动元件，压电振动元件将此信号传输给后续电路。这种以渐变的方式过度避免超声波在传输过程中声阻抗的突变导致能量的衰减，不但有效的解决了使用单层金属材料，不能制作高频率传感器的缺陷，同时也解决了目前现有匹配材料多层粘结而成梯度材料的工艺所带来的，多个材料层与多个粘合层阻抗不匹配，超声波信号能量衰减大问题。提高传感器的灵敏度。

附图说明

图1为一种现有技术的结构示意图；

图2为另一种现有技术结构示意图；

图3为本发明的结构示意图；

图4为阻抗曲线图；

图5为灵敏度回波图。

具体实施方式

如图3所示，渐变过渡声阻抗匹配材料配制方法，它包括：

步骤一、材料的选取，选取填充料、树脂和偶联剂，其中，填充料是空心微珠，填充料密度在0.01g/cm³-1g/cm³,抗压强度在1MPa-30MPa，树脂比重1.12g/cm³,粘度3000-15000mpa.s，偶联剂为氨基类硅烷偶联剂；

步骤二、材料配比，将步骤一的填充料、树脂和偶联剂进行配比，比例为填充料：树脂：偶联剂＝0.5:1:0.015；

步骤三、抽真空搅拌，将步骤二中的材料按比例配置好后放入搅拌容器中，将容器置入真空搅拌机中进行搅拌，搅拌同时开启真空泵，抽去混合材料中的空气，搅拌10分钟；

步骤四、固化，将步骤四中搅拌均匀的材料放入烘箱中固化，固化采用阶梯温度固化：第一阶梯段，40℃，4-6小时；第二阶梯段，60℃，6-10小时；第三阶梯段，80℃，6-10小时；第四阶梯段，100℃，12-24小时，然后形成渐变过渡声阻抗匹配材料。

本发明根据原理：

材料的声阻抗：Z＝p*v

p:材料的密度 V：材料的声速

压电振动元件声阻抗：Z1为30*10⁶kg/(m²s),作为超声波辐射介质空所的声阻抗约为400kg/(m²s)，两种介质的声阻抗差异较大，所以在这两种介质中需要使用一种声阻抗匹配材料进行耦合，能量传输。而对于此种材料声阻抗要求：

$Zo=\sqrt{Za*Zb}$

根据上式：其匹配层材料声阻抗达到11*10⁴kg/(m²s)，在材料尺寸方面，声波的λ/4为最佳传输效果。

要同时满足两个条件，材料需采用低密度，低声阻抗不同比重，不同硬度的材料，使用树脂真空搅拌混合，阶梯温度固化，使之形成不同材料的结构层，层与层之间没有明显的界面，而是渐变的变化，随结构层的密度渐变，声速不同，声阻抗也随之渐变，最终形成声阻抗由大到小(或由小到大)分布的渐变形材料。

此工艺方式的优点在于，采用阶梯温度固化使树脂的粘度先由稠变稀，此过程填充材料根据密度不同形成不同的沉积层，密度小的往上浮，相对密度大的往下沉,层与层之间无明显的界限，使得内部不同密度材料形成不同声阻抗层，以渐变的方式过度，将固化后的材料与压电振动元件粘合，装配成所需的传感器，压电振动元件1通过施加电压，使压电元件振动，产生超声波，匹配层11采用本发明方法制造而成，超声波在匹配层11中传输到高声阻抗区12，再由高声阻抗区12传输到低声阻抗区13，再通过低声阻抗13区将超声波信号传输到空气中，此过程由压电高声阻抗产生的超声波由匹配层的高声阻抗区12传输到低声阻抗区13，再传输到低声阻抗的空气中，当发出的超声波反馈时，反馈超声波信号由匹配层11中的低阻抗区13，传输到高阻抗区12，再通过高阻抗区12传输到压电振动元件1，压电振动元件1将此信号传输给后续电路。这种以渐变的方式过渡避免超声波在传输过程中声阻抗的突变导致能量的衰减，不但有效的解决了使用单层金属材料，不能制作高频率传感器的缺陷，同时也解决了目前现有匹配材料多层粘结而成梯度材料的工艺所带来的，多个材料层与多个粘合层阻抗不匹配，超声波信号能量衰减大问题。提高传感器的灵敏度。

图4为：阻抗曲线图，其中表示了相位曲线3和阻抗曲线2，由图中可以看出该传感器使用此发明阻抗匹配后，获得线性的阻抗曲线，线性度很好，说明声阻抗匹配效果很好，灵敏度也越高。

图5：灵敏度回波，给传感器施加驱动电压，传感器向空气发出超声波，当遇到障碍物时反馈波作用于传感器，当为障碍物固定时，反馈波的信号越强，表现为回波电压越高，此图表示为反馈波的信号强度，以电压的形式展现。

Claims (1)

1.渐变过渡声阻抗匹配材料配制方法，它包括：

步骤一、材料的选取，选取填充料、树脂和偶联剂，其中，填充料为密度在0.01g/cm³-1g/cm³的空心微珠，抗压强度在1MPa-30MPa，树脂比重1.12g/cm³,粘度3000-15000mPa.s，偶联剂为氨基类硅烷偶联剂；

步骤二、材料配比，将步骤一的填充料、树脂和偶联剂进行配比，比例按重量比为填充料：树脂：偶联剂＝0.5:1:0.015；

步骤三、抽真空搅拌，将步骤二中的材料按比例配置好后放入搅拌容器中，将容器置入真空搅拌机中进行搅拌，搅拌同时开启真空泵，抽去混合材料中的空气，搅拌10分钟；

步骤四、固化，将步骤四中搅拌均匀的材料放入烘箱中固化，固化采用阶梯温度固化：第一阶梯段，40℃，4-6小时；第二阶梯段，60℃，6-10小时；第三阶梯段，80℃，6-10小时；第四阶梯段，100℃，12-24小时，然后形成渐变过渡声阻抗匹配材料。