CN104090032A - 基于气体基1-3型压电复合材料的空耦传感器 - Google Patents

Abstract

一种基于气体基1-3型压电复合材料的空耦传感器，该传感器包括1-3型压电复合材料晶片、电极、透射层、阻尼层、阻抗匹配电路、传感器外壳、BNC接口；其中，电极镀在1-3型压电复合材料晶片的表面，并与匹配层和阻尼层同心粘结在一起，同时上下电极引出的导线经阻抗匹配电路与BNC接口进行连接。采用气体填充的方式代替聚合物与压电柱结合，形成以空气作为基体的1-3型压电复合材料，其声阻抗与空气更为接近，能够提高能量在传感器与空气之间的传输率。同时，采用声阻抗介于压电复合材料与空气之间的纤维材料作为匹配层，进一步提高激励时透射到空气中的超声波。

Description

基于气体基1-3型压电复合材料的空耦传感器

技术领域

基于气体基1-3型压电复合材料的空耦传感器，属于超声无损检测领域，可采用空气耦合的方式在板、管等结构中激励出超声导波。

背景技术

随着对超声波高速检测需求的日益增长，非接触式检测技术成为国内外的研究热点，目前，非接触式超声检测的方法主要有空气耦合超声检测技术、激光超声检测技术和电磁声超声检测技术。其中，空气耦合传感器(Air-CoupledTransducer)与另外两种方式相同，均无需采用任何耦合剂即可以在被测件中激励出超声导波，但前者对设备和被测件的要求较低。采用这种方式避免了因耦合剂渗入材料而影响构件的力学性能，及耦合效果对激励、接收信号的幅值和相位产生的影响。

空气耦合超声检测能够对各种不宜直接接触的材料进行快速检测，但其存在三个严重的问题：(1)空气中超声波的衰减高；(2)检测介质与空气的高阻抗差；(3)传感器的敏感材料与空气的高阻抗差。由于不同介质间，声阻抗的差异越大，能量的传输效率越低，所以只有很少的能量能够传进被测件。尤其是采用导波法检测时，接收传感器接收到的信号只是从被检测结构中泄漏到空气中的泄漏波，所以提高不同介质间的能量传输效率对于检测十分必要。其中，针对已知的被测件，前两点是无法改变的，所以只能对第三点进行一定程度的处理和改善，通过采用不同的聚合物与压电材料进行复合，使其等效声阻抗能够尽量接近空气的声阻抗，提高传到空气中的能量和接收空气中传来的能量。

常规的压电材料声阻抗约为30～40MRayl，而空气的声阻抗为420Rayl，声波的透射率仅为0.003％～0.005％。为提高声波的传输效率，可以采用高分子聚合物(如环氧树脂)与切割为独立的压电材料小柱进行复合，形成1-3型压电复合材料，以实现降低敏感元件声阻抗的作用。这种方式不仅可以降低材料的声阻抗，提高能量传输率，还可以极大的提高材料的柔韧性和降低机械品质因数Q_m，从而提高传感器的分辨率。

发明内容

为了进一步降低传统压电复合材料的声阻抗，本发明的目的在于提供了一种基于气体基1-3型压电复合材料的空耦传感器，采用气体填充的方式代替聚合物与压电柱结合，形成以空气作为基体的1-3型压电复合材料，其声阻抗与空气更为接近，能够提高能量在传感器与空气之间的传输率。同时，采用声阻抗介于压电复合材料与空气之间的纤维材料作为匹配层，进一步提高激励时透射到空气中的超声波。本发明能够有效地提高空气耦合超声检测中信号的能量，并实现在各种不宜接触的被检件中激励出超声导波。本发明利用空气代替聚合物作为基体，提出了一种基于气体基1-3型压电复合材料的空耦传感器，比传统的1-3型压电复合材料具有更低的声阻抗，能够提高能量的传输率，改善接收信号强度，提高分辨率等优点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种基于气体基1-3型压电复合材料的空耦传感器，该传感器包括1-3型压电复合材料晶片、电极、透射层、阻尼层、阻抗匹配电路、传感器外壳、BNC接口；其中，电极镀在1-3型压电复合材料晶片的表面，并与匹配层和阻尼层同心粘结在一起，同时上下电极引出的导线经阻抗匹配电路与BNC接口进行连接。

采用空气代替传统的聚合物与压电小柱复合来制作1-3型压电复合材料晶片，所述的压电小柱由整片压电材料切割为立方体结构，并呈均匀间隙布置；于空气基体中；并在1-3型压电复合材料晶片的上下表面蒸镀电极，两者结合作为激励和接收超声波的敏感元件，其采用的压电材料类型和厚度决定传感器的中心频率。

所述的透射层和阻尼层按照1-3型压电复合材料晶片的尺寸制作，并与1-3型压电复合材料晶片相粘贴在一起。

所述的阻抗匹配电路，采用电容、电阻和电感电器元件，通过串联、并联或串并联相结合的方式组成。

所述的传感器外壳可以采用金属或聚合物制作，两种材料各有优点，金属材料的机械强度高，散热性能好，聚合物材料具有质轻、高绝缘性等优点；所述的BNC接口直接采用标准的BNC接头。

所述的1-3型压电复合材料晶片的结构包括压电小柱、空气、环氧树脂；将完整的压电材料均匀地切割为长宽相等的长方体压电小柱，并呈均匀间隙布置，按高度方向极化；用软质材料如泡沫材料，依空气的结构切割为对应的大小，将其均匀地排布于压电小柱的周围；将环氧树脂灌入压电小柱与泡沫材料的四周，其固化后会将所有压电小柱连接在一起，方便电极的蒸镀；采用细质的工具将泡沫材料破坏，使其所占位置成为空气。先通过模具加工出固态的网状环氧树脂结构，并手工将压电小柱蘸上环氧树脂胶后插入其空隙中，并将其上下表面打磨平整。可以不使用环氧树脂，直接将压电小柱8均匀的分布在空气中。

本发明通过环氧树脂胶将镀有电极的1-3型压电复合材料晶片与透射层和阻尼层粘贴在一起，其中透射层粘贴在1-3型压电复合材料晶片的下表面，而阻尼层粘贴在其上表面，并保证三者轴心在垂直方向上重合；将上下电极引出的导线与阻抗匹配电路的两极连接在一起，并接至BNC接口；传感器外壳在封装上述结构时，通过添加一层屏蔽层材料，将其粘贴在传感器外壳的内表面上，避免外界干扰；基于压电效应，在1-3型压电复合材料晶片的上下表面电极上施加电信号时，会使其产生振动而激励出超声波。基于逆压电效应，当1-3型压电复合材料晶片感受到振动时，会在其上下表面感应出电荷而产生电信号，从而使传感器接收到外部的超声波信号。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。

1、采用空气耦合方式，降低了对被检件表面粗糙度的要求，避免了常规超声传感器耦合效果对信号的影响；

2、利用空气作为基体制成1-3型压电复合材料能够降低声阻抗，提高传入空气中的超声波能量；

3、用空气将各压电小柱分离开，可以避免压电柱间振动带来的串扰，在一定程度上提高信号的信噪比；

4、改变气体基1-3型压电复合材料晶片的厚度，可以调整空耦传感器的中心频率；

5、调整压电小柱的几何尺寸和体积分数，可以改变压电复合材料晶片的机电耦合系数K_t、机械品质因素Q_m等。

附图说明

图1基于气体基1-3型压电复合材料的空耦传感器结构示意图；

图2气体基1-3型压电复合材料结构示意图；

图2a环氧树脂网状结构示意图；

图2b纯气体基结构示意图；

图3压电小柱几何尺寸及与基体关系示意图；

图4气体基1-3型压电复合材料的压电小柱体积分数对其阻抗曲线的影响；

图4a0～0.5MHz频率范围的阻抗曲线；

图4b阻抗曲线的峰值和谷值部分；

图5压电小柱体积分数对材料性能的影响；

图5a压电小柱体积分数对1-3型压电复合材料机电耦合系数影响；

图5b压电小柱体积分数对1-3型压电复合材料机械品质因数影响；

图6气体基1-3型压电复合材料的压电小柱几何尺寸对其阻抗曲线的影响；

图7压电小柱几何尺寸对材料性能的影响；

图7a压电小柱几何尺寸对1-3型压电复合材料机电耦合系数影响；

图7b压电小柱几何尺寸对1-3型压电复合材料机械品质因数影响；

图中：1、1-3型压电复合材料晶片，2、电极，3、透射层，4、阻尼层，5、阻抗匹配电路，6、传感器外壳，7、BNC接口，8、压电小柱，9、空气，10、环氧树脂。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1-7b所示，一种基于气体基1-3型压电复合材料的空耦传感器，该传感器包括1-3型压电复合材料晶片1、电极2、透射层3、阻尼层4、阻抗匹配电路5、传感器外壳6、BNC接口7；其中，电极镀在1-3型压电复合材料晶片1的表面，并与匹配层和阻尼层4同心粘结在一起，同时上下电极2引出的导线经阻抗匹配电路5与BNC接口7进行连接。

采用空气代替传统的聚合物与压电小柱复合来制作1-3型压电复合材料晶片1，所述的压电小柱由整片压电材料切割为立方体结构，并呈均匀间隙布置；于空气基体中；并在1-3型压电复合材料晶片1的上下表面蒸镀电极2，两者结合作为激励和接收超声波的敏感元件，其采用的压电材料类型和厚度决定传感器的中心频率。

所述的透射层3和阻尼层4按照1-3型压电复合材料晶片1的尺寸制作，并与1-3型压电复合材料晶片1相粘结在一起。

所述的阻抗匹配电路5，采用电容、电阻和电感电器元件，通过串联、并联或串并联相结合的方式组成。

所述的传感器外壳6可以采用金属或聚合物制作，两种材料各有优点，金属材料的机械强度高，散热性能好，聚合物材料具有质轻、高绝缘性等优点；所述的BNC接口7直接采用标准的BNC接头。

所述的1-3型压电复合材料晶片1的结构包括压电小柱8、空气9、环氧树脂10；将完整的压电材料均匀地切割为长宽相等的长方体压电小柱8，并呈均匀间隙布置，按高度方向极化；用软质材料如泡沫材料，依空气9的结构切割为对应的大小，将其均匀地排布于压电小柱8的周围；将环氧树脂10灌入压电小柱8与泡沫材料的四周，其固化后会将所有压电小柱8连接在一起，方便电极2的蒸镀；采用细质的工具将泡沫材料破坏，使其所占位置成为空气9。先通过模具加工出固态的网状环氧树脂10结构，并手工将压电小柱8蘸上环氧树脂胶后插入其空隙中，并将其上下表面打磨平整。可以不使用环氧树脂10，直接将压电小柱8均匀的分布在空气9中。

本发明通过环氧树脂胶将镀有电极2的1-3型压电复合材料晶片1与透射层3和阻尼层4粘贴在一起，其中透射层3粘贴在1-3型压电复合材料晶片1的下表面，而阻尼层4粘贴在其上表面，并保证三者轴心在垂直方向上重合；将上下电极2引出的导线与阻抗匹配电路5的两极连接在一起，并接至BNC接口7；传感器外壳6在封装上述结构时，通过添加一层屏蔽层材料，将其粘贴在传感器外壳6的内表面上，避免外界干扰；基于压电效应，在1-3型压电复合材料晶片1的上下表面电极2上施加电信号时，会使其产生振动而激励出超声波。基于逆压电效应，当1-3型压电复合材料晶片1感受到振动时，会在其上下表面感应出电荷而产生电信号，从而使传感器接收到外部的超声波信号。

采用这中复合方式，能够进一步降低传统压电复合材料的声阻抗，提高传感器向空气中传播超声波的能量。

基于气体基1-3型压电复合材料的空耦传感器，其结构如图1中所示，所述的电极2，采用金属材料，如铜、铝、银、镍。所述的透射层3选用纤维材料，可以是一层或多层，声阻抗范围选择1×10⁶MRayl～20×10⁶MRayl，可由下式计算：

$Z_2=\sqrt{(Z_1^2+Z_a^2)/2}$

其中Z₁是压电材料的声阻抗，Z_a是空气的声阻抗，因为Z_a远远小于Z₁，所以上式可简写为：

$Z_2=\sqrt{Z_1^2/2}$

如果有多层材料，每下一层材料的声阻抗均与上一层的声阻抗满足上面的公式。透射层3的厚度，由中心频率下，超声波在材料中的波长确定，为了提高能量的透射率，一般取波长的1/4为每层透射层厚度。

所述的阻尼层4为高衰减材料，使向传感器反方向传播的超声波尽快衰减，避免带来的干扰。所述的阻抗匹配电路5通过电阻、电容、电感等电器元件，以串联或并联的方式组合到一起，将其两端接在1-3型压电复合材料晶片上下表面电极引出的导线上，并跟所述的BNC接口7连接。所述的传感器外壳6与内部材料之间可添加一层非导电性的屏蔽层，避免外部环境给敏感元件带来干扰。

所述的压电小柱8的几何尺寸及其与空气基体所占的比例如图3所示，其高度t根据所选定的压电材料种类和传感器中心频率确定，两者关系为：频率常数＝频率×厚度，对于一定的压电材料，其频率常数为定值；压电小柱8的横截面为边长为w的正方形，其值应小于在中心频率下压电材料中超声波的波长，为使1-3型压电复合材料晶片的厚度振动模式占主导地位，应使w的值尽量小于厚度t的值，避免压电小柱8的横向振动模式对其厚度振动模式产生干扰；如图3中所示的相邻压电柱之间的中心距离d应小于在中心频率下，气体中的超声波波长。

所述的压电小柱8，其体积分数和几何尺寸关系，对于改善传感器的性能有着十分重要的作用。体积分数指在压电小柱8与气体基的一个分布周期中，压电小柱8所占的体积与一个分布周期的体积比值；几何尺寸关系是压电小柱8的横截面厚度与宽度的比值t/w。

如图4所示为压电小柱8的体积分数变化时，气体基1-3型压电复合材料晶片1的阻抗曲线变化情况。利用计算机数值仿真软件，创建所述的气体基1-3型压电复合材料晶片1的三维模型，结构按图2a所示，中更改压电小柱8的体积分数变化从10％～60％，步长为10％。图4中曲线为每种情况下，气体基1-3型压电复合材料晶片1的阻抗幅值结果，小于200kHz附近的峰值和谷值分别对应压电复合材料的并联谐振频率和串联谐振频率。图4b为图4a中方框选中区域的局部放大，结果显示，随着压电小柱8体积分数增大，串联谐振频率和并联谐振频率都逐渐增大，但前者的变化不是很明显，后者变化明显。

如图5所示为压电小柱8的体积分数从10％～60％变化时，基于气体基1-3型压电复合材料的空耦传感器的机电耦合系数K_t和机械品质因数Q_m的变化趋势，两者可按下述公式计算：

${K_t}^2=\frac{\mathrm{\π}}{2}\frac{f_s}{f_p}\tan \left(\frac{\mathrm{\π}}{2}\frac{f_p-f_s}{f_p}\right)$

$Q_m=\frac{1}{2\mathrm{\π}{f}_s{\mathrm{RC}}^T\left(\frac{f_p^2-{f_s}^2}{f_p^2}\right)}$

其中：f_s、f_p分别为串联、并联谐振频率，R取谐振频率处最小阻抗幅值，C^T为自由电容。

从图中看出，随压电小柱8的体积分数逐渐增大，机电耦合系数K_t先逐步增大在趋于水平，机械品质因数Q_m逐渐降低。对比气体基和传统环氧树脂基，气体基1-3型压电复合材料的机电耦合系数K_t更大，能提高传感器的能量转换效率；对于机械品质因数Q_m，两种模型都明显小于压电材料，适合制作宽带传感器，提高时域分辨率。

如图6所示的是压电小柱8的几何尺寸关系t/w的值从5～10变化时，空耦传感器的阻抗曲线变化情况。根据数值仿真软件的计算结果看出，随着压电小柱8的几何尺寸t/w的增大，串联谐振频率和并联谐振频率无明显变化，但阻抗值逐渐增大。

如图7所示的是压电小柱8的几何尺寸关系t/w的值从5～10变化时，气体基1-3型压电复合材料晶片1的机电耦合系数K_t和机械品质因数Q_m的变化趋势，从图中看出，随压电小柱8的几何尺寸关系t/w的增大，机电耦合系数K_t和机械品质因数Q_m的变化都不是很明显。同样地，气体基的模型计算结果，机电耦合系数K_t明显大于环氧树脂基，而机械品质因数Q_m随t/w值得增大，呈下降趋势，且两种模型都小于压电材料。

Claims (5)

1.一种基于气体基1-3型压电复合材料的空耦传感器，其特征在于：该传感器包括1-3型压电复合材料晶片(1)、电极(2)、透射层(3)、阻尼层(4)、阻抗匹配电路(5)、传感器外壳(6)、BNC接口(7)；其中，电极镀在1-3型压电复合材料晶片(1)的表面，并与匹配层和阻尼层(4)同心粘结在一起，同时上下电极(2)引出的导线经阻抗匹配电路(5)与BNC接口(7)进行连接；

采用空气代替传统的聚合物与压电小柱复合来制作1-3型压电复合材料晶片(1)，所述的压电小柱由整片压电材料切割为立方体结构，并呈均匀间隙布置于空气基体中；并在1-3型压电复合材料晶片(1)的上下表面蒸镀电极(2)，两者结合作为激励和接收超声波的敏感元件，其采用的压电材料类型和厚度决定传感器的中心频率；

所述的透射层(3)和阻尼层(4)按照1-3型压电复合材料晶片(1)的尺寸制作，并与1-3型压电复合材料晶片(1)相粘结在一起；

所述的阻抗匹配电路(5)，采用电容、电阻和电感电器元件，通过串联、并联或串并联相结合的方式组成；

所述的传感器外壳(6)可以采用金属或聚合物制作，两种材料各有优点，金属材料的机械强度高，散热性能好，聚合物材料具有质轻、高绝缘性等优点；所述的BNC接口(7)直接采用标准的BNC接头；

所述的1-3型压电复合材料晶片(1)的结构包括压电小柱(8)、空气(9)、环氧树脂(10)；将完整的压电材料均匀地切割为长宽相等的长方体压电小柱(8)，并呈均匀间隙布置，按高度方向极化；用软质材料如泡沫材料，依空气(9)的结构切割为对应的大小，将其均匀地排布于压电小柱(8)的周围；将环氧树脂(10)灌入压电小柱(8)与泡沫材料的四周，其固化后会将所有压电小柱(8)连接在一起，方便电极(2)的蒸镀；采用细质的工具将泡沫材料破坏，使其所占位置成为空气(9)；先通过模具加工出固态的网状环氧树脂(10)结构，并手工将压电小柱(8)蘸上环氧树脂胶后插入其空隙中，并将其上下表面打磨平整；可以不使用环氧树脂(10)，直接将压电小柱(8)均匀的分布在空气(9)中。

2.根据权利要求1所述的一种基于气体基1-3型压电复合材料的空耦传感器，其特征在于：该传感器通过环氧树脂胶将镀有电极(2)的1-3型压电复合材料晶片(1)与透射层(3)和阻尼层(4)粘贴在一起，其中透射层(3)粘贴在1-3型压电复合材料晶片(1)的下表面，而阻尼层(4)粘贴在其上表面，并保证三者轴心在垂直方向上重合；将上下电极(2)引出的导线与阻抗匹配电路(5)的两极连接在一起，并接至BNC接口(7)；传感器外壳(6)在封装上述结构时，通过添加一层屏蔽层材料，将其粘贴在传感器外壳(6)的内表面上，避免外界干扰；基于压电效应，在1-3型压电复合材料晶片(1)的上下表面电极(2)上施加电信号时，会使其产生振动而激励出超声波；基于逆压电效应，当1-3型压电复合材料晶片(1)感受到振动时，会在其上下表面感应出电荷而产生电信号，从而使传感器接收到外部的超声波信号。

3.根据权利要求1所述的一种基于气体基1-3型压电复合材料的空耦传感器，其特征在于：所述的电极(2)，采用金属材料，如铜、铝、银、镍；所述的透射层3选用纤维材料，可以是一层或多层，声阻抗范围选择1×10⁶MRayl～20×10⁶MRayl，可由下式计算：

$Z_2=\sqrt{(Z_1^2+Z_a^2)/2}$

其中Z₁是压电材料的声阻抗，Z_a是空气的声阻抗，因为Z_a远远小于Z₁，所以上式可简写为：

$Z_2=\sqrt{Z_1^2/2}$

如果有多层材料，每下一层材料的声阻抗均与上一层的声阻抗满足上面的公式；透射层(3)的厚度，由中心频率下，超声波在材料中的波长确定，为了提高能量的透射率，一般取波长的1/4为每层透射层厚度。

4.根据权利要求1所述的一种基于气体基1-3型压电复合材料的空耦传感器，其特征在于：所述的阻尼层4(4)为高衰减材料，使向传感器反方向传播的超声波尽快衰减，避免带来的干扰；所述的阻抗匹配电路(5)通过电阻、电容、电感电器元件，以串联或并联的方式组合到一起，将其两端接在1-3型压电复合材料晶片上下表面电极引出的导线上，并跟所述的BNC接口(7)连接；所述的传感器外壳(6)与内部材料之间可添加一层非导电性的屏蔽层，避免外部环境给敏感元件带来干扰。

5.根据权利要求1所述的一种基于气体基1-3型压电复合材料的空耦传感器，其特征在于：所述的压电小柱(8)的高度t根据所选定的压电材料种类和传感器中心频率确定，两者关系为：频率常数＝频率×厚度，对于一定的压电材料，其频率常数为定值；压电小柱(8)的横截面为边长为w的正方形，其值应小于在中心频率下压电材料中超声波的波长，为使1-3型压电复合材料晶片的厚度振动模式占主导地位，应使w的值尽量小于厚度t的值，避免压电小柱8(8)的横向振动模式对其厚度振动模式产生干扰；相邻压电柱之间的中心距离d应小于在中心频率下，气体中的超声波波长。