CN105842348A - 用于激励和接收非弥散超声导波的压电换能器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于激励和接收非弥散超声导波的压电换能器及制备方法。本发明的换能器，用于激励或接收超声导波，包括：换能板和电极；换能板采用极化后的压电材料，具有压电系数d24，形状为a×b×c的长方片，满足a<<b,a<<c；其中，棱边c为极化方向，b×c面为工作面，两个相对的a×c面为电极面，在两个电极面上分别制备电极；当激励电压或传来的超声导波在水平剪切SH波或扭转T波的一阶截止频率以下且在换能器的d24共振频率的阈值范围内，仅激励或接收非弥散超声导波；本发明的换能器制备工艺简单、成本低廉，适合工业批量化生产，将极大的推动基于超声导波的无损检测和结构健康检测的发展。
Description
技术领域
本发明涉及智能材料和结构健康监测技术，具体涉及一种用于激励和接收非弥散超声导波(SH0或T(0，1))的压电换能器及制备方法。
背景技术
超声导波检测已经成为无损检测和结构健康监测重要的技术手段。目前，基于超声导波的无损检测和健康监测方法还主要处于实验室研究阶段，用于实际工业检测的还不多。这主要是由于超声波在实际波导结构中的传播非常复杂。以平板中的Lamb波为例，Lamb波是典型的弥散波，即其相速度和群速度依赖于激励频率和板厚的乘积，而且Lamb波在缺陷和边界处会发生波形转换，这给缺陷识别带来了很大的困难。平板中的0阶水平剪切SH0波具有非弥散、在缺陷和边界处不发生波形转换的特点，因而在无损检测和结构健康监测领域比Lamb波更具应用价值。电磁超声换能器EMAT是目前为业界所熟知的能够产生SH0波的方法，但EMAT只适用于导电结构，且能量转换效率较低。相比EMAT，压电换能器具有尺寸小、能量转换效率高的特点，从而在结构健康监测领域更具优势。然而利用压电换能器激励和接收单模态的SH0波一直是业界难题。近年来，哈尔滨工业大学周文松课题组利用d36型压电单晶成功在平板中激励出SH0波，但压电单晶居里温度较低，价格昂贵且电畴稳定性较差，从而无法走向工业应用。随后北京大学李法新课题组在PZT陶瓷中实现了d36模式，并利用制备的d36型压电陶瓷成功在平板中激励出SH0波。相比压电单晶，d36型压电陶瓷具有更高的居里温度且制作成本低廉，从而更具应用价值。然而无论是d36型压电单晶还是陶瓷，都存在和d31模式耦合的问题，从而在激励出SH0波的同时也会激励出Lamb波。最近，南卡罗来纳大学的Victor Gigurgiutiu课题组提出用厚度剪切d15型压电换能器激励SH0波，但该换能器在沿着极化方向会激励出信噪比很高的Lamb波，此外该换能器能量转换效率低。综上，尽管已经有一些换能器相继被提出用于激励SH0波，但在较宽频带范围内激励和接收单模态的SH0波依然缺乏有效的手段。此外，薄壁圆管中的0阶扭转[T(0，1)]波和平板中的SH0波在本质上是等价的，T(0，1)同样是非弥散超声导波，在管道检测中具有重要的价值。理论上能够激励和接收SH0波的换能器也能激励和接收T(0，1)波。故若能设计制备新的换能器解决激励和接收单模态非弥散超声导波(SH0或T(0，1))波的难题，将有力推动基于超声导波的无损检测和结构健康检测等领域的发展。
发明内容
针对激励和接收单模态非弥散超声导波(SH0波和T(0,1)波)面临的困难，本发明提出了一种可以在宽频带范围内产生和接收单模态非弥散超声导波(SH0波和T(0,1)波)的面内剪切d24型压电换能器，有望推动超声导波在无损检测和结构健康检测等领域的实际应用。
本发明的一个目的在于提出一种面内剪切d24型压电换能器。
本发明的面内剪切d24型压电换能器，用于激励或接收超声导波，包括：换能板和电极；换能板采用极化后的压电材料，具有压电系数d24，形状为a×b×c的长方片，满足a<<b,a<<c；其中，棱边c为极化方向，b×c面为工作面，贴在被探测结构的表面，产生或感知非弥散超声导波；两个相对的a×c面为电极面，在两个电极面上分别制备电极；换能器作为制动器或传感器；换能器作为制动器，在电极上施加激励电压，由于压电效应d24，工作面产生面内剪切变形，控制激励电压的中心频率，使得在水平剪切SH波或扭转T波的一阶截止频率以下且在换能器的d24共振频率的阈值范围内，从而在被探测结构中仅产生非弥散超声导波；换能器作为传感器，当传来的超声导波的频率在水平剪切SH波或扭转T波的一阶截止频率以下且在换能器的d24共振频率的阈值范围时，仅有非弥散超声导波会引起工作面发生面内剪切变形，从而由于具有压电系数d24的压电效应，在电极面形成电位移。
非弥散超声导波包括SH0波和T(0,1)波，当被探测结构为平板状时，本发明的换能器在水平剪切SH波一阶截止频率以下仅激励或接收SH0波；当被探测结构为管状时，本发明的换能器在扭转T波一阶截止频率以下仅激励或接收T(0,1)波。
换能器作为制动器，激励超声导波；或者作为传感器，接收超声导波。在特定频段下，激励或接收的超声导波只有非弥散超声导波，这个频段称作工作频段。换能板中，a的尺寸应使换能器的d24共振频率在工作频段的中心频率的阈值范围内，阈值为±40KHz；作为制动器时，c或者b的尺寸应该为所激励波的半波长的奇数倍；作为传感器时，c或者b的尺寸应不大于所接收波的半波长。
换能板的压电材料采用铁电陶瓷，如PZT陶瓷，或者铁电型的压电单晶；若采用铁电陶瓷，极化时应使其剩余极化达到最大值；若采用铁电型的压电单晶，则极化时应沿着其自发极化方向极化，使其极化后的电畴状态达到或趋近于单畴状态。
激励电压采用交变电压，通过控制激励电压的频率，使得在水平剪切SH波或扭转T波的一阶截止频率以下；激励电压的频率与被探测结构的材料属性和尺寸有关。
进一步，激励电压采用汉宁窗调制，从而使得激励的超声导波的能量更集中。
本发明的另一个目的在于提供一种面内剪切d24型压电换能器的制备方法。
本发明的面内剪切d24型压电换能器的制备方法，包括以下步骤：
1)提供换能板的压电材料，将压电材料极化，使得具有压电系数d24；
2)将极化后的压电材料切成a×b×c的长方片，形成换能板，其中棱边c为极化方向，b×c面为工作面，即贴在被探测结构的表面用于产生或感知非弥散超声导波；两个相对的a×c面为电极面，满足a<<b,a<<c，a、b和c均为正实数；
3)在换能板的两个电极面上分别制备电极，并保证制备电极的过程不会改变压电材料的极化状态。
其中，在步骤1)中，压电材料采用铁电陶瓷或者铁电型的压电单晶；若采用铁电陶瓷，极化时应使其剩余极化达到最大值；若采用铁电型的压电单晶，则极化时应沿着其自发极化方向极化，使其极化后的电畴状态达到或趋近于单畴状态。
在步骤2)中，换能板中，a的尺寸应使换能器的d24共振频率在工作频段的中心频率的阈值范围内；作为制动器时，c或者b的尺寸应该为所激励波的半波长的奇数倍；作为传感器时，c或者b的尺寸应不大于所接收波的半波长。
在步骤3)中，制备电极采用离子溅射或化学镀的方法。
根据本发明的方法制备得到的压电换能器具备如下性质，在电极面(a×c面)施加激励电压会诱导工作面(b×c面)发生面内剪切变形，亦或在工作面上施加面内剪切应力，材料会在电极面产生电位移。若将本发明的面内剪切d24型压电换能器贴在平板状的被探测结构的表面，在交变电场驱动下，换能器会在与工作面棱边垂直的两个正交方向辐射出SH波，通过控制激励电压在水平剪切SH波的一阶截止频率以下，能在靠近其d24共振频率附近只激励SH0波；另一方面，该换能器也能接收与工作面棱边垂直的两个正交方向的SH波，且在水平剪切SH波的一阶截止频率以下在靠近d24共振频率附近内只接收SH0波。
通过本发明的制备方法获得的面内剪切d24型压电换能器能够激励和接收非弥散超声导波(SH0波和T(0,1)波)，以在平板中激励SH0波为例说明工作原理：换能板粘贴到平板状的探测结构的表面，b×c面为工作面。当在电极面施加交变电压，换能板在b×c面产生面内剪切变形，从而在平板状的被探测结构上产生剪切应力。若定义沿着平板状的被探测结构的两条长边方向分别为x和z方向，板厚沿着y方向，则该剪切应力为τxz。τxz可以等效为x和z方向的两个体力和故fx会引起质点偏振从而在z方向形成SH波，同理fz会在x方向形成SH波，通过控制激励电压的频率，使得在SH波的一阶截止频率以下，在靠近其d24共振频率附近只激励SH0波。另一方面，当d24型压电换能器作为传感器使用时，传来的SH0波会引起换能板的工作面(b×c面)发生面内剪切变形，从而由于d24压电效应，在电极面(a×c面)形成电位移。
本发明的又一个目的在于提供面内剪切d24型压电换能器用作滤波传感器的用途。本发明的优点：
本发明提供了利用压电换能器在宽频范围激励和接收单模态非弥散超声导波(SH0波和T(0,1)波)的解决方案，而且本发明提出的面内剪切d24型压电换能器制备工艺简单、成本低廉，适合工业批量化生产，可以预见本发明将极大的推动基于超声导波的无损检测和结构健康检测的发展。
附图说明
图1为本发明的面内剪切d24型压电换能器的结构示意图；
图2为本发明的面内剪切d24型压电换能器的实施例一用作制动器激励的波形图；
图3为本发明的面内剪切d24型压电换能器的实施例二用作传感器接收到的波形图，其中，
(a)为以d36型PMN-PT单晶作为传感器接收到的波形图，(b)为以本发明的面内剪切d24型压电换能器作为传感器接收到的波形图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
实施例一
如图1所示，本实施例的面内剪切d24型压电换能器包括：换能板和电极；换能板采用极化后的压电材料，具有压电系数d24，形状为a×b×c的长方片，满足a<<b,a<<c；其中，棱边c为极化方向，b×c面为工作面，即贴在结构表面用于产生或感知非弥散超声导波；两个相对的a×c面为电极面，在两个电极面上分别制备电极。图1中P代表电极化，箭头代表极化方向。直角坐标系的第三方向3沿着极化方向，第二方向2与电极面的法线平行，第一方向1与工作面的法线平行。
在本实施例中，压电材料采用PZT-5H陶瓷，工作频率为140kHz～230kHz，故各边的设计尺寸为a＝1mm，b＝c＝6mm。
本实施例的面内剪切d24型压电换能器制备方法，包括以下步骤：
1)选取烧结好的PZT-5H陶瓷，将其切割成6mm×6mm×6mm的立方块，利用离子溅射仪制备上电极后采用油浴极化的方式极化；极化的工艺如下：将PZT-5H陶瓷用硅油缓慢升温至110℃，然后施加1.5kV/mm的直流电场，保温保载15分钟后，将温度降至50℃，然后撤去电场；将极化后的陶瓷在室温下老化24小时。
2)将步骤1)所得到的陶瓷去掉极化电极，并沿着平行于极化方向切割，切割后的尺寸为1mm×6mm×6mm，形成换能板，其中沿着极化方向的尺寸为6mm。
3)将步骤2)所得换能板在两个相对的6mm×1mm面上用离子溅射的方式制备上电极。
阻抗测试显示，本实施例的面内剪切d24型压电换能器的压电系数d24为750pC/N，d24剪切共振频率为170kHz，反谐振共振频率为203kHz，故其在140kHz～230kHz间具备良好的工作性能。
图2展示了本实施例制备的面内剪切d24型压电换能器作为制动器在1mm厚的铝板用150kHz信号激励SH0波的实验结果。从图2中可以清晰的看到，当用d36型PMN-PT单晶作为传感器接收时，只有SH0波被探测到。d36型PMN-PT单晶既可以接收SH波，也可以接收Lamb波，故可以确定本实施例的d24型压电换能器在150kHz激励出了纯的SH0波。进一步实验结果表明本实施例的d24型压电换能器贴在平板上可以在140kHz～200kHz的范围内激励出纯的SH0波。目前现有技术中的其他各类换能器还不能在较宽频率范围内产生纯的SH0波。
实施例二
在本实施例中，将实施例一中制备的面内剪切d24型压电换能器用作传感器。
图3展示了用d36型PZT陶瓷作为制动器激励220kHz超声导波，用实施例一制备的面内剪切d24型压电换能器作为传感器接收波的实验结果。d36型PZT陶瓷可以同时激励S0，A0和SH0波，当用d36型PMN-PT单晶作为传感器接收时，三种波都可以被探测，如图3(a)所示。当用本实施例的面内剪切d24型压电换能器接收时，只有SH0波被探测到，而S0和A0波被过滤掉了，如图3(b)所示。进一步的实验表明，本实施例所提出的d24型压电换能器可以在140kHz～230kHz的范围内过滤掉S0和A0波，只接收SH0波。这表明本发明可以用作滤波传感器，可以极大的降低接收信号的复杂度，具有重要的应用价值。目前其他各类换能器还不能在较宽频范围内只接收单模态的SH0波。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种面内剪切d24型压电换能器，用于激励或接收超声导波，其特征在于，所述换能器包括：换能板和电极；所述换能板采用极化后的压电材料，具有压电系数d24，形状为a×b×c的长方片，满足a<<b,a<<c；其中，棱边c为极化方向，b×c面为工作面，贴在被探测结构的表面，产生或感知非弥散超声导波；两个相对的a×c面为电极面，在两个电极面上分别制备电极；所述换能器作为制动器或传感器；所述换能器作为制动器，在电极上施加激励电压，由于压电效应，具有压电系数d24的工作面产生面内剪切变形，控制激励电压的中心频率，使得在水平剪切SH波或扭转T波的一阶截止频率以下且在换能器的d24共振频率的阈值范围内，从而在被探测结构中仅产生非弥散超声导波；所述换能器作为传感器，当传来的超声导波的频率在水平剪切SH波或扭转T波的一阶截止频率以下且在换能器的d24共振频率的阈值范围时，仅有非弥散超声导波会引起工作面发生面内剪切变形，从而由于具有压电系数d24的压电效应，在电极面形成电位移。
2.如权利要求1所述的换能器，其特征在于，所述换能板中，a的尺寸使得换能器的d24共振频率在工作频段的中心频率的阈值范围内。
3.如权利要求1所述的换能器，其特征在于，所述换能器作为制动器时，换能板中，c或者b的尺寸为所激励波的半波长的奇数倍；所述换能器作为传感器时，换能板中，c或者b的尺寸不大于所接收波的半波长。
4.如权利要求1所述的换能器，其特征在于，所述激励电压采用汉宁窗调制。
5.如权利要求1所述的换能器，其特征在于，所述换能板的压电材料采用铁电陶瓷或者铁电型的压电单晶。
6.如权利要求5所述的换能器，其特征在于，所述换能板的压电材料采用PZT陶瓷。
7.一种面内剪切d24型压电换能器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
1)提供换能板的压电材料，将压电材料极化，使得具有压电系数d24；
2)将极化后的压电材料切成a×b×c的长方片，形成换能板，其中棱边c为极化方向，b×c面为工作面，即贴在被探测结构的表面用于产生或感知非弥散超声导波；两个相对的a×c面为电极面，满足a<<b,a<<c，a、b和c均为正实数；
3)在换能板的两个电极面上分别制备电极，并保证制备电极的过程不会改变压电材料的极化状态。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述在步骤1)中，压电材料采用铁电陶瓷或者铁电型的压电单晶；若采用铁电陶瓷，极化时应使其剩余极化达到最大值；若采用铁电型的压电单晶，则极化时应沿着其自发极化方向极化，使其极化后的电畴状态达到或趋近于单畴状态。
9.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在步骤3)中，制备电极采用离子溅射或化学镀的方法。
10.一种如权利要求1所述的面内剪切d24型压电换能器用作滤波传感器的用途。
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