CN106198756B - 一种同轴双弧面贯通型气体基线聚焦空气耦合传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种同轴双弧面贯通型气体基线聚焦空气耦合传感器，属于声学换能器技术领域，其作用是把激励端产生的电信号转换为压电材料的振动进而产生超声波，同时接收从被测件反射回的声波信号，并将其转换为电信号。本发明采用同轴双弧面贯通型气体基压电复合材料作为激励接收敏感元件，与上电极、下电极、透射层、背衬层、阻抗匹配电路、金属外壳、BNC接头等组合成同轴双弧面贯通型气体基线聚焦空气耦合传感器，该传感器具有声阻抗低、能量传输效率高、声能量集中等优点，完全可以满足实验需要。

Description

一种同轴双弧面贯通型气体基线聚焦空气耦合传感器
技术领域
本发明涉及一种用于空气耦合式超声检测的同轴双弧面贯通型气体基线聚焦压电传感器，属于声学换能器技术领域，其作用是把激励端产生的电信号转换为压电材料的振动进而产生超声波，同时接收从被测件反射回的声波信号，并将其转换为电信号。整个激励和接收过程均采用空气耦合的方式，实现了对被测材料进行非接触检测的目的。
背景技术
在超声波检测中，利用耦合介质进行声波耦合的方法占主导地位，但耦合介质的使用会使耦合条件存在差异，对激励、接收信号的幅值和相位有较大影响，并且耦合剂会使试样受潮或变污，影响被测材料的性能和正常使用。另外，耦合剂的耦合效果在不同环境温度条件下差异较大，会严重影响检测效果。因此，非接触式超声检测技术得到了广泛应用。目前，非接触式超声检测技术主要有空气耦合超声检测技术、电磁超声检测技术和激光超声检测技术，此三种方法均无需采用任何液体或固体耦合介质即可直接在被测件中激励出超声波，而空气耦合超声检测技术对设备和被测件的要求较低，解决了实验条件难以统一的问题。
在空气耦合检测过程中，压电敏感元件与空气之间存在着高声阻抗差，大大降低了能量传输效率。针对这个问题，设计制作贯通型气体基压电复合材料，使其等效声阻抗能够尽量与空气接近，提高能量传输效率。除此之外，声波在空气中传播时存在着较大的能量衰减，减少了传播到被测件中的声波能量，也大大减弱了传感器接收到的声能量的强度。为了解决这个问题，设计制作聚焦式传感器，以实现声能量的汇聚，提高传播到被测件以及接收传感器中的声能量的强度。目前，常规的聚焦式传感器是采用在压电材料表面增加声透镜的方法，来实现声波的汇聚。由于在制作精密声透镜时，材料昂贵、加工困难，且激励元件与透镜之间的声阻抗不匹配以及镜头与空气之间的声阻抗不匹配，导致了能量传输效率的下降，因此传统的透镜式聚焦传感器不适用于空气耦合超声检测。而以具有同轴双弧面结构的贯通型气体基压电复合材料作为敏感元件制作的线聚焦式传感器，既可以保证传感器的低声阻抗特性，又可以实现声能量的聚焦，最终可适用到空气耦合超声检测中。
发明内容
本发明的目的是提出一种同轴双弧面贯通型气体基线聚焦空气耦合传感器，并将激励/接收统一在一个传感器中，实现非接触检测的目的。
为了实现上述目的，本发明包含了如下部件：同轴双弧面贯通型气体基压电复合材料1、上电极2、下电极3、阻抗匹配层4、背衬层5、阻抗匹配电路6、金属外壳7、BNC接头8。
传感器的整体装配图如图1所示，同轴双弧面贯通型气体基压电复合材料结构示意图如图2所示。
整个传感器的核心部件为同轴双弧面贯通型气体基压电复合材料1，同轴双弧面贯通型气体基压电复合材料1的上、下表面分别镀有金属电极上电极2、下电极3；背衬层5与上电极2粘结，阻抗匹配层4与下电极3粘接；上电极2、下电极3组成电极端；阻抗匹配电路6设置在背衬层5的顶部，阻抗匹配电路6与BNC接头8连接并固定在金属外壳7的顶部，上电极2与BNC接头8的插针导通，下电极3与BNC接头8的壳体导通。金属外壳7用于封装同轴双弧面贯通型气体基压电复合材料1、上电极2、下电极3、阻抗匹配层4、背衬层5、阻抗匹配电路6，且所有封装部件在装配时均与金属外壳7同轴布置。
同轴双弧面贯通型气体基压电复合材料1由压电柱9和环氧树脂支架11组成，压电柱9在环氧树脂支架11内等夹角布置，各压电柱9之间以及环氧树脂支架11之间填充有贯通的空气隙10。
压电柱9的几何结构是横截面为正方形的长方体，如图6所示，其横截面边长为a＝0.5mm～2.5mm，高度为h＝5mm～25mm。
环氧树脂支架11是含有上下贯通型空气隙10的结构；如图2、图3、图4、图5所示，同轴双弧面贯通型气体基压电复合材料1顶部设有上圆柱面，底部中间设有下圆柱面，且上、下圆柱面同轴，上圆柱面半径为R1＝7mm～55mm，下圆柱面半径为R2＝2mm～30mm，上下圆柱面长度均为s＝10mm～40mm，上下圆柱面张角均为θ＝20°～100°，且下圆柱面边缘设有水平方向平台，宽度为m＝0.5～1.5mm，长度为s。同轴双弧面贯通型气体基压电复合材料1整体横截面宽度为s＝10mm～40mm，径向高度为t＝5mm～25mm。
如图3、图4、图5所示，斜线填充部分为压电柱9，黑色填充部分为环氧树脂支架11，未填充部分为贯通的空气隙10。空气隙10为扇形结构；其中相邻压电柱9轴线之间的夹角为扇形结构的空气隙宽度为d＝0.2mm～0.8mm，和e＝0.5mm～2.5mm；每个压电柱9周围的支架宽度均为c＝0.1mm～0.3mm。压电复合材料的上电极2、下电极3的厚度均为50nm～500nm，阻抗匹配层4的厚度为3mm～8mm；背衬层5上表面为平面，下表面为与上电极2的上表面重合的圆柱面，背衬层5上表面中心位置到上电极2的上表面中心位置厚度为10mm～30mm。
本发明以一种同轴双弧面贯通型气体基压电复合材料作为敏感元件，制作出具有线聚焦功能的空气耦合传感器，该传感器具有声阻抗低、能量传输效率高、声能量集中等优点。
附图说明
图1传感器整体装配图；
图2同轴双弧面贯通型气体基压电复合材料结构示意图；
图3压电复合材料局部剖视俯视图；
图4压电复合材料局部剖视正视图(一)；
图5压电复合材料局部剖视正视图(二)；
图6压电柱结构示意图；
具体实施方式
下面结合附图1-6，以张角θ＝90°，聚焦半径即下圆柱面半径R2＝20mm的传感器为实例对具体的实施方式作进一步的说明。这里选定压电柱9的横截面边长为a＝1.5mm，高度h＝15mm；环氧树脂支架11的整体横截面宽度为s＝32.5mm，径向高度t＝20mm，圆柱面长度s＝32.5mm，上圆柱面半径为R1＝35mm，下圆柱面边缘处平台宽度为m＝1mm，长度为s＝32.5mm；扇形体空气隙的宽度为d＝0.2mm，以及e＝1.5mm；支架宽度为c＝0.2mm；相邻压电柱9轴线之间的夹角为
如图1所示，该传感器包括同轴双弧面贯通型气体基压电复合材料1、上电极2、下电极3、阻抗匹配层4、背衬层5、阻抗匹配电路6、金属外壳7、BNC接头8等。其中的核心部件同轴双弧面贯通型气体基压电复合材料1由压电柱9和环氧树脂支架11组成。
压电柱9的极化方向为高度方向，其在环氧树脂支架11中呈等夹角周期分布。通过对压电复合材料的上下表面进行精细研磨，去除多余的压电柱部分，使压电柱的一端与环氧树脂支架的上圆柱面贴合，另一端与支架的下圆柱面贴合，且保证上下表面均达到镜面等级，粗糙度Ra≤0.2um，然后通过溅射镀膜的方式在其上下表面镀电极，上下电极厚度均为250nm。背衬层5由环氧树脂和钨粉混合调制而成，同时按照上电极2的结构尺寸制作并与之同轴粘接，其上表面中心位置到上电极2的上表面中心位置厚度为15mm；阻抗匹配层4的材料为环氧树脂，同时按照下电极3的结构尺寸制作并与之同轴粘接，其厚度为3mm。阻抗匹配电路6在背衬层5的上方，一端与BNC接头8的插针相连接，另一端经导线与上电极2相连接。金属外壳7的内表面与上电极2绝缘，与下电极3导通；金属外壳7的外表面与BNC接头8的壳体相接触并导通。

Claims (3)

1.一种同轴双弧面贯通型气体基线聚焦空气耦合传感器，其特征在于：该传感器包括同轴双弧面贯通型气体基压电复合材料(1)、上电极(2)、下电极(3)、阻抗匹配层(4)、背衬层(5)、阻抗匹配电路(6)、金属外壳(7)、BNC接头(8)；
整个传感器的核心部件为同轴双弧面贯通型气体基压电复合材料(1)，同轴双弧面贯通型气体基压电复合材料(1)的上、下表面分别镀有金属电极上电极(2)、下电极(3)；背衬层(5)与上电极(2)粘结，阻抗匹配层(4)与下电极(3)粘接；上电极(2)、下电极(3)组成电极端；阻抗匹配电路(6)设置在背衬层(5)的顶部，阻抗匹配电路(6)与BNC接头(8)连接并固定在金属外壳(7)的顶部，上电极(2)与BNC接头(8)的插针导通，下电极(3)与BNC接头(8)的壳体导通；金属外壳(7)用于封装同轴双弧面贯通型气体基压电复合材料(1)、上电极(2)、下电极(3)、阻抗匹配层(4)、背衬层(5)、阻抗匹配电路(6)，且所有封装部件在装配时均与金属外壳(7)同轴布置；
同轴双弧面贯通型气体基压电复合材料(1)由压电柱(9)和环氧树脂支架(11)组成，压电柱(9)在环氧树脂支架(11)内等夹角布置，各压电柱(9)之间以及环氧树脂支架(11)之间填充有贯通的空气隙(10)。
2.根据权利要求1所述的一种同轴双弧面贯通型气体基线聚焦空气耦合传感器，其特征在于：压电柱(9)的几何结构是横截面为正方形的长方体，其横截面边长为a＝0.5mm～2.5mm，高度为h＝5mm～25mm；环氧树脂支架(11)是含有上下贯通型空气隙(10)的结构，同轴双弧面贯通型气体基压电复合材料(1)顶部设有上圆柱面，底部中间设有下圆柱面，且上、下圆柱面同轴，上圆柱面半径为R1＝7mm～55mm，下圆柱面半径为R2＝2mm～30mm，上下圆柱面长度均为s＝10mm～40mm，上下圆柱面张角均为θ＝20°～100°，且下圆柱面边缘设有水平方向平台，宽度为m＝0.5～1.5mm，长度为s；同轴双弧面贯通型气体基压电复合材料(1)整体横截面宽度为s＝10mm～40mm，径向高度为t＝5mm～25mm。
3.根据权利要求1所述的一种同轴双弧面贯通型气体基线聚焦空气耦合传感器，其特征在于：空气隙(10)为扇形结构；其中相邻压电柱(9)轴线之间的夹角为扇形结构的空气隙宽度为d＝0.2mm～0.8mm，和e＝0.5mm～2.5mm；每个压电柱(9)周围的支架宽度均为c＝0.1mm～0.3mm；压电复合材料的上电极(2)、下电极(3)的厚度均为50nm～500nm，阻抗匹配层(4)的厚度为3mm～8mm；背衬层(5)上表面为平面，下表面为与上电极(2)的上表面重合的圆柱面，背衬层(5)上表面中心位置到上电极(2)的上表面中心位置厚度为10mm～30mm。
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