CN106198758A - 一种单弧面非贯通型气体基线聚焦空气耦合传感器 - Google Patents
一种单弧面非贯通型气体基线聚焦空气耦合传感器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN106198758A CN106198758A CN201610503210.1A CN201610503210A CN106198758A CN 106198758 A CN106198758 A CN 106198758A CN 201610503210 A CN201610503210 A CN 201610503210A CN 106198758 A CN106198758 A CN 106198758A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- cambered surface
- type gas
- penetrating type
- air
- surface non
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 title claims abstract description 36
- 230000008878 coupling Effects 0.000 title claims abstract description 19
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 title claims abstract description 19
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 title claims abstract description 19
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 26
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 13
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 13
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 claims description 11
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 claims description 10
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 claims description 10
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 8
- 239000008358 core component Substances 0.000 claims description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 2
- 230000003252 repetitive effect Effects 0.000 claims description 2
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims 1
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 abstract description 7
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 abstract description 5
- 230000005284 excitation Effects 0.000 abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 abstract description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 9
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 239000010426 asphalt Substances 0.000 description 1
- 239000000306 component Substances 0.000 description 1
- 239000004567 concrete Substances 0.000 description 1
- 230000001808 coupling effect Effects 0.000 description 1
- 238000010030 laminating Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
- G01N29/24—Probes
- G01N29/2437—Piezoelectric probes
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/34—Generating the ultrasonic, sonic or infrasonic waves, e.g. electronic circuits specially adapted therefor
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
本发明涉及一种单弧面非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。本发明采用单弧面非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、阻抗匹配层、背衬层、阻抗匹配电路、金属外壳、BNC接头等组合成单弧面非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
技术领域
本发明涉及一种用于空气耦合式超声检测的单弧面非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，设计制作非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。而以具有单弧面结构的非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单弧面非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：单弧面非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，单弧面非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单弧面非贯通型气体基压电复合材料1，单弧面非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用于封装单弧面非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。
单弧面非贯通型气体基压电复合材料1为本传感器的核心部件，该核心部件由压电柱9和环氧树脂支架11组成，压电柱9在环氧树脂支架11内等间距布置，各压电柱9之间以及各压电柱9与环氧树脂支架11之间填充有非贯通的空气隙10。
压电柱9的几何结构是横截面为正方形的长方体，如图4所示，其横截面边长为a＝0.5mm～2.5mm，高度为h＝5mm～25mm。
如图3、图6所示，环氧树脂支架11是含有非贯通型空气隙10的结构，空气隙10的两端设有厚度均匀的环氧树脂层，该环氧树脂层厚度为r＝0.5mm～1mm；如图2所示，单弧面非贯通型气体基压电复合材料1底部中间设有圆柱面，单弧面非贯通型气体基压电复合材料1整体横截面边长为s＝10mm～40mm，边缘高度f＝5mm～25mm，圆柱面半径为R＝2mm～30mm，张角为θ＝20°～100°，圆柱面长度s＝10mm～40mm。
压电柱9在环氧树脂支架11内等间距对称布置，结构如图3、图5所示，斜线填充部分为压电柱9，未填充部分为非贯通的空气隙10，空气隙10由正方形结构和长方形结构组成，长方形结构的空气隙10设置在各压电柱9平面之间，正方形结构的空气隙10设置在各压电柱9对角之间；长方形结构的空气隙的长度等于压电柱9的截面边长a，宽度为b＝0.2mm～0.8mm，正方形结构的空气隙的边长等于b；每个重复单元中的支架宽度为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的厚度为10mm～30mm。
本发明以一种单弧面非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单弧面非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压电柱结构示意图；
图5压电复合材料周期性结构图；
图6压电复合材料局部剖视正视图。
具体实施方式
下面结合附图1-6，以张角θ＝90°，聚焦半径R＝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的整体横截面边长为s＝32.5mm，边缘高度f＝15mm，圆柱面长度s＝32.5mm，长方形空气隙横截面尺寸a×b：1.5mm×0.5mm，正方形空气隙横截面尺寸b×b：0.5mm×0.5mm，空气隙10两端的环氧树脂层厚度为r＝0.5mm，支架宽度c＝0.2mm。
如图1所示，该传感器包括单弧面非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。其中的核心部件单弧面非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平面端(上表面)平齐，另一端与支架的圆柱面端(下表面)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，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 (4)
1.一种单弧面非贯通型气体基线聚焦空气耦合传感器，其特征在于：该传感器包括单弧面非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单弧面非贯通型气体基压电复合材料(1)，单弧面非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)用于封装单弧面非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；
单弧面非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)内等间距布置，各压电柱(9)之间以及各压电柱(9)与环氧树脂支架(11)之间填充有非贯通的空气隙(10)。
2.根据权利要求1所述的一种单弧面非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。
3.根据权利要求1所述的一种单弧面非贯通型气体基线聚焦空气耦合传感器，其特征在于：环氧树脂支架(11)是含有非贯通型空气隙(10)的结构，空气隙(10)的两端设有厚度均匀的环氧树脂层，该环氧树脂层厚度为r＝0.5mm～1mm；单弧面非贯通型气体基压电复合材料(1)底部中间设有圆柱面，单弧面非贯通型气体基压电复合材料(1)整体横截面边长为s＝10mm～40mm，边缘高度f＝5mm～25mm，圆柱面半径为R＝2mm～30mm，张角为θ＝20°～100°，圆柱面长度s＝10mm～40mm。
4.根据权利要求1所述的一种单弧面非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)在环氧树脂支架(11)内等间距对称布置，斜线填充部分为压电柱(9)，未填充部分为非贯通的空气隙(10)，空气隙(10)由正方形结构和长方形结构组成，长方形结构的空气隙(10)设置在各压电柱(9)平面之间，正方形结构的空气隙(10)设置在各压电柱(9)对角之间；长方形结构的空气隙的长度等于压电柱(9)的截面边长a，宽度为b＝0.2mm～0.8mm，正方形结构的空气隙的边长等于b；每个重复单元中的支架宽度为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)的厚度为10mm～30mm。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610503210.1A CN106198758B (zh) | 2016-06-29 | 2016-06-29 | 一种单弧面非贯通型气体基线聚焦空气耦合传感器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610503210.1A CN106198758B (zh) | 2016-06-29 | 2016-06-29 | 一种单弧面非贯通型气体基线聚焦空气耦合传感器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN106198758A true CN106198758A (zh) | 2016-12-07 |
| CN106198758B CN106198758B (zh) | 2018-11-13 |
Family
ID=57463053
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201610503210.1A Active CN106198758B (zh) | 2016-06-29 | 2016-06-29 | 一种单弧面非贯通型气体基线聚焦空气耦合传感器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN106198758B (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2021189208A1 (zh) * | 2020-03-23 | 2021-09-30 | 深圳市汇顶科技股份有限公司 | 超声换能器、超声波扫描系统及加工方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5856198A (en) * | 1994-12-28 | 1999-01-05 | Extraction Systems, Inc. | Performance monitoring of gas-phase air filters |
| CN2781367Y (zh) * | 2005-03-07 | 2006-05-17 | 北京工业大学 | 一种线聚焦pvdf压电薄膜超声探头 |
| JP2008241542A (ja) * | 2007-03-28 | 2008-10-09 | Toppan Printing Co Ltd | 球面弾性表面波センサ |
| CN104090032A (zh) * | 2014-07-10 | 2014-10-08 | 北京工业大学 | 基于气体基1-3型压电复合材料的空耦传感器 |
| CN105572224A (zh) * | 2015-12-21 | 2016-05-11 | 广东省自动化研究所 | 一种基于小波分析与相关算法的空气耦合超声成像方法 |
-
2016
- 2016-06-29 CN CN201610503210.1A patent/CN106198758B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5856198A (en) * | 1994-12-28 | 1999-01-05 | Extraction Systems, Inc. | Performance monitoring of gas-phase air filters |
| CN2781367Y (zh) * | 2005-03-07 | 2006-05-17 | 北京工业大学 | 一种线聚焦pvdf压电薄膜超声探头 |
| JP2008241542A (ja) * | 2007-03-28 | 2008-10-09 | Toppan Printing Co Ltd | 球面弾性表面波センサ |
| CN104090032A (zh) * | 2014-07-10 | 2014-10-08 | 北京工业大学 | 基于气体基1-3型压电复合材料的空耦传感器 |
| CN105572224A (zh) * | 2015-12-21 | 2016-05-11 | 广东省自动化研究所 | 一种基于小波分析与相关算法的空气耦合超声成像方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 常俊杰等: "非接触空气耦合超声检测原理及应用研究", 《无损探伤》 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2021189208A1 (zh) * | 2020-03-23 | 2021-09-30 | 深圳市汇顶科技股份有限公司 | 超声换能器、超声波扫描系统及加工方法 |
| CN113710379A (zh) * | 2020-03-23 | 2021-11-26 | 深圳市汇顶科技股份有限公司 | 超声换能器、超声波扫描系统及加工方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN106198758B (zh) | 2018-11-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN201034982Y (zh) | 一种双层pvdf压电薄膜线聚焦超声探头 | |
| CN2781367Y (zh) | 一种线聚焦pvdf压电薄膜超声探头 | |
| US10596598B2 (en) | Ultrasound transducer and method for wafer level front face attachment | |
| CN105127082A (zh) | 超声换能器及其制作方法 | |
| CN109444262B (zh) | 一种基于倾斜静磁场的斜入射式电磁声传感器 | |
| CN108960218A (zh) | 一种超声波指纹传感器及指纹识别模组 | |
| CN103111410A (zh) | 新型超声波传感器 | |
| CN104090032A (zh) | 基于气体基1-3型压电复合材料的空耦传感器 | |
| CN103594076A (zh) | 压电片结构 | |
| CN104833726A (zh) | 压电式超声波探头装置 | |
| CN106198758B (zh) | 一种单弧面非贯通型气体基线聚焦空气耦合传感器 | |
| CN102706967B (zh) | 一种用于各向异性材料表面波波速测量的线聚焦超声探头 | |
| CN106198756B (zh) | 一种同轴双弧面贯通型气体基线聚焦空气耦合传感器 | |
| CN106198757B (zh) | 一种双弧面贯通型气体基线聚焦空气耦合传感器 | |
| CN106140594B (zh) | 一种双弧面非贯通型气体基线聚焦空气耦合传感器 | |
| CN219981445U (zh) | 一种多频超声波传感器 | |
| CN105944947B (zh) | 一种同轴双弧面非贯通型气体基线聚焦空气耦合传感器 | |
| CN102706436B (zh) | 一种用于表面波波速检测的点聚焦超声换能器 | |
| CN205920095U (zh) | 一种高分辨率tofd检测超声波探头 | |
| CN105929023B (zh) | 一种单弧面贯通型气体基线聚焦空气耦合传感器 | |
| CN113720390B (zh) | 压电式超声-振动加速度复合传感器及测量装置 | |
| CN202614728U (zh) | 一种用于非接触式检测的新型空气超声探头 | |
| CN1818573A (zh) | 反射探针型聚焦声场测量用换能器 | |
| CN108593780A (zh) | 一种用于波形钢腹板类t形焊缝检测的软膜超声相控阵探头 | |
| CN208922280U (zh) | 一种超声波指纹传感器及指纹识别模组 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20210624 Address after: 215000 building 4, No.10, Tonghe Road, Suzhou Industrial Park, Suzhou City, Jiangsu Province Patentee after: SUZHOU GRANDA ELECTRONIC TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: 100124 No. 100 Chaoyang District Ping Tian Park, Beijing Patentee before: Beijing University of Technology |
|
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: A Single Arc Non Through Gas Baseline Focused Air Coupled Sensor Granted publication date: 20181113 Pledgee: Bank of China Limited Suzhou Xiangcheng sub branch Pledgor: SUZHOU GRANDA ELECTRONIC TECHNOLOGY CO.,LTD. Registration number: Y2024980013308 |