CN106940346A - 全指向性激励与接收水平剪切波的压电换能器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全指向性激励与接收水平剪切波的压电换能器及制备方法。本发明采用一块压电陶瓷圆环沿厚度方向极化，平均分成2n个扇形体后在侧面制备电极，重新构成圆环，相邻的换能器子单元的极化方向相反，形成沿厚度极化方向交替反向并且周向施加电场的全指向性激励与接收SH0波的压电换能器；本发明的各个换能器子单元取自于同一个压电陶瓷圆，极化程度、机电耦合系数等的材料参数的差异可以忽略不计，确保了换能器沿各个方向的均一性；沿厚度极化的工艺也远比周向极化简单；与EMAT和MPT相比，本发明的压电换能器能量转换率高，信号强，抗干扰能力强；本发明具有很强的实用价值，更适用于平板检测超声导波检测。
Description
技术领域
本发明涉及智能材料领域，具体涉及一种全指向性激励与接收水平剪切波的压电换能器及制备方法。
背景技术
大型板壳结构常见于压力容器、化工原料储藏仓等结构中。由于腐蚀、疲劳损伤等原因，这类结构的意外事故常有发生，造成重大经济损失和人员伤亡。因此，巨型板壳结构安全性的检测与评价具有重要意义。无损检测与结构健康监测技术可以对板壳结构的完整性和剩余寿命进行评估，实现及时维护，进而避免了重大安全事故的发生。与其他无损检测技术相比，超声导波以其检测距离长、检测效率高和检测成本低等优势受到了越来越多的关注。在实际运用中，超声导波相控阵系统因为能实现波聚焦而被认为是最为有效的超声检测方法。以全指向性激励与接收的换能器作为基本单元，相控阵系统可以实现将波束能量集中在换能器的任何方向，进而形成一种360度无盲区线扫描检测系统。不同于复杂的传感器网络，这类相控阵系统只需要很少的换能器，就可以实现全区域覆盖，极大地降低了建造成本和信号处理的难度，从而使得超声导波在板壳结构中检测成为可能。
为了形成有效的相控阵系统，组成该系统的基本换能器单元必须可以全指向性激励和接收导波。国内外许多课题组先后开展了许多的研究工作，多种全指向性激励与接收Lamb波的换能器也被相继提出。英国帝国理工大学Cawley课题组基于洛伦兹力设计了一种电全指向性电磁换能器(Wilcox P D,et al.The excitation and detection of lambwaves with planar coil electromagnetic acoustic transducers.IEEETrans.Ultrason.Ferroelectr.Freq.Control,52(12),2005)；韩国首尔大学Yoon YoungKim课题组基于磁致伸缩效应设计了全指向性磁致伸缩换能器(J.K.Lee,etal.Omnidirectional Lamb waves byaxisymmetrically-configured magnetostrictivepatch transducer.IEEE Trans.Ultrason.Ferroelectr.Freq.Control,60(9),2013)；美国宾州州立大学Rose课题组基于压电伸缩振动模式设计了全指向性压电换能器(Koduru.JP,et al.Transducer arrays for omnidirectional guided wave mode control inplate like structures.Smart Mater.Struct,22(1),2012)。上述的换能器虽然能全指向性激励与接收超声导波，但都集中在Lamb波。对于Lamb波而言，无论是对称的S0波或反对称的A0波，均是频散的，这种频散特性使得波形随着传播距离或传播时间的增加发生扭曲；Lamb波振动特性决定了它的离面位移与面内位移无法解耦，这使得实际中很难激励出单模态的Lamb波，而多模态的Lamb波与缺陷相互作用后会发生明显的波型转换。这些问题都给后续的信号处理带来了极大的困难，严重制约了Lamb波超声相控阵系统走向实际使用。与Lamb波相比，基频水平剪切波(SH0)是完全非频散的，它的波形不会随着传播距离或传播时间的増长波形发生扭曲；它只有一个面内位移分量，当它与缺陷相互作用后，波型转换极少。这些特性都使得SH0波在后续的信号处理更方便，显示出更强的实用价值。此外，SH0波与Lamb波相比，能量衰减小，也无法在流体中传播，相同条件下可检测的范围更大。因此，设计制备全指向性激励与接收水平剪切(SH)波换能器能极大地推动超声导波在板壳结构检测中的。
为了进一步推动超声导波在板壳结构检测中的发展，近几年一些学者提出了几种全指向性激励与接收SH波的换能器。韩国首尔大学Yoon Young Kim课题组基于磁致伸缩原理(Seung H M,et al.Development of an omni-directional shear-horizontal wavemagnetostrictive patch transducer for plates.Ultrasonics,53(7),2013)和洛伦兹力(Seung H M,et al.An omnidirectional shear-horizontal guided wave EMAT for ametallic plate.Ultrasonics,69,2016)，设计了全指向性激励与接收的SH波的磁致伸缩换能器(MPT)和电磁换能器(EMAT)。MPT需要通过交变电流产生动态磁场实现材料的磁致伸缩边形，EMAT则需要通过交变电流在金属板中感应出涡流，这两种方式都极大地降低了能量转换效率，导致换能器激励出的信号微弱；此外，MPT与EMAT抗干扰能力较弱，在实际使用中信号易受环境影响，给信号的后续处理带来困难。与MPT和EMAT相比，压电换能器尺寸更为紧凑，机电耦合系数更高，抗干扰能力更强，因此全指向性激励与接收SH波的压电换能器显得更适用于板壳结构的检测。美国宾州州立大学Rose课题组设计了一种由两个完全相等的压电半圆柱构成的全指向压电换能器(U.S.Patent Application No.14/878,595)。这种换能器要求压电半圆柱沿周向均匀极化，但这种极化方式在实际制备中很难实现。加拿大高等技术学院Belanger课题组和北京大学李法新课题组分别采用厚度剪切d15模式(Belanger P,et al.Development of a low frequency omnidirectionalpiezoelectric shear horizontal wave transducer.Smart Mater.Struct,25(4),2016)和面剪切d24模式(Miao H,et al.A new omnidirectional shear horizontal wavetransducer using face-shear(d24)piezoelectric ring array.Ultrasonics,74,2017)，通过将方形压电陶瓷片切割成梯形状后组成一个近周向极化的换能器阵列，实现了SH波的全指向性激励与接收。但这种设计要求换能器阵列的每个单元形状、性能均相近，才能保证激励与接收的SH波时沿各个方向有良好的均一性，这在实际制备中很难保证。
发明内容
为了解决现有的压电换能器周向极化困难、全指向性能不均一等问题，本发明提出了一种全指向性激励与接收水平剪切波的压电换能器及制备方法，克服了MPT与EMAT能量转化率低、信号弱、抗干扰能力差等弊端，并且在宽频带范围内均可以工作，十分适用于超声导波相控阵系统，有望进一步推动超声导波在板壳检测中的使用。
本发明的一个目的在于提出一种全指向性激励与接收水平剪切波的压电换能器。
本发明的全指向性激励与接收水平剪切波的压电换能器包括：2n个换能器子单元；其中，一块压电陶瓷圆环，沿厚度方向极化；极化后的压电陶瓷圆环沿直径方向平均分成2n个扇形体；每一个扇形体的两个矩形侧面为电极面，在每一个电极面上制备电极，从而形成换能器子单元；形状为扇形体的换能器子单元拼接在一起重新构成圆环，相邻的换能器子单元的极化方向相反，即沿厚度方向极化方向交替反向；相邻的两个电极面上的电极粘接在一起并导通，两个粘接在一起的相邻的电极面形成一个共用电极面，电势相等，共形成2n个共用电极面，两个粘接在一起的相邻的电极形成共用电极，共形成2n个共用电极；共用电极面每间隔一个为等电势，即在实际使用时只存在两个电势，每个电势包含n个公共电极面；以一个共用电极为基准，每间隔一个公共电极作为正电极，n个正电极分别通过导线连接至激励源的正极，其余n个相互间隔的公共电极作为负电极，分别通过导线连接至激励源的负极；从而得到沿厚度方向极化方向交替反向并且周向施加电场的压电换能器；n为≥2的自然数。
相邻的电极采用具有导电性能的胶黏剂粘接在一起。
本发明的压电换能器作为制动器，激励超声导波，或者作为传感器，接收超声导波；作为制动器，只激励水平偏剪切波SH0波；作为传感器，只接收SH0波。
本发明的另一个目的在于提供一种全指向性激励与接收水平剪切波的压电换能器的制备方法。
本发明的全指向性激励与接收水平剪切波的压电换能器的制备方法，包括以下步骤：
1)将一块压电陶瓷圆环沿厚度方向极化；
2)将极化后的压电陶瓷圆环沿直径方向平均分成2n个扇形体，n为≥2的自然数；
3)将每一个扇形体的两个矩形侧面作为电极面，在每一个电极面上制备电极，从而形成换能器子单元；
4)将形状为扇形体的换能器子单元拼接在一起重新构成圆环，并且相邻的换能器子单元的极化方向相反，即沿厚度方向极化方向交替反向；
5)相邻的两个电极面上的电极粘接在一起并导通，两个粘接在一起的相邻的电极面形成一个共用电极面，电势相等，共形成2n个共用电极面，两个粘接在一起的相邻的电极形成共用电极，共形成2n个共用电极；共用电极面每间隔一个为等电势，即在实际使用时只存在两个电势，每个电势包含n个公共电极面；
6)以一个共用电极为基准，每间隔一个公共电极作为正电极，将n个正电极分别通过导线连接至激励源的正极，将其余n个相互间隔的公共电极作为负电极，分别通过导线连接至激励源的负极，从而得到沿厚度方向极化方向交替反向并且周向施加电场的压电换能器。
其中，在步骤1)中，在压电陶瓷圆环沿厚度方向的上下表面分别形成极化电极，将压电陶瓷圆环沿厚度方向极化后，将极化电极磨去。
在步骤3)中，在每一个电极面上制备电极采用烧制或喷涂的方式。
在步骤4)中，按照原序列将形状为扇形体的换能器子单元拼接重新构成圆环，效果最佳。
在步骤5)中，相邻的电极采用具有导电性能的胶黏剂粘接在一起，如导电环氧。
本发明的优点：
本发明采用一块压电陶瓷圆环沿厚度方向极化，平均分成2n个扇形体后在侧面制备电极，重新构成圆环，相邻的换能器子单元的极化方向相反，形成沿厚度极化方向交替反向并且周向施加电场的全指向性激励与接收SH0波的压电换能器；本发明的各个换能器子单元取自于同一个压电陶瓷圆，极化程度、机电耦合系数等的材料参数的差异可以忽略不计，确保了换能器沿各个方向的均一性；沿厚度极化的工艺也远比周向极化简单；与EMAT和MPT相比，本发明的压电换能器能量转换率高，信号强，抗干扰能力强；本发明具有很强的实用价值，更适用于平板检测超声导波检测。
附图说明
图1(a)～(d)为本发明的全指向性激励与接收水平剪切波的压电换能器的一个实施例的制备方法的流程图；
图2为本发明的全指向性激励与接收水平剪切波的压电换能器的一个实施例激励SH0波的波形图，其中，(a)为激励信号中心频率为130khz，(b)为激励信号中心频率为210kh；
图3为本发明的全指向性激励与接收水平剪切波的压电换能器的一个实施例接收SH0波的波形图，(a)为激励信号中心频率为130khz，(b)为激励信号中心频率为210kh；
图4为本发明的全指向性激励与接收水平剪切波的压电换能器的一个实施例信号强度与角度之间的关系图，其中，(a)为激励SH0波的示意图，(b)为接收SH0波的示意图。
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。
如图1所示，本实施例的全指向性激励与接收水平剪切波的压电换能器的制备方法，包括以下步骤：
1)将一块压电陶瓷圆环，外径为a、内径为b和厚度为c，沿厚度方向的上下表面分别形成极化电极，沿厚度c方向极化，极化后将极化电极磨去，如图1(a)所示；
2)将极化后的压电陶瓷圆环沿直径方向平均分成12个扇形体，本实施例中n＝6；
3)将每一个扇形体的两个侧面，即尺寸为(a-b)×c的矩形侧面d，作为电极面，在每一个电极面上烧制电极，从而形成换能器子单元，e为极化方向，如图1(b)所示；
4)将形状为扇形体的换能器子单元按照原序列重新构成圆环，相邻的换能器子单元的极化方向相反，即沿厚度方向极化方向交替反向，如图1(c)所示；
5)相邻的两个电极面上的电极通过导电环氧粘接在一起并导通，两个相邻的电极面形成一个共用电极面，两个相邻的电极形成共用电极，电势相等，形成12个共用电极面，12个公共电极；电极面每间隔一个为等电势，即在实际使用时只存在两个电势，每个电势包含6个公共电极面；
6)以共用电极f为基准，每间隔一个公共电极作为正电极，将6个正电极分别通过导线连接至激励源的正极，将以另一个共用电极g为基准，每间隔一个公共电极作为负电极，将6个负电极分别通过导线连接至激励源的负极，从而得到沿厚度方向极化方向交替反向并且周向施加电场的压电换能器，如图1(d)所示。
为了进一步验证制备的压电换能器能够全指向性激励与接收SH0波，将上述制备得到的压电换能器在1000×1000×2mm的铝板上进行实验。本实施例的压电换能器作为制动器时，激励信号为五周期正弦汉宁窗，激励电压为20V，采用d36型PMN-PT单晶接收，其结果如图2所示。图2(a)激励信号中心频率为130khz，图2(b)激励信号中心频率为210kh，结果表明制备的换能器能激励出单模态的SH0波。本实施例的压电换能器作为接收器时，采用d36型PMN-PT单晶激励，激励信号同样为五周期正弦汉宁窗，激励电压为20V，结果如图3所示。图3(a)激励信号中心频率为130khz，图3(b)激励信号中心频率为210kh，结果表明本发明的压电换能器可以滤掉其他波而只接收SH0波。图4为制备的换能器沿各个方向激励与接收SH0波信号均一性的结果，考虑到换能器结构的旋转对称性，给出了90度范围的结果，结果表明无论在激励(图4(a))或是接收SH0波(图4(b))，本发明的压电换能器沿各个方向均具有良好的均一性。
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 (8)
1.一种全指向性激励与接收水平剪切波的压电换能器，其特征在于，所述压电换能器包括：
2n个换能器子单元；其中，一块压电陶瓷圆环，沿厚度方向极化；极化后的压电陶瓷圆环沿直径方向平均分成2n个扇形体；每一个扇形体的两个矩形侧面为电极面，在每一个电极面上制备电极，从而形成换能器子单元；形状为扇形体的换能器子单元拼接在一起重新构成圆环，相邻的换能器子单元的极化方向相反，即沿厚度方向极化方向交替反向；相邻的两个电极面上的电极粘接在一起并导通，两个粘接在一起的相邻的电极面形成一个共用电极面，电势相等，共形成2n个共用电极面，两个粘接在一起的相邻的电极形成共用电极，共形成2n个共用电极；所述共用电极面每间隔一个为等电势，即在实际使用时只存在两个电势，每个电势包含n个公共电极面；以一个共用电极为基准，每间隔一个公共电极作为正电极，n个正电极分别通过导线连接至激励源的正极，其余n个相互间隔的公共电极作为负电极，分别通过导线连接至激励源的负极；从而得到沿厚度方向极化方向交替反向并且周向施加电场的压电换能器；n为≥2的自然数。
2.如权利要求1所述的压电换能器，其特征在于，相邻的电极采用具有导电性能的胶黏剂粘接在一起。
3.如权利要求1所述的压电换能器，其特征在于，所述压电换能器作为制动器，激励超声导波，或者作为传感器，接收超声导波；作为制动器，只激励SH0波；作为传感器，只接收SH0波。
4.一种全指向性激励与接收水平剪切波的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)将一块压电陶瓷圆环沿厚度方向极化；
2)将极化后的压电陶瓷圆环沿直径方向平均分成2n个扇形体，n为≥2的自然数；
3)将每一个扇形体的两个矩形侧面作为电极面，在每一个电极面上制备电极，从而形成换能器子单元；
4)将形状为扇形体的换能器子单元拼接在一起重新构成圆环，并且相邻的换能器子单元的极化方向相反，即沿厚度方向极化方向交替反向；
5)相邻的两个电极面上的电极粘接在一起并导通，两个粘接在一起的相邻的电极面形成一个共用电极面，电势相等，共形成2n个共用电极面，两个粘接在一起的相邻的电极形成共用电极，共形成2n个共用电极；共用电极面每间隔一个为等电势，即在实际使用时只存在两个电势，每个电势包含n个公共电极面；
6)以一个共用电极为基准，每间隔一个公共电极作为正电极，将n个正电极分别通过导线连接至激励源的正极，将其余n个相互间隔的公共电极作为负电极，分别通过导线连接至激励源的负极，从而得到沿厚度方向极化方向交替反向并且周向施加电场的压电换能器。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤1)中，在压电陶瓷圆环沿厚度方向的上下表面分别形成极化电极，将压电陶瓷圆环沿厚度方向极化后，将极化电极磨去。
6.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤3)中，在每一个电极面上制备电极采用烧制或喷涂的方式。
7.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤4)中，按照原序列将形状为扇形体的换能器子单元拼接重新构成圆环。
8.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤5)中，相邻的电极采用具有导电性能的胶黏剂粘接在一起。
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