CN108262240A - 一种圆台形状的pvdf超声波发射器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种圆台形状的PVDF超声波发射器，属于超声波发射器领域。由两部分结构特征相同的部分圆环形状的PVDF压电薄膜1围成圆台形状，可通过改变圆台高度、顶面半径和底面半径等参数，实现传感器的谐振频率和超声波发射角度的调整。本发明具有带宽宽、水平波束角360°、垂直波束角度不小于160°等优点。适用于三维超声定位、超声波测距、机器人避障、手写输入、液位测量等领域。
Description
技术领域
本发明涉及超声波发射器领域，尤其涉及一种利用PVDF压电薄膜制作的应用于空气中的超声波发射器。
背景技术
材料科学的发展实现了低成本地生产和制作传感器。聚偏氟乙烯(PVDF)是一种电活性聚合物，在室温下具有压电特性，用于感知温度、压力、速度和加速度等。它是一种具有独特性能的铁电聚合物，广泛适用于医学和生物成像领域。同时PVDF与空气具有良好的声阻抗匹配，适合用于在空气中产生超声波。
PVDF超声波发射器是一种利用PVDF压电薄膜在交变电流驱动下的振动进行声辐射的器件，其常见结构由PVDF压电薄膜及施加边界条件和制成的外部结构组成。PVDF超声波发射器的基本工作原理为：当交变电信号施加到PVDF压电薄膜上时，薄膜由于逆压电效应发生形变，并产生振动位移，从而向周围的介质中辐射声能量。
美国专利“Omni-directional ultrasonic transducer apparatus and stakingmethod”(申请号US6400065B1)公开了一种圆柱形状的传感器设备，在声波接收器的周围设置外壳，外壳的材料能抵抗声波的传播，外壳上设有与表面电极部分重合的孔径，PVDF压电薄膜上产生的声波通过孔径辐射，通过孔径的不同设计来改变接收波束的角度。该装置利用添加外壳的方式改变声波辐射的角度，增加了设备的复杂度，外壳会导致声波损耗。同时，该装置可以提供360度的水平波束角度，但是垂直方向波束角度较小。
文献“Cylindrical PVDF Film Transmitters and Receivers for AirUltrasound”的作者为Minoru Toda，出于期刊《IEEE transactions on ultrasonics,ferroelectrics,and frequency control》，2002年49卷5期626-34页。该文献的内容是关于圆柱形的PVDF超声波传感器性能的研究，其中对圆柱形的PVDF超声波传感器的垂直方向波束角度进行了测量，-3dB和-6dB的测量结果分别为±17°和±36°。由此可见，圆柱形的PVDF超声波传感器的一个缺点就在于垂直方向波束角度较小。
发明内容
本发明提供一种圆台形状的PVDF超声波发射器，目的是扩大超声波发射器三维发射波束角，降低超声波发射器设备的复杂性，降低成本，增加垂直方向的波束角度，发射声波角度可调节。
本发明采取的技术方案是：由两部分结构特征相同的部分圆环形状的PVDF压电薄膜围成圆台形状。
本发明在组成的两部分圆环形状的PVDF压电薄膜中，外圆弧所对的弦的长度大于内圆弧切线的长度，即满足cos(α/2)>l/L，其中α为扇形角的弧度值、l为内圆弧的半径、L为外圆弧的半径。
本发明所述压电薄膜的表面电极采用镀铝或镀银，电极通过薄膜底端由导线引出。
本发明超声波的发射方向边缘与圆台顶面的夹角δ与圆台的底角θ的关系为：δ＝50°+θ，其中θ＝acos(α/π)，α为扇形角的弧度值。
本发明的优点在于：采用PVDF压电薄膜，使用两部分结构特性相同的部分圆环形状薄膜，将两部分薄膜沿着半径方向的边缘连接，接缝处采用超声波焊接，形成圆台形状的PVDF超声波发射器，电极从发射器底端引出。由于PVDF薄膜只有在分子方向具有较强的压电特性，所以在设计的超声波发射器中，为了提高接缝处的超声波发射的强度，要使薄膜包含分子方向的薄膜面积尽量大。在设计的超声波发射器的部分圆环形薄膜结构中，令外圆弧所对应的弦的长度大于内圆弧切线的长度，提高接缝处超声波发射的强度。
PVDF压电薄膜加载交变电压时，在PVDF压电薄膜表面的垂直方向产生压电振动，发射超声波，垂直波束角度约为80°。在设计的圆台形超声波发射器中，其侧面形成了一个具有一定角度的斜面。圆台的斜面使超声波的发射角度发生改变。所以在发射超声波时，可以根据实际需求改变圆台形状的尺寸和斜面的角度，从而调节超声波的发射角度。本发明所述圆台形状PVDF超声波发射器在垂直方向超声波的覆盖角度不小于160°。
本发明圆台形状PVDF超声波发射器可以提供360度全向水平波束指向性。
本发明圆台形状的PVDF超声波发射器可以通过选取不同的顶面半径、底面半径和圆台高度等参数，调整发射器的频率范围和超声波发射角度，从而在性能和形状上符合实际需求。而且圆台形状的传感器可以提供较宽的频带宽度，且表面积比较大，与空气的耦合性很好，波阻抗较低，适用于空中三维超声定位、测距、机器人避障等应用领域。
本发明圆台形PVDF超声波发射器发射超声波带宽宽，水平波束角360°，垂直波束角大，垂直方向发射能量大。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的展开图；
图3是本发明PVDF压电薄膜的三层薄膜结构示意图；
图4是本发明连接交流电压的状态图；
图5是本发明超声波发射方向示意图；
图6是本发明水平波束指向性图。
具体实施方式
由两部分结构特征相同的部分圆环形状的PVDF压电薄膜1围成圆台形状；具体可将两片相同的部分圆环形状的PVDF压电薄膜沿半径边缘焊接构成；
本发明在组成的两部分圆环形状的PVDF压电薄膜中，外圆弧所对的弦的长度大于内圆弧切线的长度，即满足cos(α/2)>l/L，其中α为扇形角的弧度值、l为内圆弧的半径、L为外圆弧的半径。
本发明所述压电薄膜的表面电极采用镀铝或镀银，电极通过薄膜底端由导线引出。
本发明超声波的发射方向边缘与圆台顶面的夹角δ与圆台的底角θ的关系为：δ＝50°+θ，其中θ＝acos(α/π)，α为扇形角的弧度值。所述的圆台形状的PVDF超声波发射器中，圆台底角θ＝40°，超声波的发射方向与圆台顶面所形成的角度δ＝90°，发射的超声波在垂直方向的覆盖角度为160°。
下面结合附图，来进一步说明本发明。
如图3所示，PVDF压电薄膜1为三层薄膜结构，其中上层为电极106,中间层为PVDF107，下层为电极108，图2为圆台形超声波发射器展开图，超声波发射器的展开包括两部分结构性特性相同的部分圆环形状的PVDF压电薄膜，上下层电极可以采用镀铝、镀银，厚度小于40μm。在此结构中，外圆弧101的半径为L，内圆弧104的半径为l，扇形角105的弧度值为α。圆台形状PVDF超声波发射器由两个部分圆环压电薄膜1围成，两个薄膜的接缝位置在BD和EG处、AC和FH处，PVDF材料的一个特点就是在表面电极上施加交变电压时，会形成垂直于薄膜表面的电场，使PVDF薄膜在分子方向产生长度位移,在垂直薄膜方向产生振动从而发射超声波。图2中最大分子方向长度102分别为两部分薄膜外圆弧对应的弦AB和弦EF，因为PVDF薄膜只有在分子方向具有较强的压电特性，为了提高接缝处超声波发射的强度，要使包含分子方向的薄膜面积尽量大，所以在所述超声波发射器结构中，令最大分子方向长度102即外圆弧对应的弦AB的长度大于内圆弧的切线长度MN 103，则存在以下关系：
AB＝2L*sin(α/2) (1)
MN＝2l*tan(α/2) (2)
要使AB>MN，则：
cos(α/2)>l/L (3)
如图1为圆台形PVDF超声波发射器，图2中的两部分结构特性相同的部分圆环形状的PVDF压电薄膜沿半径方向用超声波焊接的方法连接，接缝处109在图2中的BD和EG处、AC和FH处，从而形成圆台形超声波发射器1，圆台结构的顶面半径为r，底面半径为R，高度为H，圆台结构的顶面半径为r和底面半径为R存在以下关系：
πR＝Lα (4)
πr＝lα (5)
其中，L为外圆弧101的半径，l为内圆弧104的半径，α为扇形角105的弧度值，在圆台形超声波发射器中，最大分子方向长度102如图3所示，其长度大于内圆弧的切线长度103。
如图4所示为交流电压2作用到本发明，其中电极引线3在薄膜底端引出，位置没有具体要求。当一个交变电压作用到两个表面电极上时，薄膜在分子方向的长度膨胀或收缩。换句话说，因为分子链平行排列，PVDF薄膜在此过程中被拉伸，作用交变电压产生的激励在线性方向。由于超声波发射器为两个部分圆环形状的PVDF压电薄膜，使得拉伸方向的轴缠绕形成圆台形状，当一个交变电压作用到]圆台形状压电薄膜的表面电极上时，分子方向的长度变化转化为半径方向的振动，也就是说，交变电压作用到圆台形状的PVDF压电薄膜上，产生径向振动，从而发射超声波。
如图5所示为超声波发射方向侧面示意图。在圆台结构中θ为圆台的底角，PVDF压电薄膜在发射超声波时，振动方向沿薄膜分子方向，由于分子方向围成圆周，分子方向的变化转换为半径方向变化，产生的超声波垂直于薄膜表面发射，并有一定范围的覆盖角度，即垂直波束角为2γ(用角度符号γ表示)，在图4中γ＝40°。从图4中可以看出，虽然A区域没有被发射的超声波直接覆盖，但是在A区域可以检测到超声波。超声波的发射方向边缘与圆台顶面所形成的角度δ与圆台结构有关，其中：
δ＝50°+θ (6)
θ＝acos(α/π) (7)
α为图2中的扇形角105的弧度值，所以当圆台形压电薄膜的底角θ增大时，超声波发射角度δ增大，当圆台形压电薄膜的底角θ减小时，超声波发射角度δ减小。根据计算公式(6)和(7)，可以通过调节圆台结构的参数，改变圆台结构的底角，改变超声波发射器的超声波的发射角度角度，从而符合应用需要。
在圆台形状的超声波发射器中，圆台的底角θ＝40°，那么超声波的发射方向与圆台顶面所形成的角度δ＝90°，圆台形超声波发射器在垂直方向的超声波覆盖角度为：
180°-2(50°-40°)＝160°。
如图6所示为水平波束指向性，圆台形超声波发射器上加载频率为34kHz的5个正弦脉冲，与测量麦克风的距离为7cm，从图中可以看出，圆台形PVDF超声波发射器可以提供360度全向水平波束指向性，在圆台形状的PVDF薄膜的两处接缝位置的附近区域，麦克风接收的声压信号强度有所减弱，声压的最小值与最大值的比值为0.5到0.6。
圆柱形的PVDF超声波发射器的谐振频率由公式：
计算确定，其中R′为圆柱形PVDF超声波发射器的半径，Y为PVDF压电薄膜的杨氏模量，ρ为PVDF压电薄膜的密度。通过实验并计算出使用的PVDF压电薄膜的相关参数，其中在圆台形状的PVDF超声波发射器中，其顶面半径r＝4.5mm,底面半径R＝9.5mm，在所述结构中，圆台形状的超声波发射器可以微分等效成半径不同的圆柱形状，那么其谐振频率的范围为：20～48kHz，20kHz为可能的最小谐振频率，48kHz为可能的最大谐振频率，在计算圆台形超声波发射器的谐振频率时，其等效半径为(r+R)/2，圆台形状PVDF超声波发射器结构的底角θ＝40°，通过实验测得其谐振频率为34kHz。
Claims (5)
1.一种圆台形状的PVDF超声波发射器，其特征在于：由两部分结构特征相同的部分圆环形状的PVDF压电薄膜围成圆台形状。
2.根据权利要求1所述的一种圆台形状PVDF超声波发射器，其特征在于：在组成的两部分圆环形状的PVDF压电薄膜中，外圆弧所对的弦的长度大于内圆弧切线的长度，即满足cos(α/2)>l/L，其中α为扇形角的弧度值、l为内圆弧的半径、L为外圆弧的半径。
3.根据权利要求1或2所述一种圆台形状PVDF超声波发射器，其特征在于：所述压电薄膜的表面电极采用镀铝或镀银，电极通过薄膜底端由导线引出。
4.根据权利要求1或2所述一种圆台形状PVDF超声波发射器，其特征在于：超声波的发射方向边缘与圆台顶面的夹角δ与圆台的底角θ的关系为：δ＝50°+θ，其中θ＝acos(α/π)，α为扇形角的弧度值。
5.根据权利要求3所述一种圆台形状PVDF超声波发射器，其特征在于：超声波的发射方向边缘与圆台顶面的夹角δ与圆台的底角θ的关系为：δ＝50°+θ，其中θ＝acos(α/π)，α为扇形角的弧度值。
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