CN109401201A - 用于空气耦合的超声波传感器匹配层材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于空气耦合的超声波传感器匹配层材料，由如下质量份的组分组成：50～100份的环氧树脂、20～90份的固化剂、10～50份的轻质材料和1～10份触变剂。本发明还提供了用于空气耦合的超声波传感器匹配层材料的制备方法。本发明匹配层组分简单、操作简便、孔隙率低、材料均匀性好。且本发明采用带正压的烘箱加热，所制备的匹配层中余留气孔为封闭式微孔，因此对环境湿度敏感性大大降低。同时，能够明显提高传感器与空气的耦合性能和超声波传感器生产过程中的良品率。

Description

用于空气耦合的超声波传感器匹配层材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种超声波传感器匹配层材料，具体涉及一种用于空气耦合的超声波传感器的匹配层材料及其制备方法，属于传感器技术领域。
背景技术
超声波传感器是一种可逆换能器，利用压电材料的压电效应和电致伸缩效应，实现机械能和电能的相互转换。由于其成本低、体积小、安装维护方便，广泛应用于自动测距、液位监测、无损探伤、超声医学成像等领域。
制约空气耦合超声波传感器灵敏度的因素有超声波在空气中的衰减、超声波在气固界面的强反射、传感器的转换效率。而为了提高超声波传感器的灵敏度，需要解决的核心问题就是压电晶片与空气间阻抗严重不匹配问题。例如，常规PZT压电材料声阻抗约为30MRayl，空气的声阻抗为400Rayl，二者相差几个数量级，由压电晶片直接辐射到空气中的能量非常有限。
因此，合理的匹配层就是为了实现高阻抗的压电材料和低阻抗的空气媒质间的声阻抗过渡。一方面可以减少声波能量的大幅衰减，提高传感器的灵敏度；另一方面，还能够有效拓宽传感器的工作带宽，增加传感器的收发信息量，改善传感器的分辨率。
当前，国内外科研技术人员多研究开发新型复合材料制备匹配层。匹配层材料的声阻抗应介于压电材料和空气媒质之间，一般选用低粘度、润湿性能好的环氧树脂作为基体，氧化钨、二氧化钛、二氧化硅等作为填料，但此种复合材料匹配层易出现分层、填料分散不均等影响传感器性能的现象。另外，有文献报道设计多层结构的匹配层，虽能对声阻抗进行阶梯过渡，但超声波能量在传输过程中经过多个树脂层后大量吸收和衰减，导致传感器灵敏度低，且制备工艺复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种组分简单、孔隙率低、材料均匀性好的用于空气耦合的超声波传感器匹配层材料。
本发明是这样实现的：
一种用于空气耦合的超声波传感器匹配层材料，由如下质量份的组分组成：
50～100份的环氧树脂、20～90份的固化剂、10～50份的轻质材料和1～10份触变剂。
更进一步的方案是：
所述环氧树脂为低粘度改性环氧树脂；具体为黏度为200～700mPa.S的氢化型环氧树脂。
更进一步的方案是：
所述固化剂为该类环氧树脂配套用固化剂；首选为三胺类环氧树脂固化剂。
更进一步的方案是：
所述轻质材料首选为玻璃微珠；具体为粒径为25～115微米的中空玻璃微珠。
更进一步的方案是：
所述触变剂首选为气相白碳黑。
本发明还提供了所述用于空气耦合的超声波传感器匹配层材料的制备方法，具体包括以下步骤：
⑴将环氧树脂和固化剂按配方称量后混合搅拌1～2分钟；
⑵将轻质材料和触变剂按配方称重后混合搅拌1分钟；
⑶将⑴和⑵中的两种材料混合搅拌2～5分钟；
⑷将⑶中混合好的材料在模具中压实成型；
⑸将⑷中的材料连同模具一起放入正压烘箱中加压保温阶梯固化。
更进一步的方案是：
步骤⑸加压保温阶梯固化条件是：在温度为50℃～90℃，压力为0.05MPa～0.2MPa条件下保温0.5～1小时，再升温至100℃～120℃保温1～3小时。
本发明的有益效果在于：所述匹配层组分简单、操作简便，由于加入了触变剂，有效降低了环氧树脂在高温固化时的流动性，从而使该匹配层的孔隙率低，材料均匀性好。且本发明采用带正压的烘箱加热，所制备的匹配层中余留气孔为封闭式微孔，因此对环境湿度敏感性大大降低。同时，能够明显提高传感器与空气的耦合性能和超声波传感器生产过程中的良品率。
附图说明
图1为现有技术的超声波传感器阻抗曲线图；
图2为本发明方法生产的超声波传感器阻抗曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步地详细说明。
实施例1
环氧树脂50份，固化剂40份，玻璃微珠30份，触变剂1.5份，固化条件气压0.05MPa,温度60℃保温0.5小时，120℃保温2小时。
实施例2
环氧树脂100份，固化剂90份，玻璃微珠20份，触变剂8份，固化条件气压0.2MPa,温度80℃保温1小时，120℃保温2.5小时。
实施例3
环氧树脂100份，固化剂80份，玻璃微珠45份，触变剂10份，固化条件气压0.1MPa,温度85℃保温0.5小时，120℃保温3小时。
实施例4
环氧树脂80份，固化剂70份，玻璃微珠25份，触变剂6份，固化条件气压0.04MPa,温度85℃保温0.5小时，115℃保温3小时。
将本发明的上述实施例制备得到的用于空气耦合的超声波传感器匹配层材料，按照常规方法制作成超声波传感器的匹配层，与现有的超声波传感器进行试验，得到现有技术的超声波传感器阻抗曲线图(如附图1)和本发明方法生产的超声波传感器的阻抗曲线图(如附图2)。从附图1和2可以看出，本发明制备得到的超声波传感器，具有谐振阻抗降低,阻抗曲线一致性好,同时回波灵敏度高的优点，印证了本发明制备得到的用于空气耦合的超声波传感器匹配层材料具有孔隙率低、材料均匀性好的特点。
尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (7)

1.一种用于空气耦合的超声波传感器匹配层材料，其特征在于由如下质量份的组分组成：
50～100份的环氧树脂、20～90份的固化剂、10～50份的轻质材料和1～10份触变剂。
2.根据权利要求1所述用于空气耦合的超声波传感器匹配层材料，其特征在于：
所述环氧树脂是黏度为200～700mPa.S的氢化型环氧树脂。
3.根据权利要求1所述用于空气耦合的超声波传感器匹配层材料，其特征在于：
所述固化剂是三胺类环氧树脂固化剂。
4.根据权利要求1所述用于空气耦合的超声波传感器匹配层材料，其特征在于：
所述轻质材料是粒径为25～115微米的中空玻璃微珠。
5.根据权利要求1所述用于空气耦合的超声波传感器匹配层材料，其特征在于：
所述触变剂为气相白碳黑。
6.权利要求1至5任一权利要求所述用于空气耦合的超声波传感器匹配层材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
⑴将环氧树脂和固化剂按配方称量后混合搅拌1～2分钟；
⑵将轻质材料和触变剂按配方称重后混合搅拌1分钟；
⑶将⑴和⑵中的两种材料混合搅拌2～5分钟；
⑷将⑶中混合好的材料在模具中压实成型；
⑸将⑷中的材料连同模具一起放入正压烘箱中加压保温阶梯固化。
7.根据权利要求6所述用于空气耦合的超声波传感器匹配层材料的制备方法，其特征在于：
步骤⑸加压保温阶梯固化条件是：在温度为50℃～90℃，压力为0.05MPa～0.2MPa条件下保温0.5～1小时，再升温至100℃～120℃保温1～3小时。
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