CN109714018B - 一种全方位宽频带柔性介电弹性叉指换能器及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种全方位宽频带柔性介电弹性叉指换能器及制作方法，包括柔性DE基底，为圆盘状；柔顺环形叉指电极，设置于柔性DE基底的表面，柔顺环形叉指电极包括：正极叉指电极和负极叉指电极，正极叉指电极与负极叉指电极呈相互嵌套的环形叉指状，从柔顺环形叉指电极的圆心沿着径向向外，柔顺环形叉指电极中每相邻两个电极之间的间距逐渐增大，本发明可实现被测构件中超声波信号的全方位驱动与传感；通过改变电极间距的变化可实现IDT宽频带的特性，使得频带宽具有可设计性，从而可实现导波模态选择，提高工程结构损伤检测中有效信号的识别率。
Description
技术领域
本发明涉及电子器件领域，尤其涉及一种全方位宽频带柔性介电弹性叉指换能器及制作方法。
背景技术
在适用于大面积板结构健康监测(Structural Health Monitoring，SHM)的方法和相关技术中，诸多先进的信号处理方法依然存在人为干扰因素较大、应用范围狭窄等诸多不足。电声转换的换能器件因其特有的传递结构安全信息的功能已逐渐成为SHM系统中的关键组成部分。既有的结构健康监测(Structural Health Monitoring，SHM)系统始终具有更进一步提高其检测灵敏度和精度的需求，探索可用于大面积复合材料的具有全方位发射和接收、宽频且模态可选择功能的柔性叉指式导波换能器可为实现实时快速SHM解决关键性的技术障碍。
就换能器的基体材料而言，现行的采用压电陶瓷(Piezoelectric，PZT)换能器激励超声导波具有压电应变常数较高、响应快、性能稳定等优点，但其先天性的带有脆性、力电性能可设计性差，使其难于集成或粘贴于复杂形状结构表面，严重影响其应用范围。另外，用于导波激励的斜压楔形换能器、梳状传感器和电磁声换能器(ElectromagneticAcoustic Transducer，EMAT)在离线维护检查中能发挥较好的功能，但因其尺度较大，不是柔性材料，难以集成于结构上，所以一般只能用于离线检测。
此外，就换能器的构造设计而言，叉指式换能器(Interdigital Transducer，IDT)的叉指结构是用于SHM系统中产生定向导波的最基本形式，然而，现有技术中的IDT设计中仍存在着诸多不足，如具较窄的频带宽和信号传播的单一方向性等，为适应更小的损伤检测尺度，需要巧妙的换能器结构设计以提高带宽，并实现全方位的驱动和传感。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种全方位宽频带柔性介电弹性叉指换能器及制作方法，使得频带宽具有可设计性，并能够实现全方位的信号传播。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种全方位宽频带柔性介电弹性叉指换能器，包括：
柔性DE基底，为圆盘状；
至少一个柔顺环形叉指电极，设置于柔性DE基底的表面，其中所述柔顺环形叉指电极包括：
正极叉指电极，包括正极外接端和多个相互平行的正电极，多个所述正电极的一端均与正极外接端连接；
负极叉指电极，包括负极外接端和多个相互平行的负电极，多个所述负电极的一端均与负极外接端连接；
所述正极叉指电极与所述负极叉指电极呈相互嵌套的环形叉指状，从所述柔顺环形叉指电极的圆心沿着径向向外，所述柔顺环形叉指电极中每相邻两个电极之间的间距逐渐增大。
优选地，所述柔顺环形叉指电极的个数为一个，所述柔顺环形叉指电极与所述柔性DE基底同圆心。
优选地，还包括控制开关和驱动器，所述柔顺环形叉指电极的个数为多个，多个所述多个柔顺环形叉指电极以所述柔性DE基底的圆心为中心，沿圆周方向均布于所述DE基底的表面，多个柔顺环形叉指电极由集成线路连接，所述控制开关与所述集成线路连接，所述驱动器与所述控制开关连接。
优选地，每相邻两个所述柔顺环形叉指电极的中心之间的距离d大于所述柔顺环形叉指电极的直径e，且不超过接收信号波长的一半。
优选地，所述柔顺环形叉指电极中相邻两个正电极和负电极之间的间距b采用等差数列间距变化bi＝a+0.25i(i＝1，2，…)，其中i为间距的数量。
优选地，所述柔性DE基底采用丙烯酯制成。
优选地，所述柔顺环形叉指电极由氯化锂凝胶材料制成。
优选地，所述柔顺环形叉指电极中的所述正极外接端与所述负极外接端沿着所述柔性DE基底的径向相互平行。
一种全方位宽频带柔性介电弹性叉指换能器的制作方法，包括：
建立所述叉指换能器的三维模型；
将丙烯酯DE材料制成凝胶，通过3D打印技术打印出柔性DE基底，在所述柔性DE基底加热固化前清理制备基底时的残余材料；
在所述柔性DE基底加热固化后，将氯化锂制成凝胶，通过3D打印技术在所述柔性DE基底的表面打印所述柔顺环形叉指电极；
在柔顺环形叉指电极加热固化前，清理残留的凝胶材料；
柔顺环形叉指电极加热固化后，采用聚合物保护层进行封装。
优选地，所述丙烯酯和氯化锂制成凝胶的方法为化学或物理凝聚法。
本发明的有益效果：
1)本发明通过将叉指电极设计为环形电极形式，可实现被测构件中超声波信号的全方位驱动与传感；通过改变电极间距的变化可实现IDT宽频带的特性，使得频带宽具有可设计性，从而可实现导波模态选择，用于导波激励和接收时，无需根据结构材料变化而更换检测换能器，从而提高工程结构损伤检测中有效信号的识别率；
2)鉴于大型工程结构大范围和短周期的检测需求，本发明采用具有高能密度的DE换能器阵元替换现有的PZT阵元，采用环形阵列设计，可改善声场的可达性、提高检测速度，解决大范围损伤检测定位问题，本发明可通过控制各单元信号的延时可方便地实现能量更强的声束偏转和聚焦，本发明的环形阵列相比于其他阵列形式在全方向上波束一致性较好。
3)本发明通过柔性DE材料基底和柔顺电极材料代替常规PZT材料，可实现柔性特性，柔性DE基底可改变施加的电荷的电压和能量状态，具有高弹性能密度、超短反应时间、高机电耦合效率、轻质量等优良特性，从而可实现极低电极产生大变形，可提高驱动及传感时的灵敏度。
4)本发明通过3D打印柔性基底及柔顺环形叉指电极，将连接线路通过3D打印形式集成于基底材料上，易实现批量生产及质量保障。
附图说明
图1为本发明所述全方位宽频带柔性介电弹性叉指换能器的结构示意图一。
图2为本发明所述全方位宽频带柔性介电弹性叉指换能器的结构示意图二。
图3为本发明所述全方位宽频带柔性介电弹性叉指换能器剖面图。
图4为本发明所述环形变间距模态选择原理图
附图标记：1.正极外接端；2.负极外接端；3.柔性DE基底；4.驱动器；5.正极叉指电极；6.负极叉指电极；7.对应的宽频时域波形；8.电极线；9.控制开关。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
实施例一：
如图1所示，根据本发明实施例的一种全方位宽频带柔性介电弹性叉指换能器包括：柔性DE基底3和一个柔顺环形叉指电极。
具体地，柔性DE基底3为圆盘状，本实施例的柔性DE基底3采用丙烯酯制成，采用的丙烯酯具有良好的柔性，使得换能器能适应不规则复杂结构的表面，甚至直接嵌入宿主结构进行损伤检测。同时，根据本发明实施的柔性DE基底3可以改变施加的电荷的电压和能量状态，具有高弹性密度、超短反应时间、高机电耦合效率、轻质量等优良特性。
柔顺环形叉指电极设置于柔性DE基底3的表面，其中柔顺环形叉指电极包括正极叉指电极5和负极叉指电极6，正极叉指电极5包括正极外接端1和多个相互平行的正电极，多个正电极的一端均与正极外接端1连接；负极叉指电极6包括负极外接端2和多个相互平行的负电极，多个负电极的一端均与负极外接端2连接；正极叉指电极5与负极叉指电极6呈相互嵌套的环形叉指状，柔顺环形叉指电极与柔性DE基底3同圆心。如图3所示，从柔顺环形叉指电极的圆心沿着径向向外，柔顺环形叉指电极中每相邻两个电极之间的间距逐渐增大。本实施例中，正极叉指电极5和负极叉指电极6之间的电极宽度a均采用等宽度0.25mm，相邻两个正电极和负电极之间的间距采用等差数列间距变化bi＝a+0.25i(i＝1，2，…)，至少达到8对叉指电极，DE基底直径只需大于最外圈电极直径即可。通过改变电极间距的变化可实现IDT宽频带的特性，使得频带宽具有可设计性，从而可实现导波模态选择，用于导波激励和接收时，无需根据结构材料变化而更换检测换能器，从而提高工程结构损伤检测中有效信号的识别率。
正极外接端1与负极外接端2沿着柔性DE基底3的径向相互平行。本实施例中的柔顺环形叉指电极由氯化锂凝胶材料制成，良好的柔性使得换能器能够适应不规则的复杂结构表面，可以直接嵌入宿主结构进行损伤检测。
如图4所示为本发明环形变间距模态选择原理图，一种全方位宽频带柔性介电弹性叉指换能器对应的宽频时域波形波长λ＝2a+bi+bi+1，故当全方位宽频带柔性介电弹性叉指换能器的电极变化时，波长变化，从而引起频率的变化，实现宽频带的功能。
本发明一种全方位宽频带柔性介电弹性叉指换能器可用于粘贴在被测构件表面，不会影响构件本身性能，可用于全方位激励宽频带Lamb波信号，其频率范围可根据电极间距进行相应的调节，可适用于金属材料、非金属材料及复合材料的无损检测领域的应用，也将换能器集成到材料中，实现智能化，有望促进微纳米传感器、能量收集器等开发和广泛应用。
实施例二：
本实施例与实施例一的区别在于：如图2所示，包括多个柔顺环形叉指电极、控制开关9和驱动器4，多个柔顺环形叉指电极以所述柔性DE基底3的圆心为中心，沿圆周方向均布于所述DE基底3的表面，每相邻两个所述柔顺环形叉指电极的中心之间的距离d大于所述柔顺环形叉指电极的直径e，且不超过接收信号波长的一半。
多个柔顺环形叉指电极由集成线路连接，控制开关9与集成线路连接，驱动器4与控制开关9连接，驱动器4通过驱动控制开关9以控制各个柔顺环形叉指电极的工作。驱动器4与各个柔顺环形叉指电极的控制开关均采用3D打印集成于DE基底上，且各自独立与现场可编程门阵列(FPGA)连的计算机相连，通过FPGA相连的软件控阵各单元的驱动与传感，FPGA可以根据环形相控阵列的延时控制需求，用户现场自己配置、定义数字系统，从而有效解决专业集成电路全定制的不足，克服现有编程器件中门电路有限的缺点，实现全方位信号的可控和相位延时的高精度控制。
根据本发明实施例的一种全方位宽频带柔性介电弹性叉指换能器的制作方法，包括：
建立叉指换能器的三维模型；
将丙烯酯DE材料制成凝胶，通过3D打印技术打印出柔性DE基底3，在柔性DE基底3加热固化前清理制备基底时的残余材料；
在柔性DE基底3加热固化后，将氯化锂制成凝胶，通过3D打印技术在柔性DE基底3的表面打印柔顺环形叉指电极；
在柔顺环形叉指电极加热固化前，清理残留的凝胶材料；
柔顺环形叉指电极加热固化后，采用聚合物保护层进行封装。
上述丙烯酯制成凝胶的方法为化学或物理凝聚法，氯化锂制成凝胶的方法为化学或物理凝聚法。
本发明通过3D打印柔性基底及柔顺环形叉指电极，将连接线路通过3D打印形式集成于基底材料上，易实现批量生产及质量保障。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (7)
1.一种全方位宽频带柔性介电弹性叉指换能器，其特征在于，包括：
柔性DE基底，为圆盘状；
多个柔顺环形叉指电极，设置于柔性DE基底的表面，多个所述柔顺环形叉指电极以所述柔性DE基底的圆心为中心，沿圆周方向均布于所述DE基底的表面，多个柔顺环形叉指电极由集成线路连接，每相邻两个所述柔顺环形叉指电极的中心之间的距离d大于所述柔顺环形叉指电极的直径e，且不超过接收信号波长的一半，其中所述柔顺环形叉指电极包括：
正极叉指电极，包括正极外接端和多个相互平行的正电极，多个所述正电极的一端均与正极外接端连接；
负极叉指电极，包括负极外接端和多个相互平行的负电极，多个所述负电极的一端均与负极外接端连接；
所述正极叉指电极与所述负极叉指电极呈相互嵌套的环形叉指状，从所述柔顺环形叉指电极的圆心沿着径向向外，所述柔顺环形叉指电极中每相邻两个电极之间的间距逐渐增大；
控制开关，所述控制开关与所述集成线路连接；
驱动器，所述驱动器与所述控制开关连接。
2.根据权利要求1所述的全方位宽频带柔性介电弹性叉指换能器，其特征在于，所述柔顺环形叉指电极中相邻两个正电极和负电极之间的间距b采用等差数列间距变化bi＝a+0.25i(i＝1，2，…)，其中i为间距的数量。
3.根据权利要求1所述的全方位宽频带柔性介电弹性叉指换能器，其特征在于，所述柔性DE基底采用丙烯酯制成。
4.根据权利要求1所述的全方位宽频带柔性介电弹性叉指换能器，其特征在于，所述柔顺环形叉指电极由氯化锂凝胶材料制成。
5.根据权利要求1所述的全方位宽频带柔性介电弹性叉指换能器，其特征在于，所述柔顺环形叉指电极中的所述正极外接端与所述负极外接端沿着所述柔性DE基底的径向相互平行。
6.一种如权利要求1所述的全方位宽频带柔性介电弹性叉指换能器的制作方法，其特征在于，包括：
建立所述叉指换能器的三维模型；
将丙烯酯DE材料制成凝胶，通过3D打印技术打印出柔性DE基底，在所述柔性DE基底加热固化前清理制备基底时的残余材料；
在所述柔性DE基底加热固化后，将氯化锂制成凝胶，通过3D打印技术在所述柔性DE基底的表面打印所述柔顺环形叉指电极；
在柔顺环形叉指电极加热固化前，清理残留的凝胶材料；
柔顺环形叉指电极加热固化后，采用聚合物保护层进行封装。
7.根据权利要求6所述的全方位宽频带柔性介电弹性叉指换能器的制作方法，其特征在于，所述丙烯酯和氯化锂制成凝胶的方法为化学或物理凝聚法。
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| CN109714018A (zh) | 2019-05-03 |
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