CN109848023B - 一种双圆柱结构的pvdf超声波发射器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双圆柱结构的PVDF超声波发射器，属于超声波发射器领域。两片带状压电薄膜放置在塑料球形基底上垂直交叉的两个凹槽中，并通过胶粘与塑料球形基底固定连接，构成双圆柱的形状。优点结构新颖，将两片相同的带状PVDF压电薄膜围在球形基底的两条垂直交叉的凹槽中，采用胶粘的方法固定，构成了双圆柱结构的PVDF超声波发射器，形成了类球形的结构，实现了超声波的全向发射，降低超声波发射器设备的复杂性，降低成本，实现超声发射设备的小型化，发射超声波带宽宽，波束角度全向覆盖，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。
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，已经被普遍应用于二维超声定位系统当中。但是其垂直波束角度较小，难以在三维超声定位系统中实现大范围覆盖。
中国外观设计专利“手柄”(申请号201630524697.2)公开了一种应用于虚拟现实技术操控的手柄，在手柄的超声波发射部分使用多个超声波发射器实现对三维空间的覆盖。由于单个超声波发射器的发射角度受限，三维交互应用中超声波发射设备需采用多个超声波发射器实现超声波的全向发射，导致设备尺寸大、成本高、结构复杂等缺点。
发明内容
本发明提供一种双圆柱结构的PVDF超声波发射器，以解决目前存在的发射设备尺寸大、成本高、结构复杂的问题。
本发明采取的技术方案是：两片带状压电薄膜放置在塑料球形基底上垂直交叉的两个凹槽中，并通过胶粘与塑料球形基底固定连接，构成双圆柱的形状。
本发明所述每片带状压电薄膜本体采用聚偏氟乙烯PVDF材料，电极一、电极二分别覆盖在本体的两面，电极一引线与电极一的一端连接，电极二引线与电极二的另一端连接。
本发明所述电极一和电极二采用镀铝或者镀银。
本发明所述所述塑料球形基底的球形本体上有垂直交叉两个凹槽，本体下方有本体座。
本发明的优点结构新颖，将两片相同的带状PVDF压电薄膜围在球形基底的两条垂直交叉的凹槽中，采用胶粘的方法固定，构成了双圆柱结构的PVDF超声波发射器，形成了类球形的结构，实现了超声波的全向发射，降低超声波发射器设备的复杂性，降低成本，实现超声发射设备的小型化，发射超声波带宽宽，波束角度全向覆盖，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。
附图说明
图1是本发明的俯视图；
图2是图1的A-A剖视图；
图3是本发明带状压电薄膜的结构示意图；
图4是图3的B-B剖视图；
图5是本发明塑料球形基底的结构示意图；
图6是本发明垂直波束指向性图；
图7是本发明水平波束指向性图。
具体实施方式
两片带状压电薄膜1放置在塑料球形基底2上垂直交叉的两个凹槽201中，并通过胶粘与塑料球形基底2固定连接，构成双圆柱的形状；
所述每片带状压电薄膜1本体102采用聚偏氟乙烯PVDF材料，电极一101、电极二103分别覆盖在本体102的两面，电极一引线104与电极一101的一端连接，电极二引线105与电极二103的另一端连接；
所述电极一101和电极二103采用镀铝或者镀银；
所述所述塑料球形基底2的球形本体202上有垂直交叉两个凹槽201，本体202下方有本体座203。
当两片带状PVDF压电薄膜加载交变电压时，在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度，在设计双圆柱结构的超声波发射器中，两片PVDF薄膜围在球形基底上，采用胶粘的方法固定，形成一个类球形的结构，实现了超声波的全向发射，而且双圆柱结构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。
下面结合附图及仿真实验例对本发明做进一步详细说明。
如图4所示带状压电薄膜1，其中上下两层为电极,中间层为PVDF；图3中带状压电薄膜宽度为l1，电极引线从两端引出；
如图5所示为塑料球形基底主视图，由球形本体和方形本体座组成，其中D为球形本体的外圆直径，d为球形本体的内圆直径，l为球形本体上凹槽的宽度，如图1所示为发明的俯视图，在球形基底上有两条垂直交叉的凹槽，用来放置两条带状的PVDF压电薄膜，薄膜的宽度l1<l。
将两片带状的PVDF压电薄膜围在塑料球本体上垂直交叉的两个凹槽中，采用胶粘的方法固定，形成双圆柱结构的超声波发射器，具有准球形的结构特征，其中电极在薄膜底端引出，位置没有具体要求，为了避免短路，两片压电薄膜相邻的一面加载相同极性的电极，如：均加载正电极或者均加载负电极。
当一个交变电压作用到PVDF压电薄膜的表面电极上时，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，由于设计的超声波发射器为双圆柱结构，使得拉伸方向的轴缠绕形成圆柱形状，当一个交变电压作用到双圆柱结构的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，交变电压作用到设计的双圆柱结构PVDF压电薄膜上，产生径向振动，从而发射超声波，双圆柱结构的PVDF超声波发射器，通过类球形的结构，实现了超声波的全向发射。
如图2所示为双圆柱结构PVDF超声波发射器剖面图，带状PVDF压电薄膜围在球形基底的凹槽中，胶粘固定，构成圆柱形结构，如图所示，圆柱形PVDF薄膜的半径为R，电极引线通过方形底座的凹槽引出。
圆柱形的PVDF超声波发射器的谐振频率由公式:
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，其中设计的双圆柱结构超声波发射器的球形基底直径为18mm，凹槽深度1～1.5mm，所以，在此结构中两个圆柱结构的半径在7.5～9mm范围内，对应的谐振频率范围为22～28kHz。
如图6所示为垂直波束指向性，图7为水平波束指向性，使用COMSOL仿真软件对双圆柱结构的PVDF超声波发射器的波束指向性进行仿真，仿真的双圆柱半径分别为7.5mm和8mm，加载频率为27kHz，从仿真结果可以看出，双圆柱结构的PVDF超声波发射器的波束角度全向覆盖，发射器顶部压电薄膜交叉方向的超声波发射强度大于底部，压电薄膜覆盖的部分发射超声波强度大于其他部分。
Claims (2)
1.一种双圆柱结构的PVDF超声波发射器，其特征在于：两片带状压电薄膜放置在塑料球形基底上垂直交叉的两个凹槽中，并通过胶粘与塑料球形基底固定连接，构成双圆柱的形状，实现超声波的全向发射；
每片带状压电薄膜本体采用聚偏氟乙烯PVDF材料，电极一、电极二分别覆盖在本体的两面，电极一引线与电极一的一端连接，电极二引线与电极二的另一端连接，电极一和电极二采用镀铝或者镀银；
其中球形基底直径为18mm，凹槽深度1～1.5mm，两个圆柱结构的半径在7.5～9mm范围内，对应的谐振频率范围为22～28kHz。
2.根据权利要求1所述的双圆柱结构的PVDF超声波发射器，其特征在于：所述塑料球形基底的球形本体上有垂直交叉两个凹槽，本体下方有本体座。
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