CN202339318U - 一种基于pvdf压电薄膜的激光超声检测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型是一种基于PVDF压电薄膜的激光超声检测装置。激光器(1)的光经分束镜(2)后一部分进入输出接示波器(6)的光电二极管(8)，另一部分进入柱面透镜(3)聚焦到样品(4)；横向控制电机(11)的轴与夹固在横向固定板I(22)、横向固定板II(23)和横向固定底板(19)之间的横向丝杆(21)连接，横向移动滑块(17)同纵向固定板(12)和纵向固定底板(20)构成框架，安装在框架里的纵向丝杆(18)与纵向控制电机(10)的轴连接，有连线接放大器(5)且与纵向丝杆(18)配合的金属装置外壳(16)里安装特氟龙胶(15)、钨棒(14)和PVDF压电薄膜(13)。它无测量盲区、检测准确率高。
Description
技术领域
本实用新型是一种用于对激光激励钢质样品产生的超声进行检测的基于PVDF压电薄膜的激光超声检测装置，涉及外形的测量、超声波测量和管道系统技术领域。
背景技术
随着材料科学发展迅速，各种新型材料不断出现，许多材料表现出超常的力学性能，如：纳米铜材料其硬度比常规材料提高60倍，屈服强度提高14倍；纳米碳化硅的断裂韧性比常规材料提高120倍；纳米铁多晶体的断裂强度比常规铁高15倍；纳米铜离子密堆的铜片，具有惊人的超延展性，达到5200％，远远超出相同纯度的普通铜片的延展性。要准确评价各种新型材料的力学性能，就必须对材料进行力学性能测试。然而许多新型材料受特殊的制备工艺所致具有一次成型、尺寸小、制造成本高等特点，如目前所能制备的块体纳米材料，其尺寸大约为：直径小于100mm，厚度小于10mm，且根据不同的工艺，所能制备的尺寸也不相同。在这种情况下，对材料进行力学性能测试，无法采用如破坏试验等常规的力学性能测试方法。探索和开发新型的测试方法与仪器成为国内外学者的研究热点。近年来，人们研究并提出了许多新型力学性能测试方法，如：纳米压痕技术、声学显微镜技术、表面声波技术、激光超声技术等。
PVDF压电薄膜材料的性能和一般的弹性材料不一样，不仅考虑它的力学性质，还要考虑它的电学性质，而且还要考虑电学和力学相互耦合的性质。这里分别涉及弹性常数、介电常数和独特的压电常数。在压电介质里，声场和电场是耦合的，表现这个耦合现象的常数是压电常数。压电常数按一些独立变量的选取而分为相互联系的四类。这些独立变量是力学量T或S以及电学量D或E。在适当方向力的作用下，压电介质会产生表面电荷，但这些电荷是束缚的，而不是自由的，它们是介质内部产生了电偶极矩的表现，电学量D正是与此有关的量。实验中外表看会出现电流，即可移动的电荷，实际上这些自由电荷来源于介质的外界，即来源于外界电荷受介质表面束缚电荷的吸引，它们与束缚电荷同数量而符号相异，但并不是束缚电荷的本身。
一般认为，PVDF的压电性可归因于以下两个机理：一是尺寸效应，所谓尺寸效应是假定偶极子为刚性，不随外加应力变化时，由膜厚变化所引起的压电性，膜厚度的减小会使膜表面的诱导电荷增加；二是结晶相的本征压电性，结晶相的压电性由电致伸缩效应及剩余极化所决定。晶区和非晶相的介电常数具有不同的应变依赖性，材料处于极化状态时，由电致伸缩效应产生压电性。晶区的极化强度对应变具有依赖性，使晶区产生内部压电性。
专利ZL2005200053518、ZL200720148941.5提出了一种可以同时测量表面波波速和纵波波速的单层PVDF薄膜线聚焦探头，此类探头通过同时测量材料表面波波速和纵波波速，可以用于小尺寸材料弹性常数测量，探头包括有压电元件、浇铸于压电元件上的背衬层及由壳体和壳盖组成的外壳几个主要部分。此型探头中的换能元件采用单层PVDF薄膜，既作为激励换能器，又作为接收换能器。
《中国博士学位论文全文数据库工程科技I集(月刊)》第12期刊载了“激光声表面波用于金属表面缺陷无损检测的研究”，它将PVDF压电薄膜固定在一装置上，通过电控平移台棱镜或柱面镜进行控制，使其按照预定的轨迹进行移动，对样品进行缺陷扫查。
在实际使用过程中，PVDF薄膜先作为激励换能器激励出超声波激励，经历一定时间间隔后，又要作为接收换能器接收超声波回波。PVDF薄膜会被较强电信号激励，激励后会出现饱和现象，饱和将持续一段时间，此时间内PVDF将无法正常接收超声波回波。因此，此型探头存在较大的测量盲区，使用中，在探头与试件距离较近时不能得到正常检测效果。
实用新型内容
本实用新型的目的是设计一种无测量盲区、检测准确率高的基于PVDF压电薄膜的激光超声检测装置。
本实用新型是对激光激励样品表面产生的表面波和纵波进行检测。进而通过信号处理方法，得出样品表面的缺陷信息。
本实用新型主要根据PVDF压电薄膜的压电效应，由于压电薄膜是一个柔性元件，弯曲能在压电薄膜上产生很大的应变，因而会有高电压输出。当器件由于直接接触而弯曲时，就是一个柔性开关。所产生的输出足以直接驱动CMOS电路。如果元件由引出端支撑并可以自由振动，该元件就是一个振动传感器。基于PVDF薄膜的压电特性，设计了一种固定压电薄膜的装置，利用该装置可以固定并移动压电薄膜。
利用一种PVDF压电薄膜的柔性和稳定压电性能，将PVDF压电薄膜固定在设计好的一种装置上，通过马达控制装置对激光超声探头进行控制，马达控制装置对超声探头的移动轨迹提前规划，从而按照设定好的轨迹进行移动，对样品进行缺陷扫查。
本实用新型的装置包括Nd:YAG激光器1、分束镜2、凸透镜或柱面透镜3、样品4、放大器5、示波器6、控制卡7、光电二极管8、计算机9、纵向控制电机10、横向控制电机11、纵向固定板12、PVDF压电薄膜13、钨棒14、特氟龙胶15、金属装置外壳16、横向移动滑块17、纵向丝杆18、横向固定底板19、纵向固定底板20、横向丝杆21、横向固定板I 22、横向固定板II 23。
激光器1发出的光对准分束镜2，分束镜2后的一部分光进入光电二极管8，光电二极管8输出接示波器6，进行实时检测激光器1的光功率，并通过示波器6进行观察，另一部分激光进入凸透镜或柱面透镜3聚焦到样品4；横向控制电机11的轴与夹固在横向固定板I 22、横向固定板II 23和横向固定底板19之间的横向丝杆21连接，与横向丝杆21配合的横向移动滑块17同纵向固定板12和纵向固定底板20构成框架，安装在此框架里的纵向丝杆18与纵向控制电机10的轴连接，与纵向丝杆18配合的金属装置外壳16里安装特氟龙胶15、钨棒14、PVDF压电薄膜13，PVDF压电薄膜13对向样品4；金属装置外壳16有连线连接放大器5，放大器5的输出接示波器6的输入；纵向控制电机10、横向控制电机11的电源输入接与计算机9连接的控制卡7；示波器6与计算机9之间有电连接。
所述特氟龙，英文名称为Teflon，它是一种高性能涂料，结合了耐热性、化学惰性和优异的绝缘稳定性及低摩擦性，具有其他涂料无法抗衡的综合优势，在检测装置中主要目的是起到绝缘作用，防止PVDF薄膜金属片与金属外壳导电；
所述钨棒14为一端成刀劈形状的圆棒，主要利用高熔点，导电的特性；
所述PVDF压电薄膜13全称为聚偏氟乙烯(PolyvinylideneFluoride)，是一种性能稳定的柔性压电材料，具有良好的机械强度和韧性，并具有独特的介电效应、压电效应和热电效应；PVDF压电薄膜13附着在微型刀劈上，并钳紧在特制的金属外壳上，引出两个电极；
所述PVDF压电薄膜13、钨棒14、特氟龙胶15、金属装置外壳16及连接端口组成PVDF传感器，图2为PVDF传感器的内部构造剖面图；其中，圆柱形刀劈由钨棒14制成，金属装置外壳16由不锈钢材料制成，外侧镀有电极的PVDF压电薄膜13，夹持在金属装置外壳16和钨棒14狭缝之间，而金属装置外壳16与钨棒14之间通过特氟龙胶15绝缘，从而内外形成了两个电极，再由接口将两个电极引出，并通过高频电缆线接入前置放大器将信号放大，经示波器即可采集到信号；超声探头固定在移动装置上，通过控制移动装置的马达，使超声压电探头能够向各个方向移动，从而实现对样品表面的扫查；
所述金属装置外壳16为一面开口的矩形箱，主要作用是固定PVDF压电薄膜；
所述移动装置接头，将移动装置与探头连接的部分，并有导线引出连接信号放大器。
金属探头安装方法：首先将PVDF压电薄膜13裁剪成8mm×3mm的片状结构，其宽度略小于刀口尺寸，并检查薄膜两面的极性；其次把刀劈装入金属固定块凹槽中，劈尖伸出狭缝；将PVDF压电薄膜13钳紧在刀劈和狭缝之间，安装过程中要确保薄膜不被损坏.安装完毕还要检查探头内部是否导通，保证内外部不导通，使得信号能有效被传感器接收。
利用该传感器进行激光超声检测中，PVDF压电薄膜13直接与样品4表面接触，无需耦合剂耦合，与样品4接触的PVDF压电薄膜13为刀口处的部分，由于刀口宽度为“μm量级，长度为mm量级，相差103数量级，可以认为是线检测。采用激光线源激发时，不但具有很高的空间分辨率和信噪比，而且能接收到更宽频带的超声信号。
本实用新型无测量盲区、检测准确率高。
附图说明
图1激光超声检测系统原理框图
图2PVDF传感器结构图
其中1-激光器 2-分束镜
3-凸透镜或柱面透镜 4-样品
5-放大器 6-示波器
7-控制卡 8-光电二极管
9-计算机 10-纵向控制电机
11-横向控制电机 12-纵向固定板
13-PVDF压电薄膜 14-钨棒
15-特氟龙胶 16-金属装置外壳
17-横向移动滑块 18-纵向丝杆
19-横向固定底板 20-纵向固定底板
21-横向丝杆 22-横向固定板
23-横向固定板 24-纵向移动滑块
具体实施方式
实施例.本例的装置包括Nd:YAG激光器1、分束镜2、凸透镜或柱面透镜3、样品4、放大器5、示波器6、控制卡7、光电二极管8、计算机9、纵向控制电机10、横向控制电机11、纵向固定板12、PVDF压电薄膜13、钨棒14、特氟龙胶15、金属装置外壳16、横向移动滑块17、纵向丝杆18、横向固定底板19、纵向固定底板20、横向丝杆21、横向固定板I 22、横向固定板II 23。纵向移动滑块24
激光器1发出的光对准分束镜2，分束镜2分光后一部分光进入光电二极管8，光电二极管8输出接示波器6，进行实时检测激光器1的光功率，并通过示波器6进行观察，另一部分激光进入凸透镜或柱面透镜3聚焦到样品4；横向控制电机11的轴与夹固在横向固定板I 22、横向固定板II 23和横向固定底板19之间的横向丝杆21连接，与横向丝杆21配合的横向移动滑块17同纵向固定板12和纵向固定底板20构成框架，安装在此框架里的纵向丝杆18与纵向控制电机10的轴连接，与纵向丝杆18配合的金属装置外壳16里安装特氟龙胶15、钨棒14、PVDF压电薄膜13，PVDF压电薄膜13对向样品4；金属装置外壳16有连线连接放大器5，放大器5的输出接示波器6的输入；纵横控制电机10、横向控制电机11的电源输入接与计算机9连接的控制卡7；示波器6与计算机9之间有电连接。
所述特氟龙选美国华孚提供Teflon胶；
所述钨棒14为一端成刀劈形状的圆棒，尺寸为Φ20×100mm，刀劈为30°；
所述PVDF压电薄膜13选锦州光电提供的LDT系列；
所述金属装置外壳16为一面开口的矩形箱，尺寸为120×120×120mm，由2mm厚钢板制成；
所述PVDF压电薄膜13、钨棒14、特氟龙胶15、金属装置外壳16及连接端口组成PVDF传感器，图2为PVDF传感器的内部构造剖面图；其中，圆柱形刀劈由钨棒14制成，金属装置外壳16由不锈钢材料制成，外侧镀有电极的PVDF压电薄膜13，夹持在金属装置外壳16和钨棒14狭缝之间，而金属装置外壳16与钨棒14之间通过特氟龙胶15绝缘，从而内外形成了两个电极，再由接口将两个电极引出，并通过高频电缆线接入前置放大器将信号放大，经示波器即可采集到信号；超声探头固定在移动装置，通过控制移动装置的马达，可以使超声压电探头能够向各个方向移动，从而实现对样品表面的扫查；
所述移动装置接头，将移动装置与探头连接的部分，并有导线引出连接信号放大器。
其中Nd:YAG脉冲激光器1发出的激光波长1064nm、脉宽10ns；
分束镜2选：T/R为50/50；
凸透镜或柱面透镜3选镀膜1064平凸球面镜；
放大器5选美国MITEQ前置放大器；
示波器6选OTDS3054B数字示波器；
控制卡7选MPC104运动控制卡；
光电二极管8选光谱范围为400～1300nm二极管；
计算机9选双核E5700 2G内存500G硬盘；
纵向控制电机10和横向控制电机11选精密减速步进电机25BY48HJ；
纵向固定板12尺寸为60×60×10mm；
横向移动滑块17尺寸为60×60×60mm；
纵向丝杆18尺寸为Φ20×300mm；
横向固定底板19尺寸为300×60×10mm；
纵向固定底板20尺寸为300×60×10mm；
横向丝杆21尺寸为Φ20×300mm；
横向固定板I 22尺寸为60×60×10mm；
横向固定板II 23尺寸为60×60×10mm。
纵向移动滑块24尺寸为60×60×60mm；
将PVDF压电薄膜固定在设计好的一种装置上，通过马达控制装置对激光超声探头进行控制，马达控制装置对超声探头的移动轨迹提前规划，从而按照设定好的轨迹进行移动，对样品进行缺陷扫查。
Nd:YAG脉冲激光通过柱面镜聚焦成线光源投射到样品4表面激发声表面波。实验触发信号是通过光电二极管8(上升时间为100ps)，获取脉冲激光经分光镜反射的散射光来实现。将PVDF传感器固定在五维精密平移台上，并使刀劈沿声表面波传播方向放置。通过计算机控制横向电机11，横向移动滑块17在横向丝杆21上移动，从而使PVDF传感器在试块表面横向移动，移动范围在两个横向固定板22-23内。通过计算机控制纵向电机，纵向移动滑块24在纵向丝杆18上移动，移动范围在12到17内，通过纵向移动可以控制PVDF传感器能够在样品4纵向移动，从而实现对样品4表面的扫描。当脉冲激光在样品4表面激发声表面波时，声表面波沿表面传至探测点位置，由于声扰动会导致材料表面发生微小形变，对PVDF薄膜产生机械应力，通过PVDF压电薄膜13转换为电荷信号，再经前置放大器5放大，接入至OTDS3054B数字示波器6采集超声信号。
本例经试验，激光超声检测方法和系统无测量盲区、检测准确率高。
Claims (5)
1.一种基于PVDF压电薄膜的激光超声检测装置，其特征是它包括Nd:YAG激光器(1)、分束镜(2)、凸透镜或柱面透镜(3)、样品(4)、放大器(5)、示波器(6)、控制卡(7)、光电二极管(8)、计算机(9)、纵向控制电机(10)、横向控制电机(11)、纵向固定板(12)、PVDF压电薄膜(13)、钨棒(14)、特氟龙胶(15)、金属装置外壳(16)、横向移动滑块(17)、纵向丝杆(18)、横向固定底板(19)、纵向固定底板(20)、横向丝杆(21)、横向固定板I(22)、横向固定板II(23)；
激光器(1)发出的光对准分束镜(2)，分束镜(2)后的一部分光进入光电二极管(8)，光电二极管(8)输出接示波器(6)，进行实时检测激光器(1)的光功率，并通过示波器(6)进行观察，另一部分激光进入凸透镜或柱面透镜(3)聚焦到样品(4)；横向控制电机(11)的轴与夹固在横向固定板I(22)、横向固定板II(23)和横向固定底板(19)之间的横向丝杆(21)连接，与横向丝杆(21)配合的横向移动滑块(17)同纵向固定板(12)和纵向固定底板(20)构成框架，安装在此框架里的纵向丝杆(18)与纵向控制电机(10)的轴连接，与纵向丝杆(18)配合的金属装置外壳(16)里安装特氟龙胶(15)、钨棒(14)、PVDF压电薄膜(13)，PVDF压电薄膜(13)对向样品(4)；金属装置外壳(16)有连线连接放大器(5)，放大器(5)的输出接示波器(6)的输入；纵向控制电机(10)、横向控制电机(11)的电源输入接与计算机(9)连接的控制卡(7)；示波器(6)与计算机(9)之间有电连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于PVDF压电薄膜的激光超声检测装置，其特征是所述钨棒(14)为一端成刀劈形状的圆棒。
3.根据权利要求1所述的一种基于PVDF压电薄膜的激光超声检测装置，其特征是所述PVDF压电薄膜(13)为聚偏氟乙烯薄膜，PVDF压电薄膜(13)附着在微型刀劈上，并钳紧在特制的金属外壳上，引出两个电极。
4.根据权利要求1所述的一种基于PVDF压电薄膜的激光超声检测装置，其特征是所述金属装置外壳(16)为一面开口的矩形箱。
5.根据权利要求1所述的一种基于PVDF压电薄膜的激光超声检测装置，其特征是PVDF压电薄膜(13)、钨棒(14)、特氟龙胶(15)、金属装置外壳(16)及连接端口组成PVDF传感器；其中，圆柱形刀劈由钨棒(14)制成，金属装置外壳(16)由不锈钢材料制成；外侧镀有电极的PVDF压电薄膜(13)夹持在金属装置外壳(16)和钨棒(14)狭缝之间，而金属装置外壳(16)与钨棒(14)之间通过特氟龙胶 (15)绝缘，形成的内外两个电极再由接口将两个电极引出，并通过高频电缆线接入前置放大器。
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