CN2781367Y - 一种线聚焦pvdf压电薄膜超声探头 - Google Patents

一种线聚焦pvdf压电薄膜超声探头 Download PDF

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Abstract

一种线聚焦PVDF压电薄膜超声探头，属于无损检测技术领域。包括有压电元件、浇铸于压电元件上的背衬层，由壳体和壳盖组成的外壳；其特征在于：所述的压电元件为上表面覆着正电极(5)并下表面覆着负电极(4)的PVDF压电薄膜(3)；壳体(1)为中空立方体下表面经过加工为上凹弧形的壳体，下表面弧度大于待测材料的瑞利角的两倍；所述PVDF压电薄膜(3)紧密连接在壳体(1)下表面，呈与下表面弧度一致的上凹弧形，其负电极(4)与壳体(1)内壁粘接，其正电极(5)通过正极引线(7)与安装于壳盖(2)的射频插座(9)正极连接，背衬层(6)浇铸于压电薄膜(3)上。本实用新型能实现对材料力学性能的评价和各向异性的分析。

Description

一种线聚焦PVDF压电薄膜超声探头
技术领域：
一种采用PVDF压电薄膜为换能元件的线聚焦超声探头，用于纵波波速及漏表面波波速的测量，进而实现对材料力学性能的评价和各向异性的分析，属于无损检测技术领域。
背景技术：
随着科学技术的发展，材料科学的发展日新月异，各种新材料的研究和制备技术受到广泛的关注，而对于材料力学性能的测量和分析也愈加重要。由于新材料本身特性以及制备工艺的影响，有些材料能制备出的尺寸往往有限，例如纳米材料，从而使得对其力学性能的测量无法采用传统方法，如人们熟知的测量材料弹性常数的拉伸破坏试验方法；另外，由于特殊的制备工艺所致，往往所制备的材料，其力学性能还具有各向异性的特征。因此，对这些材料力学性能的测量和分析，需要寻求新的手段来解决。
因为超声波在材料中传播的波速受材料的杨氏模量及泊松比这两个弹性常数影响并呈函数关系，所以通过测量超声波在材料中的传播速度来间接测量材料的弹性常数的方法为小尺寸材料力学性能评价提供了一个新的途径，如果能测得材料中纵波波速及表面波波速，那么就可以推导出材料的杨氏模量和泊松比这两个参数。
单独测量纵波波速可以采用已有的纵波直探头脉冲回波法，但这种方法无法测量表面波波速。在已有的超声检测技术中，超声显微镜技术能够提供一种测量表面波波速的方法，这种技术的基本原理是采用传统压电材料(如压电陶瓷、石英晶体)作为换能部件激励超声波而在换能器件前加球面聚焦声透镜，利用声透镜将超声波聚焦为一点，通过改变聚焦点与材料表面的距离，测量回波幅度的变化。随聚焦点与材料表面距离的改变，回波幅度会呈现周期性的变化，得到的曲线称为V(z)曲线，这种周期性的变化是由于材料表面产生的漏表面波和纵波之间的干涉而产生的。通过测量V(z)曲线的周期性变化，可进而测得表面波波速。
但是超声显微镜是为对材料内部特性进行高分辨率成像而设计，其主要目的是研究材料内部不同点的力学性能差异，其侧重点在于研究材料的微观特性，优点在于其高分辨率，其结构特点为均采用传统的压电陶瓷或压电晶体为换能元件，通过球面声透镜将超声波聚焦为点，孔径较小，设备复杂而昂贵，且无法用于对材料的各向异性的分析。而对于材料弹性常数的测量及各向异性的分析，往往更关心材料的宏观特性，高分辨率并不是必须的，因此，针对小尺寸材料弹性常数测量及各向异性分析，设计一种简单实用的专用探头对于材料力学性能的评价很有必要。
目前在超声检测技术领域，尚无用于测量表面波波速的专用探头，通常的超声探头都是用于无损探伤，探头一般包括外壳、换能元件、背衬层、插座几个主要部分，换能元件通常采用压电陶瓷或压电晶体。
发明内容：
本发明的目的是研制一种大口径柱面线聚焦PVDF超声探头，通过测量材料表面波波速和纵波波速，进而测量材料的弹性常数(杨氏模量和泊松比)，能够应用于材料力学性能的分析与评价，及各向异性的分析。
一种线聚焦PVDF压电薄膜超声探头，如图1所示，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；其特征在于：所述的压电元件为上表面覆着正电极5并下表面覆着负电极4的PVDF压电薄膜3；壳体1为中空立方体下表面经过加工为上凹弧形的壳体，下表面弧度大于待测材料的瑞利角的两倍；所述PVDF压电薄膜3紧密连接在探头下表面，呈与下表面弧度一致的上凹弧形，其负电极4与壳体1内壁粘接，其正电极5通过正极引线7与安装于壳盖2的射频插座9正极连接，背衬层6浇铸于压电薄膜3上。
上述采用的PVDF压电薄膜厚度小于50μm，长度大于20mm。
本探头为超声发射接收一体探头，采用通用的脉冲激励接收装置激励，使用时须水浸耦合。本探头针对材料弹性常数声学测量时域波形分析方法而设计，结构简单，制作方便，成本低廉，能够同时测量材料表面波波速和纵波波速。
附图说明：
附图1：探头结构示意图
1、壳体，2、壳盖，3、PVDF压电薄膜，4、负电极，5、正电极，6、背衬层，7、正极引线，8、铜箔，9、射频插座，10、沉头螺钉
附图2：探头应用系统原理图
11、探头，12、水，13、材料试块，14、脉冲发射接收仪，15、示波器，16、计算机下面结合附图对具体实施方式及应用进行详细说明。
具体实施方式：
本探头壳体1及壳盖2采用不锈钢材料加工，壳体1设计为34×20×26mm(长×宽×高)矩形上下贯通壳体，壁厚2mm，上端平齐，两个侧面(宽度)底端平齐，另外两个相对侧面底端加工成圆弧形。因为探头的聚焦参数取决于压电薄膜3的弧度，而对于本探头来说，探头制作完成后压电薄膜的弧度取决于探头壳体的弧度，所以探头壳体圆弧端弧度大小要根据所需的聚焦孔径角来设计。聚焦孔径角的确定主要是要考虑表面波的产生，根据声学理论，表面波是当入射角等于材料的瑞利角时产生并沿材料表面传播的波，所以，要使探头产生的声波在材料表面产生表面波，就需要探头的半孔径角下限要大于待测材料的瑞利角；而如果弧度过大，会增加探头制作难度，同时会使表面波传播路径变短，不利于波形分析。根据超声波入射不同材料时的瑞利角数据，探头的孔径角应在60°～80°范围内。在探头实际设计中采用孔径角为70°。
PVDF压电薄膜3作为压电换能元件，起着超声波产生与接收的双重作用，为本探头的最重要元件，其性能优劣直接决定探头功能的好坏。设计中主要须考虑的参数是压电薄膜的厚度及覆于其表面的电极形状尺寸。不同厚度的压电薄膜其固有的中心频率亦不相同，压电薄膜越厚，其中心频率也就越低，导致探头整体中心频率降低，降低测量测量分辨率，对于本探头来说，要使测量精度得到保证，探头中心频率应该在5MHz以上，要达到此要求，所用压电薄膜厚度应小于50μm。本探头测量表面波波速是通过波形时域分析的方法，所以要求表面波传播的时间足够长，故要求探头口径不能过小，即要求压电薄膜长度不能太小，应设计长度在20mm以上。理论上说，在条件允许的情况下，压电薄膜的厚度越小越好，但因为压电薄膜为外购元件，厚度及电极形状尺寸局限于厂商产品的具体情况，所以只能在满足要求的情况下适当选取。本探头所选用的压电薄膜厚度为28μm，电极尺寸为30×12mm。
PVDF压电薄膜为很薄的薄膜材料，耐高温性能有限，一般不能超过100℃，所以电极导线与压电薄膜表面电极的连接不能采用常规的焊接方法。在目前其它种类压电薄膜传感器的制作中，电极引线多采用机械固定的方式连接，如铆接。本探头结构决定电极引线处不能占有过大空间，同时又要考虑压电薄膜与壳体的固定问题，故机械固定方法不适用。本探头采用了导电胶粘接的方法。导电胶具有使用方便的特点，但也有其不足之处，主要就是粘接的牢固性及导电性能是否良好。若电极引线端直接与电极粘接，是点与面的粘接，其牢固性和导电可靠性不能得到充分保证。本探头所用压电薄膜上下表面均覆有电极，实际设计中压电薄膜一端向上弯折一段后弯折段负电极与壳体一个底端平直侧面内壁以导电胶粘接，以一焊有漆包线的铜箔8粘接于弯折段内侧的正电极构成正极引线7，提高了连接的可靠性。
当压电元件受到电脉冲激励时，它不但向前方辐射声能，而且还向后方辐射。来自前方的回波信号中包含着被检材料的信息，但是从后面反射来的干扰杂波增加了接收信号的复杂性，给实际检测带来了很大困难，这一部分杂波信号需要消除，因此在超声探头设计中需要设计背衬层；此外，如果没有背衬层，压电元件受电激励而振动，当电脉冲停止激励后，压电元件却不会立即停止振动，而是要持续一段时间后才会停止。这样，脉冲-回波持续时间也会很长，使探头的分辨力下降。背衬层的另外一个作用就是使激励脉冲停止后，压电元件能瞬间停振，这样接收到的脉冲宽度比较小，可以提高探头的分辨力。在本探头中，背衬层6还起到另外一个重要作用，那就是压电薄膜的固定作用。
本探头背衬采用环氧树脂和钨粉混合固化剂按公知技术配制，使用的是WSR6101环氧树脂和T31环氧树脂固化剂。正电极引线7采用Φ0.2漆包线，探头的激励及接收信号通过射频插座9与其他仪器连接，壳体1与壳盖2通过沉头螺钉10固定，螺钉安装时涂硅橡胶以防水。
探头在实际应用中与其它仪器组成测量系统，如附图2所示，脉冲发射接收仪发出激励脉冲使探头产生超声脉冲，经水耦合入射材料表面产生表面波并反射回探头被接收，波形经示波器显示，数据由计算机采集进行后续处理。
因为本线聚焦PVDF压电薄膜超声探头用于材料表面波波速测量是一种无损检测方法，不同于传统的拉伸试验，其测量原理决定了探头用于小尺寸材料弹性常数测量的可行性；探头为线聚焦探头，本身具有聚焦的方向性，故能用于材料各向异性的分析。

Claims (2)

1、一种线聚焦PVDF压电薄膜超声探头，包括有压电元件、浇铸于压电元件上的背衬层，由壳体和壳盖组成的外壳；其特征在于：所述的压电元件为上表面覆着正电极(5)并下表面覆着负电极(4)的PVDF压电薄膜(3)；壳体(1)为中空立方体下表面经过加工为上凹弧形的壳体，下表面弧度大于待测材料的瑞利角的两倍；所述PVDF压电薄膜(3)紧密连接在壳体(1)下表面，呈与下表面弧度一致的上凹弧形，其负电极(4)与壳体(1)内壁粘接，其正电极(5)通过正极引线(7)与安装于壳盖(2)的射频插座(9)正极连接，背衬层(6)浇铸于压电薄膜(3)上。
2、根据权利要求1所述的一种线聚焦PVDF压电薄膜超声探头，上述采用的PVDF压电薄膜(3)厚度小于50μm，长度大于20mm。
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