SE447693B - Ultraljudsdetektor for omvandling av ultraljudssignaler till elektriska signaler - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 447g69s 2 givaren samt i vissa fall även den akustiska signalens utseende (Lewin 1891, Ultrasonics sep pp 213-216).

Nackdelen med mikroprobar har hittills varit, att ~ de är svåra att tillverka. Detta beror på att den aktiva ytan på mätproben skall vara liten samt att det är svårt .f att undvika inre svängningar och reflektioner i proben.

Det senare måste undvikas för att den akustiska signalfo- men skall kunna registreras. Dessutom krävs mycket god elektrisk skärmning av proben för att mätresultatet ej skall störas av kapacitiv koppling av excitationssigna- len till mätproben. Normalt används för sådana probar ett piezoelektriskt material, som är belagt med elek- troder av t ex nickel eller aluminium på båda sidorna.

Den ovan nämnda nackdelen hos sådana probar ger svåra isolerings- och anslutningsproblem på grund av den dubbel- sidiga beläggningen.

Enligt uppfinningen elimineras dessa nackdelar vid en ultraljudsdetektor av inledningsvis angivet slag genom att detektormaterialet utgöres av en piezoelektrisk film med ett tunt elektriskt ledande skikt på enbart sin ena sidoyta samt att filmens andra sidoyta är appli- cerad mot och täcker mer än hela ändytan av en elektrod, som medelst ett isolerande material är fixerad i en elektriskt ledande skärm med nämnda ändyta belägen i en öppning i skärmen, som är elektriskt ansluten till filmens ledande skikt.

I det följande beskrivs en ny konstruktion av en mikroprob där ovannämnda nackdelar har eliminerats genom användning av en ensidigt belagd piezoelektrisk film.

Proben har trots sin enkla uppbyggnad hög känslighet och bra elektrisk skärmning samtidigt som inre svängningar och reflektioner är minimerade. Dessutom har konstruk- tionen den fördelen, att den aktiva ytan kan göras mycket liten utan att tillverkningen blir mera komplicerad.

På ritningrna visar fig l en förstorad del av mikro- probens grundutförande, fig 2 hela grundutförandet av proben, fig 3 ett alternativt utförande av proben. fig e 10 15 20 25 30 35 447 693 3 4 ett alternativt utförande med flera elektroder, samt fig 5 ett alternativt utförande med 360° känslighets- område.

I fig l visas ett exempel på hur mikroproben eller ultraljudsdetektorn kan vara utformad enligt uppfinningen.

Ett aktivt material 1 är en diskformad skiva, som består av en piezoelektrisk film, exempelvis plastfilmen PVDF (polyvinyldiflourid). Normalt belägga denna plastfilm med ett elektriskt ledande skikt på båda sidorna, mellan vilka skikt en elektrisk signal registreras, då plastfilmen utsätts för en akustisk signal.

Plastfilmen l är emellertid i detta fall endast belagd med ett elektriskt ledande skikt 2 på framsidan.

Den andra sidan av plastfilmen l är fäst med ett tunt limskikt 3 mot en anordning, vilken består av en metall- hylsa 4, en metallstav 5 och en härd men samtidigt porös och elektriskt isolerande hylsa 6. Den porösa hylsan 6 centrerar metallstaven 5 i metallhylsan 4 och fungerar dessutom som stöd för plastfilmen l mellan metallhylsan 4 och metallstaven 5. Den aktiva ytan A motsvarar den del av den piezoelektriska plastfilemn 1 som täcks av ändytan på metallstaven 5. Metallstaven kommer nämligen att fungera som en elektrod på baksidan av filmen. Metall- skiktet 2 på framsidan ansluts elektriskt till metall- hylsan 4 med hjälp av ledande lack 7. Slutligen ansluts den andra änden av metallhylsan 4 och metallstaven 5 till en koaxialkabel 8 enligt fig 2. Den del av en akustisk signal som träffar den aktiva ytan A kan därmed registreras som en elektrisk signal i slutänden på koaxialkabeln.

Det bör observeras, att den piezoelektriska filmen ej nödvändigtvis behöver täcka ändytan på metallhylsan 4. Det räcker med att filmen täcker elektroden 5 samt delar av den isolerande hylsan 6, så att man inte riskerar att få elektrisk kontakt mellan elektroden 5 och det elektriskt ledande skiktet 2.

Fördelarna med denna nya konstruktion är många.

Metallskiktet 2, den ledande lacken 7 och metallhylsan 10 l5 20 25 30 35 447 695 4 4 ger en utmärkt elektrisk skärmning. Den aktiva ytan A bestäms till sin storlek endast av ändytan på metall- staven 5 och kan därför göras liten utan att göra tillverk- ningen av proben mera komplicerad. Värdet på plastfilmens akustiska impedans (densitet x ljudhastighet) ligger nära värdet pâ undersökningsmediets (vatten) akustiska impedans. Detta ger en bra transmission av den akustiska signalen in i plastfilmen 1 och därmed goda möjligheter för hög känslighet. Efter transmission genom plastfilmen reflekteras den största delen av den akustiska signalen tillbaka från gränsytan mellan plastfilmen l och metall- staven 5. Detta beror på att metallstaven har ett nära nog 10 ggr högre värde på den akustiska impedansen än plastfilmen. Den inkommande och den reflekterade signalen kommer att interferera och därmed påverka probens käns- lighet. I det beskrivna fallet sker en reflektion mot en högre impedans (metallstaven) vilket inte ger någon fasändring av den reflekterade signalen jämfört med den inkommande signalen. Vidare väljs plastfilmens tjock- lek liten (<1/l0A) i förhållande till den akustiska signalens våglängd i plastfilmen. Detta betyder, att den del av den inkommande och den reflekterade signalen som samtidigt befinner sig i plastfilmen kommer att samverka ooh öka känsligheten. Jämfört med ett fall, där man inte får reflektion mellan plastfilmen och bakom- varande material, ökas känsligheten nära nog med en faktor 2. Det bör här tilläggas, att metallskiktet 2 och limskiktet 3 är mycket tunna i jämförelse med plast- filmen och ej påverkar den akustiska signalen.

Den del av den akustiska energin som trots allt passerar in i metallstaven 5 kan ge icke önskvärda interna störekon. Dessa har emellertid eliminerats genom att slutändan av metallstaven 5 har formen av en kon. Alter- nativtkanljudenergin i staven dämpas ut på andra kända sätt, t ex genom att en dämpmassa anbringas eller genom att staven tillverkas av ett elektriskt ledande men absorberande material. 10 15 20 25 447 693 5 Vidare bör det poängteras, att proben är helt okäns- lig för akustiska signaler, som träffar metallhylsan 4 eller plastfilmen l runt det aktiva området A. Detta beror på att materialet innanför dessa delar (luft eller porös hylsa) har mycket låg akustisk impedans och hög absorption. Den akustiska signalen kommer därför att till allra största delen reflekteras, medan återstoden kommer att absorberas och ej nå metallstaven och därmed ej heller plastfilmens aktiva yta A.

Det skall betonas, att de utföringsformer av uppfin- ningen som visas i fig l och 2 endast är att betrakta som exempel på en tänkbar utformning av en mätanordning.

Alternativt kan t ex den piezoelektriska filmen täcka eller delvis täcka ett eller flera hål i en elektriskt ledande cylinder eller yta, såsom visas i fig 3 och 4, samt i varje hål vara i kontakt med en eller flera elektroder, som är isolerade från varandra och som separat kan anslutas via koaxialkabel eller andra kablar till ett lämpligt mätinstrument. Vidare kan elektroden ha många former såsom rund, sfärisk, rektangulär eller kombinationer av dessa. Ett exempel på detta visas i fig 5, där den piezoelektriska filmen l har applicerats runtkantengå den elektriskt ledande hylsan 4 och över den cirkulära elektroden 5, varvid probens känslighets- omrâde blir 360° i ett plan vinkelrätt mot hylsan 4.

Claims (1)

1. G\ 447 693 PATENTKRAV 1. Ultraljudsdetektor för omvandling av ultraljuds- signaler till elektriska signaler, k ä n n e t e c k -- n a d av att detektcrmaterialet utgöres av en piezo- elektrisk film (1) med ett tunt elektriskt ledande skikt (2) på enbart sin ena sidoyta samt att filmens andra sidoyta är applicerad mot och täcker mer än hela ändytan av en elektrod (5), som medelst ett isolerande material (6) är fixerad i en elektriskt ledande skärm (4) med nämnda ändyta belägen i en öppning i skärmen, som är elektriskt ansluten (7) till filmens ledande skikt. _2. Ultraljudsdetektor enligt patentkravet l, k ä n n e t e c k n a d därav, att det elektriskt iso- lerande materialet (6), som fixerar elektroden (5) i skärmen (4), överbryggar gapet i öppningen mellan den yttre änden av elektroden (5) och skärmen (4). 3. Ultraljudsdetektor enligt patentkravet l eller 2, k ä n n e t e c k n a d därav, att det elektriskt ledande skiktet (2) sträcker sig över hela öppningen. ß Ultraljudsdetektor enligt något av patentkraven l-3, k ä n n e t e c k n a d därav, att elektroden (5) är utformad som en stav. 5. Ultraljudsdetektor enligt något av-patentkraven l-4, k ä n n e t e c k n a d därav, att elektroden (5) består av ett akustiskt absorberande material med väsentligt högre akustisk impedans än den piezoelektriska filmens (1) impedans. 6. Ultraljudsdetektor enligt något av patentkraven 1-5, k ä n n e t e c k n a d därav, att den piezoelek- triska filmen (l) är limmad mot elektroden (5). 7. Ultraljudsdetektor enligt något av patentkraven 1-6, k ä n n e t e c k n a d därav, att skärmen (4) har flera öppningar med en separat elektrod (5) i varje öppning. _ 8. Ultraljudsdetektor enligt något av patentkraven 1-7, k ä n n e t e c k n a d därav, att skärmen (4) 447 693 7 och det tunna, elektriskt ledande skiktet (2) helt om- sluter elektroden (5) utom på det ställe där denna är ansluten till en kabel. 9. Ultraljudsdetektor enligt något av patentkraven l-6, k ä n n e t e c k n a d därav, att skärmen (4) I omsluter flera elektroder (5), vilkas ändytor är täckta av samma piezoelektriska film eller var sin piezoelektrisk film.