CN201034982Y - 一种双层pvdf压电薄膜线聚焦超声探头 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种双层PVDF压电薄膜线聚焦超声探头，属于无损检测技术领域。包括有探头外壳、激励用压电元件、接收用压电元件、保护层、激励接收耦合层、背衬层、激励信号输入通道和接收信号输出通道。所述的激励用压电元件为上表面附着激励用压电元件负电极(11)并下表面附着激励用压电元件正电极(12)的激励用PVDF压电薄膜(14)；所述的接收用压电元件为上表面附着接收用压电元件正电极(9)并下表面附着接收用压电元件负电极(10)的接收用PVDF压电薄膜(7)。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，可以同时测量材料表面波波速和纵波波速，信号信噪比高，测量盲区小。
Description
技术领域：
一种采用双层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，属于无损检测技术领域。
背景技术：
材料科学发展迅速，各种新型材料不断涌现，许多材料表现出超常的力学性能，如：纳米铜或钯的块体材料其硬度比常规材料提高50倍，屈服强度提高12倍；纳米碳化硅的断裂韧性比常规材料提高100倍；纳米铁多晶体的断裂强度比常规铁高12倍；纳米铜离子密堆的铜片，具有惊人的超延展性，达到5100％，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。
声学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线聚焦探头对于材料力学性能的评价很有必要。
专利ZL.2005200053518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。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研制一种双层PVDF压电薄膜线聚焦超声探头，分别通过专用的激励层和接收层，产生和接收超声信号，可以用于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)，克服单层PVDF薄膜线聚焦探头测量盲区大的缺点，在探头与被测试件相距较近时仍然获得较好的实验效果。
一种双层PVDF压电薄膜线聚焦超声探头，如图1所示，探头包括有探头外壳、激励用压电元件、接收用压电元件、保护层、激励接收耦合层、背衬层、激励信号输入通道和接收信号输出通道。
其特征在于：
所述的探头外壳为中空立方体下表面经过加工为上凹弧形的壳体6顶部配合壳盖3组成；
所述的激励用压电元件为上表面附着激励用压电元件负电极11并下表面附着激励用压电元件正电极12的激励用PVDF压电薄膜14；
所述的接收用压电元件为上表面附着接收用压电元件正电极9并下表面附着接收用压电元件负电极10的接收用PVDF压电薄膜7；
所述壳体6下表面弧度大于待测材料的瑞利角的两倍；
所述激励用PVDF压电薄膜14紧密粘附在壳体6下表面，呈与壳体6下表面弧度一致的上凹弧形；
所述激励接收耦合层8紧密粘附在激励用PVDF压电薄膜14上表面，呈与激励用压电薄膜14上表面弧度一致的上凹弧形；
所述接收用PVDF压电薄膜7紧密粘附在激励接收耦合层8上表面，呈与激励接收耦合层8上表面弧度一致的上凹弧形；
所述保护层13紧密附着于激励用PVDF压电薄膜14下表面，呈与激励用PVDF压电薄膜14下表面弧度一致的上凹弧形；
所述激励信号输入通道由激励信号输入通道的信号正极通路和激励信号输入通道的信号负极通路组成；
所述激励信号输出通道由激励信号输出通道的信号正极通路和激励信号输出通道的信号负极通路组成；
所述激励信号输入通道的信号正极通路由激励用压电元件正电极12、激励用压电元件正电极引线17、激励信号输入插座1正极连接而成；
所述激励信号输入通道的信号负极通路由激励用压电元件负电极11、激励用压电元件负电极引线16、激励信号输入插座1负极连接而成；
所述接收信号输出通道的信号正极通路由接收用压电元件正电极9、接收用压电元件正电极引线5、接收信号输出插座2正极连接而成；
所述接收信号输出通道的信号负极通路由接收用压电元件负电极10、接收用压电元件负电极引线4、接收信号输出插座2负极连接而成；
所述背衬层15浇铸于接收用PVDF压电薄膜7上。
上述采用的PVDF压电薄膜厚度小于100μm，长度大于20μm。
本探头为超声发射接收双通道探头，采用通用的脉冲激励接收装置激励接收信号，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，可以同时测量材料表面波波速和纵波波速，信号信噪比高，测量盲区小。
附图说明：
附图1：探头结构示意图
1、激励信号输入插座，2、接收信号输出插座，3、壳盖，4、接收用压电元件负电极引线，5、接收用压电元件正电极引线，6、壳体，7、接收用PVDF薄膜，8、激励接收耦合层，9、接收用压电元件正电极，10、接收用压电元件负电极，11、激励用压电元件负电极，12、激励用压电元件正电极，13、保护层，14、激励用PVDF薄膜，15、背衬层，16、激励用压电元件负电极引线，17、激励用压电元件正电极引线，18、沉头螺钉
附图2：探头应用系统原理图
19、探头，20、水，21、材料试块，22、脉冲发射接收仪，23、示波器，24、计算机
具体实施方式：
本实用新型的具体技术方案参见图1。
本探头壳体6及壳盖3采用不锈钢材料加工，壳体6设计为35×20×30mm(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14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72°。
PVDF压电薄膜14和PVDF压电薄膜7作为压电换能元件，两者为同一型号的器件，分别发挥其逆压电效应和正压电效应，起着超声波产生与接收的作用，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。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，弯折段正电极与正极引线粘接，弯折段负电极与负极引线粘接。
激励接收耦合层8位于激励用PVDF压电薄膜14和接收用PVDF压电薄膜7之间，用来将两片独立的压电薄膜粘接在一起。此层由厚度小于0.5mm的硅橡胶制成。
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。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。
电极引线采用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。
本探头保护层13采用防水漆料喷涂于激励用PVDF压电薄膜14下表面制成。
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)
1.一种双层PVDF压电薄膜线聚焦超声探头，包括有探头外壳、压电元件、保护层、背衬层、信号通道；所述的探头外壳为中空立方体下表面经过加工为上凹弧形的壳体(6)顶部配合壳盖(3)组成，壳体(6)下表面弧度大于待测材料的瑞利角的两倍，其特征在于：所述的压电元件分为激励用压电元件、接收用压电元件，信号通道分为激励信号输入通道和接收信号输出通道，还包括激励接收耦合层；
所述的激励用压电元件为上表面附着激励用压电元件负电极(11)并下表面附着激励用压电元件正电极(12)的激励用PVDF压电薄膜(14)；
所述的接收用压电元件为上表面附着接收用压电元件正电极(9)并下表面附着接收用压电元件负电极(10)的接收用PVDF压电薄膜(7)；
所述的激励用PVDF压电薄膜(14)紧密粘附在壳体(6)下表面，呈与壳体(6)下表面弧度一致的上凹弧形；
所述激励接收耦合层(8)紧密粘附在激励用PVDF压电薄膜(14)上表面，呈与激励用压电薄膜(14)上表面弧度一致的上凹弧形；
所述接收用PVDF压电薄膜(7)紧密粘附在激励接收耦合层(8)上表面，呈与激励接收耦合层(8)上表面弧度一致的上凹弧形；
所述保护层(13)紧密附着于激励用PVDF压电薄膜(14)下表面，呈与激励用PVDF压电薄膜(14)下表面弧度一致的上凹弧形；
所述激励信号输入通道由激励信号输入通道的信号正极通路和激励信号输入通道的信号负极通路组成；
所述激励信号输出通道由激励信号输出通道的信号正极通路和激励信号输出通道的信号负极通路组成；
所述激励信号输入通道的信号正极通路由激励用压电元件正电极(12)、激励用压电元件正电极引线(17)、激励信号输入插座(1)正极连接而成；
所述激励信号输入通道的信号负极通路由激励用压电元件负电极(11)、激励用压电元件负电极引线(16)、激励信号输入插座(1)负极连接而成；
所述接收信号输出通道的信号正极通路由接收用压电元件正电极(9)、接收用压电元件正电极引线(5)、接收信号输出插座(2)正极连接而成；
所述接收信号输出通道的信号负极通路由接收用压电元件负电极(10)、接收用压电元件负电极引线(4)、接收信号输出插座(2)负极连接而成；
所述背衬层(15)浇铸于接收用PVDF压电薄膜(7)上。
2.根据权利要求1所述的一种双层PVDF压电薄膜线聚焦超声探头，其特征在于：采用的PVDF压电薄膜厚度小于100μm，长度大于20μm。
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