專利名稱：一種用于各向異性材料蘭姆波波速測(cè)量的線聚焦超聲探頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于各向異性材料漏蘭姆波波速檢測(cè)的超聲換能器，屬于聲學(xué)換能器技術(shù)領(lǐng)域，其作用是把激勵(lì)源產(chǎn)生的脈沖電信號(hào)轉(zhuǎn)換為壓電薄膜的振動(dòng)從而產(chǎn)生超聲信號(hào)，同時(shí)接收被測(cè)試樣的反射回波，并將超聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。通過(guò)對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行分析來(lái)了解被測(cè)材料的波動(dòng)特性，反演出材料的機(jī)械性能。
背景技術(shù)：
材料性質(zhì)無(wú)損檢測(cè)的專用換能器是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的關(guān)鍵，眾多學(xué)者都在應(yīng)用于材料性質(zhì)檢測(cè)的聚焦式換能器研制方面做了卓有成效的工作。從早期對(duì)應(yīng)用于超聲成像的鏡頭式ZnO、PZT或LiNbO3等壓電薄膜聚焦換能器進(jìn)行改良，獲得應(yīng)用于材料性質(zhì)檢測(cè)的大張、角換能器，到采用PVDF壓電薄膜的無(wú)鏡頭式聚焦換能器，其制作エ藝的發(fā)展使材料性質(zhì)檢測(cè)的范圍不斷擴(kuò)大。但使用ΖηΟ、ΡΖΤ或LiNbO3等壓電材料作為激勵(lì)/接收元件時(shí)，需要制作ー個(gè)非常精密的石英或藍(lán)寶石鏡頭，受限于其材料昂貴、制作困難，且激振元件與鏡頭之間聲學(xué)阻抗不匹配等因素，導(dǎo)致傳統(tǒng)顯微鏡大多操作在窄頻或單ー頻率下，而且鏡頭與水的聲學(xué)阻抗也相差很大，會(huì)造成能量傳輸效率的降低，因此傳統(tǒng)的鏡頭式換能器并未得到普及。PVDF在被證實(shí)具有壓電性之后，其較低的聲學(xué)阻抗，良好的可撓性使無(wú)鏡頭式換能器成為了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究重點(diǎn)。近年來(lái)，PVDF的共聚物，例如P(VDF-TrFE)高分子聚合物，由于其良好的壓電特性，被廣泛的用作超聲換能器的激勵(lì)/接收元件。純PVDF的壓電特性雖然很好，但是在極化的過(guò)程中需要進(jìn)行單向或雙向拉伸，這樣直接限制了其與其它元器件進(jìn)行集成的能力，而且由于需要拉伸極化，PVDF薄膜的厚度被限制在10 μ m以上，使制成的換能器頻率相對(duì)較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于漏蘭姆波波速檢測(cè)的線聚焦式超聲換能器，可將激勵(lì)/接收統(tǒng)ー在一個(gè)換能器中，實(shí)現(xiàn)對(duì)各向異性薄板材料蘭姆波波速的測(cè)量，具有中心頻率高、頻帶寬、信噪比高等優(yōu)點(diǎn)，完全可以滿足實(shí)驗(yàn)分析的需要。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明包含了如下部件接頭I、金屬?gòu)椈?、上金屬外殼3A、下金屬外殼3B、絕緣套筒4、背襯5、絕緣膠6、壓電薄膜7、蒸鍍電極8及位于上金屬外殼3A頂端的凸臺(tái)9，換能器的整體裝配外觀如圖I所示，剖面如圖2與圖3所示。背襯5位于空心圓柱型絕緣套筒4的內(nèi)部且同軸，圓柱形背襯5的上表面有ー個(gè)半徑為R，張角為Θ的凹柱面，凹柱面的中心軸線與圓柱體背襯的軸線在同一平面內(nèi)，凹柱面上覆蓋ー層厚度為h的壓電薄膜7，壓電薄膜7邊緣的上表面與絕緣套筒4的上端面齊平，且壓電薄膜7邊緣的上表面與絕緣套筒4的上端面覆蓋有絕緣膠6，中心凹柱面上壓電薄膜7的上表面與絕緣膠6的上表面覆蓋有蒸鍍電極8，絕緣套筒4位于空心圓柱形上金屬外殼3A的內(nèi)部且同軸，上金屬外殼3A與下金屬外殼3B同軸,下金屬外殼3B通過(guò)螺紋旋入上金屬外殼3A,接頭I的上部有一個(gè)凸起的公頭，公頭部分套有金屬?gòu)椈?，彈簧的兩端分別與背襯5與接頭I接觸，接頭I固定在空心圓柱形下金屬外殼3B內(nèi)，壓緊的彈簧使蒸鍍電極8邊緣的上表面與凸臺(tái)9的內(nèi)表面接觸。如圖4所示，上述過(guò)程中制作的壓電薄膜，厚度為h = 10-50 μ m ;上述過(guò)程中背襯凹柱面的張角可為Θ = 60-120°，半徑為R = 10-25_。本換能器為激勵(lì)/接收一體換能器，采用通用的脈沖激勵(lì)/接收裝置進(jìn)行激勵(lì)/接收，使用時(shí)需進(jìn)行水浸耦合，系統(tǒng)如圖5所示，包括四軸移動(dòng)平臺(tái)9、運(yùn)動(dòng)控制卡10、嵌入式控制器11、示波器12、脈沖激勵(lì)/接收儀13以及制成的換能器14與試樣15。


圖I是本發(fā)明整體裝配示意圖；圖2是本發(fā)明整體裝配剖面示意圖；圖3是本發(fā)明壓電局部剖面示意圖；圖4是本發(fā)明背襯、套筒、壓電薄膜與電極示意圖；圖5測(cè)試系統(tǒng)示意圖；圖6換能器測(cè)試結(jié)果圖。
具體實(shí)施例方式以張角為Θ =90°，聚焦半徑為R= IOmm的換能器為實(shí)例對(duì)具體的實(shí)施方式進(jìn)行詳述。如圖I所不,該換能器包括接頭I、金屬?gòu)椈?、上金屬外殼3A、下金屬外殼3B、絕緣套筒4、背襯5、絕緣膠6、P (VDF-TrFE)壓電薄膜7、蒸鍍電極8等。背襯作為P (VDF-TrFE)壓電薄膜7的支撐結(jié)構(gòu)與負(fù)極，需要對(duì)其進(jìn)行精加工，所制作的凹柱面位于圓柱體的上表面，凹柱面的中心軸線與圓柱體背襯的軸線在同一平面內(nèi)，凹柱面的弧度與張角決定了P(VDF-TrFE)壓電薄膜的弧度與張角，通過(guò)對(duì)凹柱面進(jìn)行精細(xì)研磨，使其表面達(dá)到鏡面等級(jí)，粗糙度Ra < O. 2 μ m。在制作完成的凹柱面上制備厚度為10-12 μ m的高分子壓電薄膜，待薄膜完全固化之后將背襯插入絕緣套筒中，使具有壓電薄膜的一端與套筒的一端齊平，然后使用絕緣膠將兩者粘接在一起，起到固定的作用，同時(shí)起到隔離背襯(正扱)與銅外殼(負(fù)極)的目的。待絕緣膠凝固之后，在P(VDF-TrFE)壓電薄膜的表面蒸鍍ー層金屬電極，該金屬層通過(guò)與銅外殼的機(jī)械式接觸形成電氣連接作為負(fù)扱，同時(shí)起到屏蔽的功能。將上下兩個(gè)金屬外殼3A與3B旋緊，并將UHF接頭搭配金屬?gòu)椈尚霌Q能器，完成換能器的裝配，然后通過(guò)高壓極化裝置對(duì)P(VDF-TrFE)壓電薄膜進(jìn)行極化，使其具有壓電效應(yīng)，背襯凹柱面的低粗糙度將降低極化過(guò)程中的尖端放電效應(yīng)，提高極化成功率。使用長(zhǎng)方體型碳化鶴作為反射體(試樣)，其尺寸為40mmX40mmX IOmm,研制的換能器在聚焦面的脈沖時(shí)域信號(hào)與頻域信號(hào)如圖6所示，換能器的中心頻率可達(dá)5MHz，-6dB帶寬約為10MHz，信噪比很高。該換能器針對(duì)各向異性漏蘭姆波波速測(cè)量而設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方便，由測(cè)試結(jié)果可以看出其能夠勝任測(cè)量的需要。權(quán)利要求
1. 一種用于各向異性材料蘭姆波波速測(cè)量的線聚焦超聲探頭，其特征在于該換能器包含了如下部件接頭(I)、金屬?gòu)椈?2)、上金屬外殼(3A)、下金屬外殼(3B)、絕緣套筒(4)、背襯(5)、絕緣膠(6)、壓電薄膜(7)、蒸鍍電極(8)及位于上金屬外殼(3A)頂端的凸臺(tái)(9)， 背襯(5)位于空心圓柱型絕緣套筒(4)的內(nèi)部且同軸，圓柱形背襯(5)的上表面有一個(gè)半徑為R，張角為Θ的凹柱面，凹柱面的中心軸線與圓柱體背襯的軸線在同一平面內(nèi)，凹柱面上覆蓋ー層厚度為h的壓電薄膜(7)，壓電薄膜(7)邊緣的上表面與絕緣套筒(4)的上端面齊平，且壓電薄膜(7)邊緣的上表面與絕緣套筒(4)的上端面覆蓋有絕緣膠￠)，中心凹柱面上壓電薄膜(7)的上表面與絕緣膠￠)的上表面覆蓋有蒸鍍電極(8)，絕緣套筒(4)位于空心圓柱形上金屬外殼(3A)的內(nèi)部且同軸,上金屬外殼(3A)與下金屬外殼(3B)同軸，下金屬外殼(3B)通過(guò)螺紋旋入上金屬外殼(3A)，接頭(I)的上部有一個(gè)凸起的公頭， 公頭部分套有金屬?gòu)椈?2)，彈簧的兩端分別與背襯(5)與接頭(I)接觸，接頭(I)固定在空心圓柱形下金屬外殼(3B)內(nèi)，壓緊的彈簧使蒸鍍電極(8)邊緣的上表面與凸臺(tái)(9)的內(nèi)表面接觸，上述壓電薄膜，厚度為h = 10-50 μ m;上述凹柱面的張角為Θ = 60-120°，半徑為 R = 10_25mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于各向異性材料蘭姆波波速測(cè)量的線聚焦超聲探頭，屬于聲學(xué)換能器技術(shù)領(lǐng)域，其作用是把激勵(lì)源產(chǎn)生的脈沖電信號(hào)轉(zhuǎn)換為壓電薄膜的振動(dòng)從而產(chǎn)生超聲信號(hào)，同時(shí)接收被測(cè)試樣的反射回波，并將超聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。本發(fā)明采用壓電高分子聚合物作為激勵(lì)接收元件，接頭、金屬?gòu)椈?、上金屬外殼、下金屬外殼、絕緣套筒、背襯、絕緣膠、蒸鍍電極等即可產(chǎn)生中心頻率為5MHz的超聲信號(hào)。其在極化過(guò)程中不需要進(jìn)行拉伸操作，大大降低了極化難度。本發(fā)明具有散焦距離長(zhǎng)、頻帶寬、信噪比高等優(yōu)點(diǎn)，完全可以滿足實(shí)驗(yàn)分析的需要。
文檔編號(hào)G01N29/24GK102721750SQ20121015212
公開(kāi)日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2012年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月16日
發(fā)明者何存富, 呂炎, 吳斌, 宋國(guó)榮, 柳艷麗, 高忠陽(yáng) 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)