本發(fā)明涉及一種用于空氣耦合式超聲檢測(cè)的單弧面非貫通型氣體基線(xiàn)聚焦壓電傳感器，屬于聲學(xué)換能器技術(shù)領(lǐng)域，其作用是把激勵(lì)端產(chǎn)生的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為壓電材料的振動(dòng)進(jìn)而產(chǎn)生超聲波，同時(shí)接收從被測(cè)件反射回的聲波信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。整個(gè)激勵(lì)和接收過(guò)程均采用空氣耦合的方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)被測(cè)材料進(jìn)行非接觸檢測(cè)的目的。

背景技術(shù)：

在超聲波檢測(cè)中，利用耦合介質(zhì)進(jìn)行聲波耦合的方法占主導(dǎo)地位，但耦合介質(zhì)的使用會(huì)使耦合條件存在差異，對(duì)激勵(lì)、接收信號(hào)的幅值和相位有較大影響，并且耦合劑會(huì)使試樣受潮或變污，影響被測(cè)材料的性能和正常使用。另外，耦合劑的耦合效果在不同環(huán)境溫度條件下差異較大，會(huì)嚴(yán)重影響檢測(cè)效果。因此，非接觸式超聲檢測(cè)技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。目前，非接觸式超聲檢測(cè)技術(shù)主要有空氣耦合超聲檢測(cè)技術(shù)、電磁超聲檢測(cè)技術(shù)和激光超聲檢測(cè)技術(shù)，此三種方法均無(wú)需采用任何液體或固體耦合介質(zhì)即可直接在被測(cè)件中激勵(lì)出超聲波，而空氣耦合超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)設(shè)備和被測(cè)件的要求較低，解決了實(shí)驗(yàn)條件難以統(tǒng)一的問(wèn)題。

在空氣耦合檢測(cè)過(guò)程中，壓電敏感元件與空氣之間存在著高聲阻抗差，大大降低了能量傳輸效率。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)制作非貫通型氣體基壓電復(fù)合材料，使其等效聲阻抗能夠盡量與空氣接近，提高能量傳輸效率。除此之外，聲波在空氣中傳播時(shí)存在著較大的能量衰減，減少了傳播到被測(cè)件中的聲波能量，也大大減弱了傳感器接收到的聲能量的強(qiáng)度。為了解決這個(gè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)制作聚焦式傳感器，以實(shí)現(xiàn)聲能量的匯聚，提高傳播到被測(cè)件以及接收傳感器中的聲能量的強(qiáng)度。目前，常規(guī)的聚焦式傳感器是采用在壓電材料表面增加聲透鏡的方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)聲波的匯聚。由于在制作精密聲透鏡時(shí)，材料昂貴、加工困難，且激勵(lì)元件與透鏡之間的聲阻抗不匹配以及鏡頭與空氣之間的聲阻抗不匹配，導(dǎo)致了能量傳輸效率的下降，因此傳統(tǒng)的透鏡式聚焦傳感器不適用于空氣耦合超聲檢測(cè)。而以具有單弧面結(jié)構(gòu)的非貫通型氣體基壓電復(fù)合材料作為敏感元件制作的線(xiàn)聚焦式傳感器，既可以保證傳感器的低聲阻抗特性，又可以實(shí)現(xiàn)聲能量的聚焦，最終可適用到空氣耦合超聲檢測(cè)中。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提出一種單弧面非貫通型氣體基線(xiàn)聚焦空氣耦合傳感器，并將激勵(lì)/接收統(tǒng)一在一個(gè)傳感器中，實(shí)現(xiàn)非接觸檢測(cè)的目的。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明包含了如下部件：?jiǎn)位∶娣秦炌ㄐ蜌怏w基壓電復(fù)合材料1、上電極2、下電極3、阻抗匹配層4、背襯層5、阻抗匹配電路6、金屬外殼7、BNC接頭8。

傳感器的整體裝配圖如圖1所示，單弧面非貫通型氣體基壓電復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

整個(gè)傳感器的核心部件為單弧面非貫通型氣體基壓電復(fù)合材料1，單弧面非貫通型氣體基壓電復(fù)合材料1的上、下表面分別鍍有金屬電極上電極2、下電極3；背襯層5與上電極2粘結(jié)，阻抗匹配層4與下電極3粘接；上電極2、下電極3組成電極端；阻抗匹配電路6設(shè)置在背襯層5的頂部，阻抗匹配電路6與BNC接頭8連接并固定在金屬外殼7的頂部，上電極2與BNC接頭8的插針導(dǎo)通，下電極3與BNC接頭8的殼體導(dǎo)通。金屬外殼7用于封裝單弧面非貫通型氣體基壓電復(fù)合材料1、上電極2、下電極3、阻抗匹配層4、背襯層5、阻抗匹配電路6，且所有封裝部件在裝配時(shí)均與金屬外殼7同軸布置。

單弧面非貫通型氣體基壓電復(fù)合材料1為本傳感器的核心部件，該核心部件由壓電柱9和環(huán)氧樹(shù)脂支架11組成，壓電柱9在環(huán)氧樹(shù)脂支架11內(nèi)等間距布置，各壓電柱9之間以及各壓電柱9與環(huán)氧樹(shù)脂支架11之間填充有非貫通的空氣隙10。

壓電柱9的幾何結(jié)構(gòu)是橫截面為正方形的長(zhǎng)方體，如圖4所示，其橫截面邊長(zhǎng)為a＝0.5mm～2.5mm，高度為h＝5mm～25mm。

如圖3、圖6所示，環(huán)氧樹(shù)脂支架11是含有非貫通型空氣隙10的結(jié)構(gòu)，空氣隙10的兩端設(shè)有厚度均勻的環(huán)氧樹(shù)脂層，該環(huán)氧樹(shù)脂層厚度為r＝0.5mm～1mm；如圖2所示，單弧面非貫通型氣體基壓電復(fù)合材料1底部中間設(shè)有圓柱面，單弧面非貫通型氣體基壓電復(fù)合材料1整體橫截面邊長(zhǎng)為s＝10mm～40mm，邊緣高度f(wàn)＝5mm～25mm，圓柱面半徑為R＝2mm～30mm，張角為θ＝20°～100°，圓柱面長(zhǎng)度s＝10mm～40mm。

壓電柱9在環(huán)氧樹(shù)脂支架11內(nèi)等間距對(duì)稱(chēng)布置，結(jié)構(gòu)如圖3、圖5所示，斜線(xiàn)填充部分為壓電柱9，未填充部分為非貫通的空氣隙10，空氣隙10由正方形結(jié)構(gòu)和長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)組成，長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)的空氣隙10設(shè)置在各壓電柱9平面之間，正方形結(jié)構(gòu)的空氣隙10設(shè)置在各壓電柱9對(duì)角之間；長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)的空氣隙的長(zhǎng)度等于壓電柱9的截面邊長(zhǎng)a，寬度為b＝0.2mm～0.8mm，正方形結(jié)構(gòu)的空氣隙的邊長(zhǎng)等于b；每個(gè)重復(fù)單元中的支架寬度為c＝0.1mm～0.3mm。壓電復(fù)合材料的上電極2、下電極3的厚度均為50nm～500nm，阻抗匹配層4的厚度為3mm～8mm，背襯層5的厚度為10mm～30mm。

本發(fā)明以一種單弧面非貫通型氣體基壓電復(fù)合材料作為敏感元件，制作出具有線(xiàn)聚焦功能的空氣耦合傳感器，該傳感器具有聲阻抗低、能量傳輸效率高、聲能量集中等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1傳感器整體裝配圖；

圖2單弧面非貫通型氣體基壓電復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3壓電復(fù)合材料局部剖視俯視圖；

圖4壓電柱結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5壓電復(fù)合材料周期性結(jié)構(gòu)圖；

圖6壓電復(fù)合材料局部剖視正視圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖1-6，以張角θ＝90°，聚焦半徑R＝20mm的傳感器為實(shí)例對(duì)具體的實(shí)施方式作進(jìn)一步的說(shuō)明。這里選定壓電柱9的橫截面邊長(zhǎng)為a＝1.5mm，高度h＝15mm；環(huán)氧樹(shù)脂支架11的整體橫截面邊長(zhǎng)為s＝32.5mm，邊緣高度f(wàn)＝15mm，圓柱面長(zhǎng)度s＝32.5mm，長(zhǎng)方形空氣隙橫截面尺寸a×b：1.5mm×0.5mm，正方形空氣隙橫截面尺寸b×b：0.5mm×0.5mm，空氣隙10兩端的環(huán)氧樹(shù)脂層厚度為r＝0.5mm，支架寬度c＝0.2mm。

如圖1所示，該傳感器包括單弧面非貫通型氣體基壓電復(fù)合材料1、上電極2、下電極3、阻抗匹配層4、背襯層5、阻抗匹配電路6、金屬外殼7、BNC接頭8等。其中的核心部件單弧面非貫通型氣體基壓電復(fù)合材料1由壓電柱9和環(huán)氧樹(shù)脂支架11組成。

壓電柱9的極化方向?yàn)楦叨确较?，其在環(huán)氧樹(shù)脂支架11中呈周期分布。通過(guò)對(duì)壓電復(fù)合材料的上下表面進(jìn)行精細(xì)研磨，去除多余的壓電柱部分，使壓電柱的一端與環(huán)氧樹(shù)脂支架的平面端(上表面)平齊，另一端與支架的圓柱面端(下表面)貼合，且保證上下表面均達(dá)到鏡面等級(jí)，粗糙度Ra≤0.2um，然后通過(guò)濺射鍍膜的方式在其上下表面鍍電極，上下電極厚度均為250nm。背襯層5由環(huán)氧樹(shù)脂和鎢粉混合調(diào)制而成，同時(shí)按照上電極2的結(jié)構(gòu)尺寸制作并與之同軸粘接，厚度為15mm；阻抗匹配層4的材料為環(huán)氧樹(shù)脂，同時(shí)按照下電極3的結(jié)構(gòu)尺寸制作并與之同軸粘接，其厚度為3mm。阻抗匹配電路6在背襯層5的上方，一端與BNC接頭8的插針相連接，另一端經(jīng)導(dǎo)線(xiàn)與上電極2相連接。金屬外殼7的內(nèi)表面與上電極2絕緣，與下電極3導(dǎo)通；金屬外殼7的外表面與BNC接頭8的殼體相接觸并導(dǎo)通。