[發明專利]一種用于各向異性材料蘭姆波波速測量的線聚焦超聲探頭

有效

• 申請號: 201210152121.9
• 申請日: 2012-05-16
• 公開（公告）號: CN102721750A
• 公開（公告）日: 2012-10-10
• 發明（設計）人: 何存富;呂炎;宋國榮;高忠陽;柳艷麗;吳斌
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G01N29/24
• 分類號: G01N29/24
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

技術領域

本發明涉及一種用于各向異性材料漏蘭姆波波速檢測的超聲換能器，屬于聲學換能器技術領域，其作用是把激勵源產生的脈沖電信號轉換為壓電薄膜的振動從而產生超聲信號，同時接收被測試樣的反射回波，并將超聲信號轉換為電信號。通過對采集到的信號進行分析來了解被測材料的波動特性，反演出材料的機械性能。

背景技術

材料性質無損檢測的專用換能器是整個測試系統的關鍵，眾多學者都在應用于材料性質檢測的聚焦式換能器研制方面做了卓有成效的工作。從早期對應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行改良，獲得應用于材料性質檢測的大張角換能器，到采用PVDF壓電薄膜的無鏡頭式聚焦換能器，其制作工藝的發展使材料性質檢測的范圍不斷擴大。但使用ZnO、PZT或LiNbO₃等壓電材料作為激勵/接收元件時，需要制作一個非常精密的石英或藍寶石鏡頭，受限于其材料昂貴、制作困難，且激振元件與鏡頭之間聲學阻抗不匹配等因素，導致傳統顯微鏡大多操作在窄頻或單一頻率下，而且鏡頭與水的聲學阻抗也相差很大，會造成能量傳輸效率的降低，因此傳統的鏡頭式換能器并未得到普及。PVDF在被證實具有壓電性之后，其較低的聲學阻抗，良好的可撓性使無鏡頭式換能器成為了國內外學者的研究重點。

近年來，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/接收元件。純PVDF的壓電特性雖然很好，但是在極化的過程中需要進行單向或雙向拉伸，這樣直接限制了其與其它元器件進行集成的能力，而且由于需要拉伸極化，PVDF薄膜的厚度被限制在10μm以上，使制成的換能器頻率相對較低。

發明內容

本發明的目的在于提供一種用于漏蘭姆波波速檢測的線聚焦式超聲換能器，可將激勵/接收統一在一個換能器中，實現對各向異性薄板材料蘭姆波波速的測量，具有中心頻率高、頻帶寬、信噪比高等優點，完全可以滿足實驗分析的需要。

為了實現上述目的，本發明包含了如下部件：接頭1、金屬彈簧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9，換能器的整體裝配外觀如圖1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的內部且同軸，圓柱形背襯5的上表面有一個半徑為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，凹柱面上覆蓋一層厚度為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通過螺紋旋入上金屬外殼3A，接頭1的上部有一個凸起的公頭，公頭部分套有金屬彈簧2，彈簧的兩端分別與背襯5與接頭1接觸，接頭1固定在空心圓柱形下金屬外殼3B內，壓緊的彈簧使蒸鍍電極8邊緣的上表面與凸臺9的內表面接觸。

如圖4所示，上述過程中制作的壓電薄膜，厚度為h＝10-50μm；上述過程中背襯凹柱面的張角可為θ＝60-120°，半徑為R＝10-25mm。

本換能器為激勵/接收一體換能器，采用通用的脈沖激勵/接收裝置進行激勵/接收，使用時需進行水浸耦合，系統如圖5所示，包括：四軸移動平臺9、運動控制卡10、嵌入式控制器11、示波器12、脈沖激勵/接收儀13以及制成的換能器14與試樣15。

附圖說明

圖1是本發明整體裝配示意圖；

圖2是本發明整體裝配剖面示意圖；

圖3是本發明壓電局部剖面示意圖；

圖4是本發明背襯、套筒、壓電薄膜與電極示意圖；

圖5測試系統示意圖；

圖6換能器測試結果圖。

具體實施方式

以張角為θ＝90°，聚焦半徑為R＝10mm的換能器為實例對具體的實施方式進行詳述。