[發明專利]全指向性激勵與接收水平剪切波的壓電換能器及制備方法

有效

• 申請號: 201710165316.X
• 申請日: 2017-03-20
• 公開（公告）號: CN106940346B
• 公開（公告）日: 2019-07-19
• 發明（設計）人: 李法新;宦強;苗鴻臣
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: G01N29/34
• 分類號: G01N29/34;G01N29/42
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理有限公司 11360
• 代理人: 王巖

本發明公開了一種全指向性激勵與接收水平剪切波的壓電換能器及制備方法。本發明采用一塊壓電陶瓷圓環沿厚度方向極化，平均分成2n個扇形體后在側面制備電極，重新構成圓環，相鄰的換能器子單元的極化方向相反，形成沿厚度極化方向交替反向并且周向施加電場的全指向性激勵與接收SH₀波的壓電換能器；本發明的各個換能器子單元取自于同一個壓電陶瓷圓，極化程度、機電耦合系數等的材料參數的差異可以忽略不計，確保了換能器沿各個方向的均一性；沿厚度極化的工藝也遠比周向極化簡單；與EMAT和MPT相比，本發明的壓電換能器能量轉換率高，信號強，抗干擾能力強；本發明具有很強的實用價值，更適用于平板檢測超聲導波檢測。

技術領域

本發明涉及智能材料領域，具體涉及一種全指向性激勵與接收水平剪切波的壓電換能器及制備方法。

背景技術

大型板殼結構常見于壓力容器、化工原料儲藏倉等結構中。由于腐蝕、疲勞損傷等原因，這類結構的意外事故常有發生，造成重大經濟損失和人員傷亡。因此，巨型板殼結構安全性的檢測與評價具有重要意義。無損檢測與結構健康監測技術可以對板殼結構的完整性和剩余壽命進行評估，實現及時維護，進而避免了重大安全事故的發生。與其他無損檢測技術相比，超聲導波以其檢測距離長、檢測效率高和檢測成本低等優勢受到了越來越多的關注。在實際運用中，超聲導波相控陣系統因為能實現波聚焦而被認為是最為有效的超聲檢測方法。以全指向性激勵與接收的換能器作為基本單元，相控陣系統可以實現將波束能量集中在換能器的任何方向，進而形成一種360度無盲區線掃描檢測系統。不同于復雜的傳感器網絡，這類相控陣系統只需要很少的換能器，就可以實現全區域覆蓋，極大地降低了建造成本和信號處理的難度，從而使得超聲導波在板殼結構中檢測成為可能。

為了形成有效的相控陣系統，組成該系統的基本換能器單元必須可以全指向性激勵和接收導波。國內外許多課題組先后開展了許多的研究工作，多種全指向性激勵與接收Lamb波的換能器也被相繼提出。英國帝國理工大學Cawley課題組基于洛倫茲力設計了一種電全指向性電磁換能器(Wilcox P D,et al.The excitation and detection of lambwaves with planar coil electromagnetic acoustic transducers.IEEE Trans.Ultrason.Ferroelectr.Freq.Control,52(12),2005)；韓國首爾大學Yoon Young Kim課題組基于磁致伸縮效應設計了全指向性磁致伸縮換能器(J.K.Lee,et al.Omnidirectional Lambwaves byaxisymmetrically-configured magnetostrictive patch transducer.IEEE Trans.Ultrason.Ferroelectr.Freq.Control,60(9),2013)；美國賓州州立大學Rose課題組基于壓電伸縮振動模式設計了全指向性壓電換能器(Koduru.J P,et al.Transducerarrays for omnidirectional guided wave mode control in plate likestructures.Smart Mater.Struct,22(1),2012)。上述的換能器雖然能全指向性激勵與接收超聲導波，但都集中在Lamb波。對于Lamb波而言，無論是對稱的S₀波或反對稱的A₀波，均是頻散的，這種頻散特性使得波形隨著傳播距離或傳播時間的增加發生扭曲；Lamb波振動特性決定了它的離面位移與面內位移無法解耦，這使得實際中很難激勵出單模態的Lamb波，而多模態的Lamb波與缺陷相互作用后會發生明顯的波型轉換。這些問題都給后續的信號處理帶來了極大的困難，嚴重制約了Lamb波超聲相控陣系統走向實際使用。與Lamb波相比，基頻水平剪切波(SH₀)是完全非頻散的，它的波形不會隨著傳播距離或傳播時間的増長波形發生扭曲；它只有一個面內位移分量，當它與缺陷相互作用后，波型轉換極少。這些特性都使得SH₀波在后續的信號處理更方便，顯示出更強的實用價值。此外，SH₀波與Lamb波相比，能量衰減小，也無法在流體中傳播，相同條件下可檢測的范圍更大。因此，設計制備全指向性激勵與接收水平剪切(SH)波換能器能極大地推動超聲導波在板殼結構檢測中的。