[發明專利]一種叉指換能器陣列及制作方法

有效

• 申請號: 201910789049.2
• 申請日: 2019-08-26
• 公開（公告）號: CN110504943B
• 公開（公告）日: 2023-01-13
• 發明（設計）人: 王自平;錢磊;徐晨光;費躍;陳良彬
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: H03H9/145
• 分類號: H03H9/145;H03H3/02
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 程江濤

本發明公開了一種叉指換能器陣列及制作方法，叉指換能器陣列包括聚偏氟乙烯基底和N個梯形叉指電極陣元；聚偏氟乙烯基底為圓盤形，多個梯形叉指電極陣元以聚偏氟乙烯基底的圓心為中心沿圓周方向均勻分布在聚偏氟乙烯基底的表面；梯形叉指電極陣元的正極叉指電極包括正極外接端和多個相互間隔的正電極，梯形叉指電極陣元的負極叉指電極包括負極外接端和多個相互間隔的負電極；各梯形叉指電極陣元中的多個正電極和多個負電極交替間隔排列；各相鄰的兩個梯形叉指電極陣元共用一個正極外接端，各相鄰的兩個梯形叉指電極陣元共用一個負極外接端。本發明具有寬頻帶、低損耗、多方位發射和接收的優點，提高了損傷檢測效率。

技術領域

本發明涉及叉指換能器技術領域，特別是涉及一種叉指換能器陣列及制作方法。

背景技術

在適用于大面積板結構健康監測(Structural Health Monitoring,SHM)的方法和相關技術中，諸多先進的信號處理方法依然存在人為干擾因素較大、應用范圍狹窄等諸多不足。電聲轉換的換能器件因其特有的傳遞結構安全信息的功能已逐漸成為SHM系統中的關鍵組成部分。既有的結構健康監測系統始終具有更進一步提高其檢測靈敏度和精度的需求，探索可用于大面積復合材料的具有多方位發射和接收、寬頻且模態可選擇功能的柔性叉指式導波換能器可為實現實時快速SHM解決關鍵性的技術障礙。

現有基于超聲導波的SHM系統常采用嵌入式或粘貼的超聲換能器單元構建具有一定空間分布形式的驅動/傳感陣列或稀疏分布的傳感網絡，可用于克服大面積板或者復合材料結構中阻抗衰減和信號響應低等問題。稀疏分布傳感網絡根據傳感單元間導波信號的渡越時間信息實施對結構局部損傷檢測，其損傷成像定位精度極大地依賴于稀疏傳感器的布陣方案。

就換能器的構造設計而言，叉指式換能器(Interdigital Transducer,IDT)的叉指結構是用于SHM系統中產生定向導波的最基本形式，然而，現有技術中的IDT設計中仍存在著諸多不足，如具較窄的頻帶寬和單一的方向性等，為適應更小的損傷檢測尺度，需要巧妙的換能器結構設計以提高帶寬，以實現多方位的驅動和傳感。

叉指換能器最早是由Hyodo等人在1968年作為建筑塊設計方法延伸提出來的。之后在1973年，Daniel和de Klerk比較了梯形叉指換能器和調頻脈沖的優點和變跡通帶的濾波器結構，這表明了叉指換能器可以用于帶通應用程序。從1982年至1987年，Campbell描述了設計寬頻帶線性相位濾波器的詳細步驟，并通過在yz-鈮酸鋰上的70MHz 50％帶寬濾波器進行實驗，有效抑制了35db的旁瓣，同時頻率響應得到了提升。

綜合IDT應用的發展來看，現有的矩形IDT已經成熟應用于聲表面波器件并且得到了很大的發展，而且矩形IDT也開始逐漸應用于損傷檢測之中，其在中心頻率下頻響最大，所以一般設計其中心頻率為激勵頻率。隨著結構健康監測的發展，工程結構越來越復雜，要求IDT損耗也越來越低，性能在不斷提高。現有的矩形IDT的線寬窄，不能滿足越來越高頻率的重復應力作用和越來越大的功率，所以研究寬頻帶、低損耗、高性能的IDT對于結構健康監測至關重要。然而，針對梯形叉指換能器，卻主要是用于進行濾波器的設計，將其應用于損傷檢測還不成熟。因為就換能器的構造設計而言，叉指式換能器的叉指結構是用于SHM系統中產生定向導波的最基本形式，然而，現有技術中的IDT設計中仍存在著諸多不足，如具較窄的頻帶寬和單一的方向性等。

發明內容

本發明的目的是提供一種叉指換能器陣列及制作方法，具有寬頻帶、低損耗、多方位發射和接收的優點，提高了損傷檢測效率。

為實現上述目的，本發明提供了如下方案：

一種叉指換能器陣列，其特征在于，所述叉指換能器陣列包括：聚偏氟乙烯基底和N個梯形叉指電極陣元，N為大于3的整數；所述聚偏氟乙烯基底為圓盤形，多個所述梯形叉指電極陣元以所述聚偏氟乙烯基底的圓心為中心沿圓周方向均勻分布在所述聚偏氟乙烯基底的表面；