專利名稱：一種雙層pvdf壓電薄膜線聚焦超聲探頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種雙層PVDF壓電薄膜線聚焦超聲探頭技術(shù)領(lǐng)域一種采用雙層PVDF壓電薄膜為換能元件的線聚焦超聲探頭,用于縱波波速及漏表面波 波速的測(cè)量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)材料力學(xué)性能的評(píng)價(jià)，屬于無損檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景-材料科學(xué)發(fā)展迅速，各種新型材料不斷涌現(xiàn)，許多材料表現(xiàn)出超常的力學(xué)性能，如 納米銅或鈀的塊體材料其硬度比常規(guī)材料提高50倍，屈服強(qiáng)度提高12倍；納米碳化硅的斷裂韌性比常規(guī)材料提高100倍；納米鐵多晶體的斷裂強(qiáng)度比常規(guī)鐵高12倍；納米銅離 子密堆的銅片，具有驚人的超延展性，達(dá)到5100%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出相同純度的普通銅片的延展 性。要準(zhǔn)確評(píng)價(jià)各種新型材料的力學(xué)性能，就必須對(duì)材料進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。然而許多新 型材料受特殊的制備工藝所致具有一次成型、尺寸小、制造成本高等特點(diǎn)，如目前所能制 備的塊體納米材料，其尺寸大約為直徑小于100mm，厚度小于10mra，且根據(jù)不同的工藝， 所能制備的尺寸也不相同。在這種情況下，對(duì)材料進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，無法采用如破壞試 驗(yàn)等常規(guī)的力學(xué)性能測(cè)試方法。探索和開發(fā)新型的測(cè)試方法與儀器成為國內(nèi)外學(xué)者的研究 熱點(diǎn)。近年來，人們研究并提出了許多新型力學(xué)性能測(cè)試方法，如納米壓痕技術(shù)、聲學(xué) 顯微鏡技術(shù)、表面聲波技術(shù)、激光超聲技術(shù)等。聲學(xué)顯微鏡是為對(duì)材料內(nèi)部特性進(jìn)行高分辨率成像而設(shè)計(jì)，其主要目的是研究材料內(nèi)部不同點(diǎn)的力學(xué)性能差異，其側(cè)重點(diǎn)在于研究材料的微觀特性，優(yōu)點(diǎn)在于其高分辨率，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為均采用傳統(tǒng)的壓電陶瓷或壓電晶體為換能元件，通過球面聲透鏡將超聲波聚焦為點(diǎn)，孔徑較小，設(shè)備復(fù)雜而昂貴，且無法用于對(duì)材料的各向異性的分析。而對(duì)于材料彈性常數(shù)的測(cè)量及各向異性的分析，往往更關(guān)心材料的宏觀特性，高分辨率并不是必須的，因此，針對(duì)小尺寸材料彈性常數(shù)測(cè)量及各向異性分析，設(shè)計(jì)一種簡單實(shí)用的線聚焦探頭對(duì)于材料力學(xué)性能的評(píng)價(jià)很有必要。專利ZL. 2005200053518提出了一種可以同時(shí)測(cè)量表面波波速和縱波波速的單層PVDF薄膜線聚焦探頭，此類探頭通過同時(shí)測(cè)量材料表面波波速和縱波波速，可以用于小尺寸材料彈性常數(shù)測(cè)量，探頭包括有壓電元件、澆鑄于壓電元件上的背襯層及由殼體和殼蓋組成
的外殼幾個(gè)主要部分。此型探頭中的換能元件采用單層PVDF薄膜，既作為激勵(lì)換能器， 又作為接收換能器。在實(shí)際使用過程中，PVDF薄膜先作為激勵(lì)換能器激勵(lì)出超聲波激勵(lì)， 經(jīng)歷一定時(shí)間間隔后，又要作為接收換能器接收超聲波回波。PVDF薄膜會(huì)被較強(qiáng)電信號(hào)激 勵(lì)，激勵(lì)后會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，飽和將持續(xù)一段時(shí)間，此時(shí)間內(nèi)PVDF將無法正常接收超聲 波回波。因此，此型探頭存在較大的測(cè)量盲區(qū)，使用中，在探頭與試件距離較近時(shí)不能得 到正常檢測(cè)效果。 實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是研制一種雙層PVDF壓電薄膜線聚焦超聲探頭，分別通過專用的 激勵(lì)層和接收層，產(chǎn)生和接收超聲信號(hào)，可以用于測(cè)量材料表面波波速和縱波波速，進(jìn)而 測(cè)量材料的彈性常數(shù)(楊氏模量和泊松比)，克服單層PVDF薄膜線聚焦探頭測(cè)量盲區(qū)大的 缺點(diǎn)，在探頭與被測(cè)試件相距較近時(shí)仍然獲得較好的實(shí)驗(yàn)效果。一種雙層PVDF壓電薄膜線聚焦超聲探頭,如圖1所示，探頭包括有探頭外殼、激勵(lì)用 壓電元件、接收用壓電元件、保護(hù)層、激勵(lì)接收耦合層、背襯層、激勵(lì)信號(hào)輸入通道和接 收信號(hào)輸出通道。其特征在于-所述的探頭外殼為中空立方體下表面經(jīng)過加工為上凹弧形的殼體6頂部配合殼蓋3組成；所述的激勵(lì)用壓電元件為上表面附著激勵(lì)用壓電元件負(fù)電極11并下表面附著激勵(lì)用 壓電元件正電極12的激勵(lì)用PVDF壓電薄膜14;所述的接收用壓電元件為上表面附著接收用壓電元件正電極9并下表面附著接收用壓 電元件負(fù)電極10的接收用PVDF壓電薄膜7;所述殼體6下表面弧度大于待測(cè)材料的瑞利角的兩倍；所述激勵(lì)用PVDF壓電薄膜14緊密粘附在殼體6下表面,呈與殼體6下表面弧度一致 的上凹弧形；所述激勵(lì)接收耦合層8緊密粘附在激勵(lì)用PVDF壓電薄膜14上表面，呈與激勵(lì)用壓電 薄膜14上表面弧度一致的上凹弧形；所述接收用PVDF壓電薄膜7緊密粘附在激勵(lì)接收耦合層8上表面，呈與激勵(lì)接收耦合
層8上表面弧度一致的上凹弧形；所述保護(hù)層13緊密附著于激勵(lì)用PVDF壓電薄膜14下表面，呈與激勵(lì)用PVDF壓電薄 膜14下表面弧度一致的上凹弧形；所述激勵(lì)信號(hào)輸入通道由激勵(lì)信號(hào)輸入通道的信號(hào)正極通路和激勵(lì)信號(hào)輸入通道的 信號(hào)負(fù)極通路組成；所述激勵(lì)信號(hào)輸出通道由激勵(lì)信號(hào)輸出通道的信號(hào)正極通路和激勵(lì)信號(hào)輸出通道的 信號(hào)負(fù)極通路組成；所述激勵(lì)信號(hào)輸入通道的信號(hào)正極通路由激勵(lì)用壓電元件正電極12、激勵(lì)用壓電元件 正電極引線17、激勵(lì)信號(hào)輸入插座1正極連接而成；所述激勵(lì)信號(hào)輸入通道的信號(hào)負(fù)極通路由激勵(lì)用壓電元件負(fù)電極11、激勵(lì)用壓電元件 負(fù)電極引線16、激勵(lì)信號(hào)輸入插座1負(fù)極連接而成；所述接收信號(hào)輸出通道的信號(hào)正極通路由接收用壓電元件正電極9、接收用壓電元件 正電極引線5、接收信號(hào)輸出插座2正極連接而成；所述接收信號(hào)輸出通道的信號(hào)負(fù)極通路由接收用壓電元件負(fù)電極io、接收用壓電元件負(fù)電極引線4、接收信號(hào)輸出插座2負(fù)極連接而成；所述背襯層15澆鑄于接收用PVDF壓電薄膜7上。 上述采用的PVDF壓電薄膜厚度小于100Wn，長度大于20Wn。本探頭為超聲發(fā)射接收雙通道探頭，采用通用的脈沖激勵(lì)接收裝置激勵(lì)接收信號(hào)，使 用時(shí)須水浸耦合。本探頭針對(duì)材料彈性常數(shù)聲學(xué)測(cè)量時(shí)域波形分析方法而設(shè)計(jì)，可以同時(shí) 測(cè)量材料表面波波速和縱波波速，信號(hào)信噪比高，測(cè)量盲區(qū)小。

-附圖1:探頭結(jié)構(gòu)示意圖1、激勵(lì)信號(hào)輸入插座，2、接收信號(hào)輸出插座，3、殼蓋，4、接收用壓電元件負(fù)電極引線， 5、接收用壓電元件正電極引線，6、殼體，7、接收用PVDF薄膜，8、激勵(lì)接收耦合層， 9、接收用壓電元件正電極，10、接收用壓電元件負(fù)電極，11、激勵(lì)用壓電元件負(fù)電極，12、 激勵(lì)用壓電元件正電極，13、保護(hù)層，14、激勵(lì)用PVDF薄膜，15、背襯層，16、激勵(lì)用 壓電元件負(fù)電極引線，17、激勵(lì)用壓電元件正電極引線，18、沉頭螺釘
附圖2:探頭應(yīng)用系統(tǒng)原理圖19、探頭，20、水，21、材料試塊，22、脈沖發(fā)射接收儀，23、示波器，24、計(jì)算機(jī)具體實(shí)施方式
-本實(shí)用新型的具體技術(shù)方案參見圖1。本探頭殼體6及殼蓋3采用不銹鋼材料加工，殼體6設(shè)計(jì)為35X20X30mm (長X寬 X高)矩形上下貫通殼體，壁厚2mm，上端平齊，兩個(gè)側(cè)面(寬度)底端平齊，另外兩個(gè) 相對(duì)側(cè)面底端加工成圓弧形。因?yàn)樘筋^的聚焦參數(shù)取決于壓電薄膜14的弧度，而對(duì)于本 探頭來說，探頭制作完成后壓電薄膜的弧度取決于探頭殼體的弧度，所以探頭殼體圓弧端 弧度大小要根據(jù)所需的聚焦孔徑角來設(shè)計(jì)。聚焦孔徑角的確定主要是要考慮表面波的產(chǎn) 生，根據(jù)聲學(xué)理論，表面波是當(dāng)入射角等于材料的瑞利角時(shí)產(chǎn)生并沿材料表面?zhèn)鞑サ牟ǎ?所以，要使探頭產(chǎn)生的聲波在材料表面產(chǎn)生表面波，就需要探頭的半孔徑角下限要大于待 測(cè)材料的瑞利角；而如果弧度過大，會(huì)增加探頭制作難度，同時(shí)會(huì)使表面波傳播路徑變短， 不利于波形分析。根據(jù)超聲波入射不同材料時(shí)的瑞利角數(shù)據(jù)，探頭的孔徑角應(yīng)在6(T 80 °范圍內(nèi)。在探頭實(shí)際設(shè)計(jì)中采用孔徑角為72。。PVDF壓電薄膜14和PVDF壓電薄膜7作為壓電換能元件，兩者為同一型號(hào)的器件， 分別發(fā)揮其逆壓電效應(yīng)和正壓電效應(yīng)，起著超聲波產(chǎn)生與接收的作用，為本探頭的最重要 元件，其性能優(yōu)劣直接決定探頭功能的好壞。設(shè)計(jì)中主要須考慮的參數(shù)是壓電薄膜的厚度 及覆于其表面的電極形狀尺寸。不同厚度的壓電薄膜其固有的中心頻率亦不相同，壓電薄 膜越厚，其中心頻率也就越低，導(dǎo)致探頭整體中心頻率降低，降低測(cè)量測(cè)量分辨率，對(duì)于 本探頭來說，要使測(cè)量精度得到保證，探頭中心頻率應(yīng)該在5MHz以上，要達(dá)到此要求， 所用壓電薄膜厚度應(yīng)小于50Wn。本探頭測(cè)量表面波波速是通過波形時(shí)域分析的方法，所 以要求表面波傳播的時(shí)間足夠長，故要求探頭口徑不能過小，即要求壓電薄膜長度不能太 小，應(yīng)設(shè)計(jì)長度在20mm以上。理論上說，在條件允許的情況下，壓電薄膜的厚度越小越 好，但因?yàn)閴弘姳∧橥赓徳?，厚度及電極形狀尺寸局限于廠商產(chǎn)品的具體情況，所以 只能在滿足要求的情況下適當(dāng)選取。本探頭所選用的壓電薄膜厚度為28Wn，電極尺寸為 30X12mm。PVDF壓電薄膜為很薄的薄膜材料，耐高溫性能有限， 一般不能超過IO(TC，所以電
極導(dǎo)線與壓電薄膜表面電極的連接不能采用常規(guī)的焊接方法。在目前其它種類壓電薄膜傳 感器的制作中，電極引線多采用機(jī)械固定的方式連接，如鉚接。本探頭結(jié)構(gòu)決定電極引線 處不能占有過大空間，同時(shí)又要考慮壓電薄膜與殼體的固定問題，故機(jī)械固定方法不適用。 本探頭采用了導(dǎo)電膠粘接的方法。本探頭所用壓電薄膜上下表面均覆有電極，實(shí)際設(shè)計(jì)中 壓電薄膜一端向上彎折一段后，彎折段正電極與正極引線粘接，彎折段負(fù)電極與負(fù)極引線 粘接。激勵(lì)接收耦合層8位于激勵(lì)用PVDF壓電薄膜14和接收用PVDF壓電薄膜7之間， 用來將兩片獨(dú)立的壓電薄膜粘接在一起。此層由厚度小于0.5mm的硅橡膠制成。當(dāng)壓電元件受到電脈沖激勵(lì)時(shí)，它不但向前方輻射聲能，而且還向后方輻射。來自前 方的回波信號(hào)中包含著被檢材料的信息，但是從后面反射來的干擾雜波增加了接收信號(hào)的 復(fù)雜性，給實(shí)際檢測(cè)帶來了很大困難，這一部分雜波信號(hào)需要消除，因此在超聲探頭設(shè)計(jì) 中需要設(shè)計(jì)背襯層；此外，如果沒有背襯層，壓電元件受電激勵(lì)而振動(dòng)，當(dāng)電脈沖停止激 勵(lì)后，壓電元件卻不會(huì)立即停止振動(dòng)，而是要持續(xù)一段時(shí)間后才會(huì)停止。這樣，脈沖-回波 持續(xù)時(shí)間也會(huì)很長，使探頭的分辨力下降。背襯層的另外一個(gè)作用就是使激勵(lì)脈沖停止后， 壓電元件能瞬間停振，這樣接收到的脈沖寬度比較小，可以提高探頭的分辨力。背襯采用 環(huán)氧樹脂和鎢粉混合固化劑按公知技術(shù)配制，使用的是WSR6101環(huán)氧樹脂和T31環(huán)氧樹脂 固化劑。電極引線采用O0.2漆包線，探頭的激勵(lì)及接收信號(hào)通過射頻插座9與其他儀器連接，殼體1與殼蓋2通過沉頭螺釘10固定，螺釘安裝時(shí)涂硅橡膠以防水。本探頭保護(hù)層13采用防水漆料噴涂于激勵(lì)用PVDF壓電薄膜14下表面制成。探頭在實(shí)際應(yīng)用中與其它儀器組成測(cè)量系統(tǒng)，如附圖2所示，脈沖發(fā)射接收儀發(fā)出激 勵(lì)脈沖使探頭產(chǎn)生超聲脈沖，經(jīng)水耦合入射材料表面產(chǎn)生表面波并反射回探頭被接收，波 形經(jīng)示波器顯示，數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)采集進(jìn)行后續(xù)處理。因?yàn)楸揪€聚焦PVDF壓電薄膜超聲探頭用于材料表面波波速測(cè)量是一種無損檢測(cè)方法， 不同于傳統(tǒng)的拉伸試驗(yàn)，其測(cè)量原理決定了探頭用于小尺寸材料彈性常數(shù)測(cè)量的可行性； 探頭為線聚焦探頭，本身具有聚焦的方向性，故能用于材料各向異性的分析。
權(quán)利要求1、一種雙層PVDF壓電薄膜線聚焦超聲探頭，包括有探頭外殼、壓電元件、保護(hù)層、背襯層、信號(hào)通道；所述的探頭外殼為中空立方體下表面經(jīng)過加工為上凹弧形的殼體(6)頂部配合殼蓋(3)組成，殼體(6)下表面弧度大于待測(cè)材料的瑞利角的兩倍，其特征在于所述的壓電元件分為激勵(lì)用壓電元件、接收用壓電元件，信號(hào)通道分為激勵(lì)信號(hào)輸入通道和接收信號(hào)輸出通道，還包括激勵(lì)接收耦合層；所述的激勵(lì)用壓電元件為上表面附著激勵(lì)用壓電元件負(fù)電極(11)并下表面附著激勵(lì)用壓電元件正電極(12)的激勵(lì)用PVDF壓電薄膜(14)；所述的接收用壓電元件為上表面附著接收用壓電元件正電極(9)并下表面附著接收用壓電元件負(fù)電極(10)的接收用PVDF壓電薄膜(7)；所述的激勵(lì)用PVDF壓電薄膜(14)緊密粘附在殼體(6)下表面，呈與殼體(6)下表面弧度一致的上凹弧形；所述激勵(lì)接收耦合層(8)緊密粘附在激勵(lì)用PVDF壓電薄膜(14)上表面，呈與激勵(lì)用壓電薄膜(14)上表面弧度一致的上凹弧形；所述接收用PVDF壓電薄膜(7)緊密粘附在激勵(lì)接收耦合層(8)上表面，呈與激勵(lì)接收耦合層(8)上表面弧度一致的上凹弧形；所述保護(hù)層(13)緊密附著于激勵(lì)用PVDF壓電薄膜(14)下表面，呈與激勵(lì)用PVDF壓電薄膜(14)下表面弧度一致的上凹弧形；所述激勵(lì)信號(hào)輸入通道由激勵(lì)信號(hào)輸入通道的信號(hào)正極通路和激勵(lì)信號(hào)輸入通道的信號(hào)負(fù)極通路組成；所述激勵(lì)信號(hào)輸出通道由激勵(lì)信號(hào)輸出通道的信號(hào)正極通路和激勵(lì)信號(hào)輸出通道的信號(hào)負(fù)極通路組成；所述激勵(lì)信號(hào)輸入通道的信號(hào)正極通路由激勵(lì)用壓電元件正電極(12)、激勵(lì)用壓電元件正電極引線(17)、激勵(lì)信號(hào)輸入插座(1)正極連接而成；所述激勵(lì)信號(hào)輸入通道的信號(hào)負(fù)極通路由激勵(lì)用壓電元件負(fù)電極(11)、激勵(lì)用壓電元件負(fù)電極引線(16)、激勵(lì)信號(hào)輸入插座(1)負(fù)極連接而成；所述接收信號(hào)輸出通道的信號(hào)正極通路由接收用壓電元件正電極(9)、接收用壓電元件正電極引線(5)、接收信號(hào)輸出插座(2)正極連接而成；所述接收信號(hào)輸出通道的信號(hào)負(fù)極通路由接收用壓電元件負(fù)電極(10)、接收用壓電元件負(fù)電極引線(4)、接收信號(hào)輸出插座(2)負(fù)極連接而成；所述背襯層(15)澆鑄于接收用PVDF壓電薄膜(7)上。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種雙層PVDF壓電薄膜線聚焦超聲探頭，屬于無損檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。包括有探頭外殼、激勵(lì)用壓電元件、接收用壓電元件、保護(hù)層、激勵(lì)接收耦合層、背襯層、激勵(lì)信號(hào)輸入通道和接收信號(hào)輸出通道。所述的激勵(lì)用壓電元件為上表面附著激勵(lì)用壓電元件負(fù)電極(11)并下表面附著激勵(lì)用壓電元件正電極(12)的激勵(lì)用PVDF壓電薄膜(14)；所述的接收用壓電元件為上表面附著接收用壓電元件正電極(9)并下表面附著接收用壓電元件負(fù)電極(10)的接收用PVDF壓電薄膜(7)。本探頭針對(duì)材料彈性常數(shù)聲學(xué)測(cè)量時(shí)域波形分析方法而設(shè)計(jì)，可以同時(shí)測(cè)量材料表面波波速和縱波波速，信號(hào)信噪比高，測(cè)量盲區(qū)小。
文檔編號(hào)G01N29/24GK201034982SQ20072014894
公開日2008年3月12日 申請(qǐng)日期2007年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月27日
發(fā)明者何存富, 宋國榮, 垚 黃 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)