專利名稱：一種線聚焦pvdf壓電薄膜超聲探頭的制作方法
技術領域：
一種采用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量，進而實現(xiàn)對材料力學性能的評價和各向異性的分析，屬于無損檢測技術領域。
背景技術：
隨著科學技術的發(fā)展，材料科學的發(fā)展日新月異，各種新材料的研究和制備技術受到廣泛的關注，而對于材料力學性能的測量和分析也愈加重要。由于新材料本身特性以及制備工藝的影響，有些材料能制備出的尺寸往往有限，例如納米材料，從而使得對其力學性能的測量無法采用傳統(tǒng)方法，如人們熟知的測量材料彈性常數(shù)的拉伸破壞試驗方法；另外，由于特殊的制備工藝所致，往往所制備的材料，其力學性能還具有各向異性的特征。因此，對這些材料力學性能的測量和分析，需要尋求新的手段來解決。
因為超聲波在材料中傳播的波速受材料的楊氏模量及泊松比這兩個彈性常數(shù)影響并呈函數(shù)關系，所以通過測量超聲波在材料中的傳播速度來間接測量材料的彈性常數(shù)的方法為小尺寸材料力學性能評價提供了一個新的途徑，如果能測得材料中縱波波速及表面波波速，那么就可以推導出材料的楊氏模量和泊松比這兩個參數(shù)。
單獨測量縱波波速可以采用已有的縱波直探頭脈沖回波法，但這種方法無法測量表面波波速。在已有的超聲檢測技術中，超聲顯微鏡技術能夠提供一種測量表面波波速的方法，這種技術的基本原理是采用傳統(tǒng)壓電材料(如壓電陶瓷、石英晶體)作為換能部件激勵超聲波而在換能器件前加球面聚焦聲透鏡，利用聲透鏡將超聲波聚焦為一點，通過改變聚焦點與材料表面的距離，測量回波幅度的變化。隨聚焦點與材料表面距離的改變，回波幅度會呈現(xiàn)周期性的變化，得到的曲線稱為V(z)曲線，這種周期性的變化是由于材料表面產生的漏表面波和縱波之間的干涉而產生的。通過測量V(z)曲線的周期性變化，可進而測得表面波波速。
但是超聲顯微鏡是為對材料內部特性進行高分辨率成像而設計，其主要目的是研究材料內部不同點的力學性能差異，其側重點在于研究材料的微觀特性，優(yōu)點在于其高分辨率，其結構特點為均采用傳統(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，孔徑較小，設備復雜而昂貴，且無法用于對材料的各向異性的分析。而對于材料彈性常數(shù)的測量及各向異性的分析，往往更關心材料的宏觀特性，高分辨率并不是必須的，因此，針對小尺寸材料彈性常數(shù)測量及各向異性分析，設計一種簡單實用的專用探頭對于材料力學性能的評價很有必要。
目前在超聲檢測技術領域，尚無用于測量表面波波速的專用探頭，通常的超聲探頭都是用于無損探傷，探頭一般包括外殼、換能元件、背襯層、插座幾個主要部分，換能元件通常采用壓電陶瓷或壓電晶體。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是研制一種大口徑柱面線聚焦PVDF超聲探頭，通過測量材料表面波波速和縱波波速，進而測量材料的彈性常數(shù)(楊氏模量和泊松比)，能夠應用于材料力學性能的分析與評價，及各向異性的分析。
一種線聚焦PVDF壓電薄膜超聲探頭，如圖1所示，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；其特征在于所述的壓電元件為上表面覆著正電極5并下表面覆著負電極4的PVDF壓電薄膜3；殼體1為中空立方體下表面經過加工為上凹弧形的殼體，下表面弧度大于待測材料的瑞利角的兩倍；所述PVDF壓電薄膜3緊密連接在探頭下表面，呈與下表面弧度一致的上凹弧形，其負電極4與殼體1內壁粘接，其正電極5通過正極引線7與安裝于殼蓋2的射頻插座9正極連接，背襯層6澆鑄于壓電薄膜3上。
上述采用的PVDF壓電薄膜厚度小于50μm，長度大于20mm。
本探頭為超聲發(fā)射接收一體探頭，采用通用的脈沖激勵接收裝置激勵，使用時須水浸耦合。本探頭針對材料彈性常數(shù)聲學測量時域波形分析方法而設計，結構簡單，制作方便，成本低廉，能夠同時測量材料表面波波速和縱波波速。
附圖1探頭結構示意圖1、殼體，2、殼蓋，3、PVDF壓電薄膜，4、負電極，5、正電極，6、背襯層，7、正極引線，8、銅箔，9、射頻插座，10、沉頭螺釘附圖2探頭應用系統(tǒng)原理圖
11、探頭，12、水，13、材料試塊，14、脈沖發(fā)射接收儀，15、示波器，16、計算機
以下結合附圖對具體實施方式
及應用進行詳細說明。
具體實施方式
本探頭殼體1及殼蓋2采用不銹鋼材料加工，殼體1設計為34×20×26mm(長×寬×高)矩形上下貫通殼體，壁厚2mm，上端平齊，兩個側面(寬度)底端平齊，另外兩個相對側面底端加工成圓弧形。因為探頭的聚焦參數(shù)取決于壓電薄膜3的弧度，而對于本探頭來說，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所需的聚焦孔徑角來設計。聚焦孔徑角的確定主要是要考慮表面波的產生，根據聲學理論，表面波是當入射角等于材料的瑞利角時產生并沿材料表面?zhèn)鞑サ牟ǎ?，要使探頭產生的聲波在材料表面產生表面波，就需要探頭的半孔徑角下限要大于待測材料的瑞利角；而如果弧度過大，會增加探頭制作難度，同時會使表面波傳播路徑變短，不利于波形分析。根據超聲波入射不同材料時的瑞利角數(shù)據，探頭的孔徑角應在60°～80°范圍內。在探頭實際設計中采用孔徑角為70°。
PVDF壓電薄膜3作為壓電換能元件，起著超聲波產生與接收的雙重作用，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。設計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，導致探頭整體中心頻率降低，降低測量測量分辨率，對于本探頭來說，要使測量精度得到保證，探頭中心頻率應該在5MHz以上，要達到此要求，所用壓電薄膜厚度應小于50μm。本探頭測量表面波波速是通過波形時域分析的方法，所以要求表面波傳播的時間足夠長，故要求探頭口徑不能過小，即要求壓電薄膜長度不能太小，應設計長度在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，但因為壓電薄膜為外購元件，厚度及電極形狀尺寸局限于廠商產品的具體情況，所以只能在滿足要求的情況下適當選取。本探頭所選用的壓電薄膜厚度為28μm，電極尺寸為30×12mm。
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100℃，所以電極導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，電極引線多采用機械固定的方式連接，如鉚接。本探頭結構決定電極引線處不能占有過大空間，同時又要考慮壓電薄膜與殼體的固定問題，故機械固定方法不適用。本探頭采用了導電膠粘接的方法。導電膠具有使用方便的特點，但也有其不足之處，主要就是粘接的牢固性及導電性能是否良好。若電極引線端直接與電極粘接，是點與面的粘接，其牢固性和導電可靠性不能得到充分保證。本探頭所用壓電薄膜上下表面均覆有電極，實際設計中壓電薄膜一端向上彎折一段后彎折段負電極與殼體一個底端平直側面內壁以導電膠粘接，以一焊有漆包線的銅箔8粘接于彎折段內側的正電極構成正極引線7，提高了連接的可靠性。
當壓電元件受到電脈沖激勵時，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的復雜性，給實際檢測帶來了很大困難，這一部分雜波信號需要消除，因此在超聲探頭設計中需要設計背襯層；此外，如果沒有背襯層，壓電元件受電激勵而振動，當電脈沖停止激勵后，壓電元件卻不會立即停止振動，而是要持續(xù)一段時間后才會停止。這樣，脈沖-回波持續(xù)時間也會很長，使探頭的分辨力下降。背襯層的另外一個作用就是使激勵脈沖停止后，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。在本探頭中，背襯層6還起到另外一個重要作用，那就是壓電薄膜的固定作用。
本探頭背襯采用環(huán)氧樹脂和鎢粉混合固化劑按公知技術配制，使用的是WSR6101環(huán)氧樹脂和T31環(huán)氧樹脂固化劑。正電極引線7采用Φ0.2漆包線，探頭的激勵及接收信號通過射頻插座9與其他儀器連接，殼體1與殼蓋2通過沉頭螺釘10固定，螺釘安裝時涂硅橡膠以防水。
探頭在實際應用中與其它儀器組成測量系統(tǒng)，如附圖2所示，脈沖發(fā)射接收儀發(fā)出激勵脈沖使探頭產生超聲脈沖，經水耦合入射材料表面產生表面波并反射回探頭被接收，波形經示波器顯示，數(shù)據由計算機采集進行后續(xù)處理。
因為本線聚焦PVDF壓電薄膜超聲探頭用于材料表面波波速測量是一種無損檢測方法，不同于傳統(tǒng)的拉伸試驗，其測量原理決定了探頭用于小尺寸材料彈性常數(shù)測量的可行性；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。
權利要求1.一種線聚焦PVDF壓電薄膜超聲探頭，包括有壓電元件、澆鑄于壓電元件上的背襯層，由殼體和殼蓋組成的外殼；其特征在于所述的壓電元件為上表面覆著正電極(5)并下表面覆著負電極(4)的PVDF壓電薄膜(3)；殼體(1)為中空立方體下表面經過加工為上凹弧形的殼體，下表面弧度大于待測材料的瑞利角的兩倍；所述PVDF壓電薄膜(3)緊密連接在殼體(1)下表面，呈與下表面弧度一致的上凹弧形，其負電極(4)與殼體(1)內壁粘接，其正電極(5)通過正極引線(7)與安裝于殼蓋(2)的射頻插座(9)正極連接，背襯層(6)澆鑄于壓電薄膜(3)上。
2.根據權利要求1所述的一種線聚焦PVDF壓電薄膜超聲探頭，上述采用的PVDF壓電薄膜(3)厚度小于50μm，長度大于20mm。
專利摘要一種線聚焦PVDF壓電薄膜超聲探頭，屬于無損檢測技術領域。包括有壓電元件、澆鑄于壓電元件上的背襯層，由殼體和殼蓋組成的外殼；其特征在于所述的壓電元件為上表面覆著正電極(5)并下表面覆著負電極(4)的PVDF壓電薄膜(3)；殼體(1)為中空立方體下表面經過加工為上凹弧形的殼體，下表面弧度大于待測材料的瑞利角的兩倍；所述PVDF壓電薄膜(3)緊密連接在殼體(1)下表面，呈與下表面弧度一致的上凹弧形，其負電極(4)與殼體(1)內壁粘接，其正電極(5)通過正極引線(7)與安裝于殼蓋(2)的射頻插座(9)正極連接，背襯層(6)澆鑄于壓電薄膜(3)上。本實用新型能實現(xiàn)對材料力學性能的評價和各向異性的分析。
文檔編號G01N29/04GK2781367SQ20052000535
公開日2006年5月17日 申請日期2005年3月7日 優(yōu)先權日2005年3月7日
發(fā)明者吳斌, 畢曉東, 何存富, 宋國榮, 魏曉玲, 孟濤 申請人:北京工業(yè)大學