專利名稱：一種基于pvdf壓電薄膜的激光超聲檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型是一種用于對激光激勵鋼質(zhì)樣品產(chǎn)生的超聲進行檢測的基于PVDF壓電薄膜的激光超聲檢測裝置，涉及外形的測量、超聲波測量和管道系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著材料科學(xué)發(fā)展迅速，各種新型材料不斷出現(xiàn)，許多材料表現(xiàn)出超常的力學(xué)性能，如納米銅材料其硬度比常規(guī)材料提高60倍，屈服強度提高14倍；納米碳化硅的斷裂韌性比常規(guī)材料提高120倍；納米鐵多晶體的斷裂強度比常規(guī)鐵高15倍；納米銅離子密堆的銅片，具有驚人的超延展性，達到5200%，遠遠超出相同純度的普通銅片的延展性。要準確評價各種新型材料的力學(xué)性能，就必須對材料進行力學(xué)性能測試。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，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10mm，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，對材料進行力學(xué)性能測試，無法采用如破壞試驗等常規(guī)的力學(xué)性能測試方法。探索和開發(fā)新型的測試方法與儀器成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點。近年來， 人們研究并提出了許多新型力學(xué)性能測試方法，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。PVDF壓電薄膜材料的性能和一般的彈性材料不一樣，不僅考慮它的力學(xué)性質(zhì)，還要考慮它的電學(xué)性質(zhì)，而且還要考慮電學(xué)和力學(xué)相互耦合的性質(zhì)。這里分別涉及彈性常數(shù)、 介電常數(shù)和獨特的壓電常數(shù)。在壓電介質(zhì)里，聲場和電場是耦合的，表現(xiàn)這個耦合現(xiàn)象的常數(shù)是壓電常數(shù)。壓電常數(shù)按一些獨立變量的選取而分為相互聯(lián)系的四類。這些獨立變量是力學(xué)量T或S以及電學(xué)量D或E。在適當方向力的作用下，壓電介質(zhì)會產(chǎn)生表面電荷，但這些電荷是束縛的，而不是自由的，它們是介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生了電偶極矩的表現(xiàn)，電學(xué)量D正是與此有關(guān)的量。實驗中外表看會出現(xiàn)電流，即可移動的電荷，實際上這些自由電荷來源于介質(zhì)的外界，即來源于外界電荷受介質(zhì)表面束縛電荷的吸引，它們與束縛電荷同數(shù)量而符號相異，但并不是束縛電荷的本身。一般認為，PVDF的壓電性可歸因于以下兩個機理一是尺寸效應(yīng)，所謂尺寸效應(yīng)是假定偶極子為剛性，不隨外加應(yīng)力變化時，由膜厚變化所引起的壓電性，膜厚度的減小會使膜表面的誘導(dǎo)電荷增加；二是結(jié)晶相的本征壓電性，結(jié)晶相的壓電性由電致伸縮效應(yīng)及剩余極化所決定。晶區(qū)和非晶相的介電常數(shù)具有不同的應(yīng)變依賴性，材料處于極化狀態(tài)時， 由電致伸縮效應(yīng)產(chǎn)生壓電性。晶區(qū)的極化強度對應(yīng)變具有依賴性，使晶區(qū)產(chǎn)生內(nèi)部壓電性。專利ZL2005200053518、ZL200720148941. 5提出了一種可以同時測量表面波波速和縱波波速的單層PVDF薄膜線聚焦探頭，此類探頭通過同時測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， 既作為激勵換能器，又作為接收換能器。《中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫工程科技I集(月刊)》第12期刊載了“激光聲表面波用于金屬表面缺陷無損檢測的研究”，它將PVDF壓電薄膜固定在一裝置上，通過電控平移臺棱鏡或柱面鏡進行控制，使其按照預(yù)定的軌跡進行移動，對樣品進行缺陷掃查。在實際使用過程中，PVDF薄膜先作為激勵換能器激勵出超聲波激勵，經(jīng)歷一定時間間隔后，又要作為接收換能器接收超聲波回波。PVDF薄膜會被較強電信號激勵，激勵后會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，飽和將持續(xù)一段時間，此時間內(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量盲區(qū)，使用中，在探頭與試件距離較近時不能得到正常檢測效果。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是設(shè)計一種無測量盲區(qū)、檢測準確率高的基于PVDF壓電薄膜的激光超聲檢測裝置。本實用新型是對激光激勵樣品表面產(chǎn)生的表面波和縱波進行檢測。進而通過信號處理方法，得出樣品表面的缺陷信息。本實用新型主要根據(jù)PVDF壓電薄膜的壓電效應(yīng)，由于壓電薄膜是一個柔性元件， 彎曲能在壓電薄膜上產(chǎn)生很大的應(yīng)變，因而會有高電壓輸出。當器件由于直接接觸而彎曲時，就是一個柔性開關(guān)。所產(chǎn)生的輸出足以直接驅(qū)動CMOS電路。如果元件由引出端支撐并可以自由振動，該元件就是一個振動傳感器?；赑VDF薄膜的壓電特性，設(shè)計了一種固定壓電薄膜的裝置，利用該裝置可以固定并移動壓電薄膜。利用一種PVDF壓電薄膜的柔性和穩(wěn)定壓電性能，將PVDF壓電薄膜固定在設(shè)計好的一種裝置上，通過馬達控制裝置對激光超聲探頭進行控制，馬達控制裝置對超聲探頭的移動軌跡提前規(guī)劃，從而按照設(shè)定好的軌跡進行移動，對樣品進行缺陷掃查。本實用新型的裝置包括Nd: YAG激光器1、分束鏡2、凸透鏡或柱面透鏡3、樣品4、 放大器5、示波器6、控制卡7、光電二極管8、計算機9、縱向控制電機10、橫向控制電機11、 縱向固定板12、PVDF壓電薄膜13、鎢棒14、特氟龍膠15、金屬裝置外殼16、橫向移動滑塊 17、縱向絲桿18、橫向固定底板19、縱向固定底板20、橫向絲桿21、橫向固定板I 22、橫向固定板II 23。激光器1發(fā)出的光對準分束鏡2，分束鏡2后的一部分光進入光電二極管8，光電二極管8輸出接示波器6，進行實時檢測激光器1的光功率，并通過示波器6進行觀察，另一部分激光進入凸透鏡或柱面透鏡3聚焦到樣品4 ；橫向控制電機11的軸與夾固在橫向固定板I 22、橫向固定板II 23和橫向固定底板19之間的橫向絲桿21連接，與橫向絲桿21配合的橫向移動滑塊17同縱向固定板12和縱向固定底板20構(gòu)成框架，安裝在此框架里的縱向絲桿18與縱向控制電機10的軸連接，與縱向絲桿18配合的金屬裝置外殼16里安裝特氟龍膠15、鎢棒14、PVDF壓電薄膜13，PVDF壓電薄膜13對向樣品4 ；金屬裝置外殼16有連線連接放大器5，放大器5的輸出接示波器6的輸入；縱向控制電機10、橫向控制電機11 的電源輸入接與計算機9連接的控制卡7 ；示波器6與計算機9之間有電連接。所述特氟龍，英文名稱為Teflon，它是一種高性能涂料，結(jié)合了耐熱性、化學(xué)惰性和優(yōu)異的絕緣穩(wěn)定性及低摩擦性，具有其他涂料無法抗衡的綜合優(yōu)勢，在檢測裝置中主要目的是起到絕緣作用，防止PVDF薄膜金屬片與金屬外殼導(dǎo)電；所述鎢棒14為一端成刀劈形狀的圓棒，主要利用高熔點，導(dǎo)電的特性；所述PVDF壓電薄膜13全稱為聚偏氟乙烯(PolyvinylideneFluoride)，是一種性能穩(wěn)定的柔性壓電材料，具有良好的機械強度和韌性，并具有獨特的介電效應(yīng)、壓電效應(yīng)和熱電效應(yīng)；PVDF壓電薄膜13附著在微型刀劈上，并鉗緊在特制的金屬外殼上，引出兩個電極；所述PVDF壓電薄膜13、鎢棒14、特氟龍膠15、金屬裝置外殼16及連接端口組成PVDF傳感器，圖2為PVDF傳感器的內(nèi)部構(gòu)造剖面圖；其中，圓柱形刀劈由鎢棒14制成，金屬裝置外殼16由不銹鋼材料制成，外側(cè)鍍有電極的PVDF壓電薄膜13，夾持在金屬裝置外殼16和鎢棒14狹縫之間，而金屬裝置外殼16與鎢棒14之間通過特氟龍膠15絕緣，從而內(nèi)外形成了兩個電極，再由接口將兩個電極引出，并通過高頻電纜線接入前置放大器將信號放大，經(jīng)示波器即可采集到信號；超聲探頭固定在移動裝置上，通過控制移動裝置的馬達，使超聲壓電探頭能夠向各個方向移動，從而實現(xiàn)對樣品表面的掃查；所述金屬裝置外殼16為一面開口的矩形箱，主要作用是固定PVDF壓電薄膜；所述移動裝置接頭，將移動裝置與探頭連接的部分，并有導(dǎo)線引出連接信號放大
ο金屬探頭安裝方法首先將PVDF壓電薄膜13裁剪成8mmX 3mm的片狀結(jié)構(gòu)，其寬度略小于刀口尺寸，并檢查薄膜兩面的極性；其次把刀劈裝入金屬固定塊凹槽中，劈尖伸出狹縫；將PVDF壓電薄膜13鉗緊在刀劈和狹縫之間，安裝過程中要確保薄膜不被損壞.安裝完畢還要檢查探頭內(nèi)部是否導(dǎo)通，保證內(nèi)外部不導(dǎo)通，使得信號能有效被傳感器接收。利用該傳感器進行激光超聲檢測中，PVDF壓電薄膜13直接與樣品4表面接觸，無需耦合劑耦合，與樣品4接觸的PVDF壓電薄膜13為刀口處的部分，由于刀口寬度為“ μ m量級，長度為mm量級，相差I(lǐng)O3數(shù)量級，可以認為是線檢測。采用激光線源激發(fā)時，不但具有很高的空間分辨率和信噪比，而且能接收到更寬頻帶的超聲信號。本實用新型無測量盲區(qū)、檢測準確率高。

[0023]圖1激光超聲檢測系統(tǒng)原理框圖[0024]圖2PVDF傳感器結(jié)構(gòu)圖[0025]其中ι-激光器2-分束鏡[0026]3-凸透鏡或柱面透鏡4-樣品[0027]5-放大器6-示波器[0028]7-控制卡8-光電二極管[0029]9-計算機10-縱向控制電機[0030]11-橫向控制電機12-縱向固定板[0031]13-PVDF壓電薄膜14-鎢棒[0032]15-特氟龍膠16-金屬裝置外殼[0033]17-橫向移動滑塊18-縱向絲桿[0034]19-橫向固定底板20-縱向固定底板[0035]21-橫向絲桿22-橫向固定板[0036]23-橫向固定板24-縱向移動滑塊具體實施方式
實施例.本例的裝置包括Nd: YAG激光器1、分束鏡2、凸透鏡或柱面透鏡3、樣品4、放大器5、示波器6、控制卡7、光電二極管8、計算機9、縱向控制電機10、橫向控制電機11、縱向固定板12、PVDF壓電薄膜13、鎢棒14、特氟龍膠15、金屬裝置外殼16、橫向移動滑塊17、縱向絲桿18、橫向固定底板19、縱向固定底板20、橫向絲桿21、橫向固定板I 22、橫向固定板II 23?？v向移動滑塊M激光器1發(fā)出的光對準分束鏡2，分束鏡2分光后一部分光進入光電二極管8，光電二極管8輸出接示波器6，進行實時檢測激光器1的光功率，并通過示波器6進行觀察，另一部分激光進入凸透鏡或柱面透鏡3聚焦到樣品4 ；橫向控制電機11的軸與夾固在橫向固定板I 22、橫向固定板II 23和橫向固定底板19之間的橫向絲桿21連接，與橫向絲桿21配合的橫向移動滑塊17同縱向固定板12和縱向固定底板20構(gòu)成框架，安裝在此框架里的縱向絲桿18與縱向控制電機10的軸連接，與縱向絲桿18配合的金屬裝置外殼16里安裝特氟龍膠15、鎢棒14、PVDF壓電薄膜13，PVDF壓電薄膜13對向樣品4 ；金屬裝置外殼16有連線連接放大器5，放大器5的輸出接示波器6的輸入；縱橫控制電機10、橫向控制電機11的電源輸入接與計算機9連接的控制卡7 ；示波器6與計算機9之間有電連接。所述特氟龍選美國華孚提供Teflon膠；所述鎢棒14為一端成刀劈形狀的圓棒，尺寸為Φ20Χ 100mm，刀劈為30° ；所述PVDF壓電薄膜13選錦州光電提供的LDT系列；所述金屬裝置外殼16為一面開口的矩形箱，尺寸為120 X 120 X 120mm，由2mm厚鋼板制成；所述PVDF壓電薄膜13、鎢棒14、特氟龍膠15、金屬裝置外殼16及連接端口組成PVDF傳感器，圖2為PVDF傳感器的內(nèi)部構(gòu)造剖面圖；其中，圓柱形刀劈由鎢棒14制成，金屬裝置外殼16由不銹鋼材料制成，外側(cè)鍍有電極的PVDF壓電薄膜13，夾持在金屬裝置外殼16和鎢棒14狹縫之間，而金屬裝置外殼16與鎢棒14之間通過特氟龍膠15絕緣，從而內(nèi)外形成了兩個電極，再由接口將兩個電極引出，并通過高頻電纜線接入前置放大器將信號放大，經(jīng)示波器即可采集到信號；超聲探頭固定在移動裝置，通過控制移動裝置的馬達，可以使超聲壓電探頭能夠向各個方向移動，從而實現(xiàn)對樣品表面的掃查；所述移動裝置接頭，將移動裝置與探頭連接的部分，并有導(dǎo)線引出連接信號放大
ο其中Nd: YAG脈沖激光器1發(fā)出的激光波長1064nm、脈寬IOns ；分束鏡2 選T/R 為 50/50 ；凸透鏡或柱面透鏡3選鍍膜1064平凸球面鏡；放大器5選美國MITEQ前置放大器；示波器6選0TDS3054B數(shù)字示波器；控制卡7選MPC104運動控制卡；光電二極管8選光譜范圍為400 1300nm 二極管；計算機9選雙核E5700 2G內(nèi)存500G硬盤；縱向控制電機10和橫向控制電機11選精密減速步進電機25BY48HJ ；縱向固定板12尺寸為60X60X IOmm ；[0055]橫向移動滑塊17尺寸為60 X 60 X 60mm ；縱向絲桿18尺寸為Φ20X 300mm ；橫向固定底板19尺寸為300 X 60 X IOmm ；縱向固定底板20尺寸為300 X 60 X IOmm;橫向絲桿21尺寸為Φ 20 X 300mm ；橫向固定板I 22尺寸為60X60X10mm ；橫向固定板II 23尺寸為60X60X10mm?？v向移動滑塊24尺寸為60 X 60 X 60mm ；將PVDF壓電薄膜固定在設(shè)計好的一種裝置上，通過馬達控制裝置對激光超聲探頭進行控制，馬達控制裝置對超聲探頭的移動軌跡提前規(guī)劃，從而按照設(shè)定好的軌跡進行移動，對樣品進行缺陷掃查。Nd:YAG脈沖激光通過柱面鏡聚焦成線光源投射到樣品4表面激發(fā)聲表面波。實驗觸發(fā)信號是通過光電二極管8(上升時間為IOOps)，獲取脈沖激光經(jīng)分光鏡反射的散射光來實現(xiàn)。將PVDF傳感器固定在五維精密平移臺上，并使刀劈沿聲表面波傳播方向放置。通過計算機控制橫向電機11，橫向移動滑塊17在橫向絲桿21上移動，從而使PVDF傳感器在試塊表面橫向移動，移動范圍在兩個橫向固定板22-23內(nèi)。通過計算機控制縱向電機，縱向移動滑塊M在縱向絲桿18上移動，移動范圍在12到17內(nèi)，通過縱向移動可以控制PVDF傳感器能夠在樣品4縱向移動，從而實現(xiàn)對樣品4表面的掃描。當脈沖激光在樣品4表面激發(fā)聲表面波時，聲表面波沿表面?zhèn)髦撂綔y點位置，由于聲擾動會導(dǎo)致材料表面發(fā)生微小形變，對PVDF薄膜產(chǎn)生機械應(yīng)力，通過PVDF壓電薄膜13轉(zhuǎn)換為電荷信號，再經(jīng)前置放大器5放大，接入至0TDS3054B數(shù)字示波器6采集超聲信號。本例經(jīng)試驗，激光超聲檢測方法和系統(tǒng)無測量盲區(qū)、檢測準確率高。
權(quán)利要求1.一種基于PVDF壓電薄膜的激光超聲檢測裝置，其特征是它包括Nd:YAG激光器(1)、 分束鏡O)、凸透鏡或柱面透鏡(3)、樣品G)、放大器(5)、示波器(6)、控制卡(7)、光電二極管(8)、計算機(9)、縱向控制電機(10)、橫向控制電機(11)、縱向固定板(12)、PVDF壓電薄膜(13)、鎢棒(14)、特氟龍膠(15)、金屬裝置外殼(16)、橫向移動滑塊(17)、縱向絲桿 (18)、橫向固定底板(19)、縱向固定底板00)、橫向絲桿、橫向固定板I 02)、橫向固定板 II 03)；激光器(1)發(fā)出的光對準分束鏡0)，分束鏡( 后的一部分光進入光電二極管(8)， 光電二極管⑶輸出接示波器(6)，進行實時檢測激光器⑴的光功率，并通過示波器(6) 進行觀察，另一部分激光進入凸透鏡或柱面透鏡C3)聚焦到樣品；橫向控制電機(11) 的軸與夾固在橫向固定板I (22)、橫向固定板II 03)和橫向固定底板(19)之間的橫向絲桿連接，與橫向絲桿配合的橫向移動滑塊(17)同縱向固定板(12)和縱向固定底板00)構(gòu)成框架，安裝在此框架里的縱向絲桿(18)與縱向控制電機(10)的軸連接，與縱向絲桿(18)配合的金屬裝置外殼(16)里安裝特氟龍膠(15)、鎢棒(14)、PVDF壓電薄膜 (13)，PVDF壓電薄膜(13)對向樣品⑷；金屬裝置外殼(16)有連線連接放大器(5)，放大器(5)的輸出接示波器(6)的輸入；縱向控制電機(10)、橫向控制電機(11)的電源輸入接與計算機(9)連接的控制卡(7)；示波器(6)與計算機(9)之間有電連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于PVDF壓電薄膜的激光超聲檢測裝置，其特征是所述鎢棒(14)為一端成刀劈形狀的圓棒。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于PVDF壓電薄膜的激光超聲檢測裝置，其特征是所述 PVDF壓電薄膜(1 為聚偏氟乙烯薄膜，PVDF壓電薄膜(1 附著在微型刀劈上，并鉗緊在特制的金屬外殼上，引出兩個電極。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于PVDF壓電薄膜的激光超聲檢測裝置，其特征是所述金屬裝置外殼(16)為一面開口的矩形箱。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于PVDF壓電薄膜的激光超聲檢測裝置，其特征是 PVDF壓電薄膜(13)、鎢棒(14)、特氟龍膠(15)、金屬裝置外殼(16)及連接端口組成PVDF 傳感器；其中，圓柱形刀劈由鎢棒(14)制成，金屬裝置外殼(16)由不銹鋼材料制成；外側(cè)鍍有電極的PVDF壓電薄膜(1 夾持在金屬裝置外殼(16)和鎢棒(14)狹縫之間，而金屬裝置外殼(16)與鎢棒(14)之間通過特氟龍膠(1 絕緣，形成的內(nèi)外兩個電極再由接口將兩個電極引出，并通過高頻電纜線接入前置放大器。
專利摘要本實用新型是一種基于PVDF壓電薄膜的激光超聲檢測裝置。激光器(1)的光經(jīng)分束鏡(2)后一部分進入輸出接示波器(6)的光電二極管(8)，另一部分進入柱面透鏡(3)聚焦到樣品(4)；橫向控制電機(11)的軸與夾固在橫向固定板I(22)、橫向固定板II(23)和橫向固定底板(19)之間的橫向絲桿(21)連接，橫向移動滑塊(17)同縱向固定板(12)和縱向固定底板(20)構(gòu)成框架，安裝在框架里的縱向絲桿(18)與縱向控制電機(10)的軸連接，有連線接放大器(5)且與縱向絲桿(18)配合的金屬裝置外殼(16)里安裝特氟龍膠(15)、鎢棒(14)和PVDF壓電薄膜(13)。它無測量盲區(qū)、檢測準確率高。
文檔編號G01N21/17GK202339318SQ20112039520
公開日2012年7月18日 申請日期2011年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月17日
發(fā)明者于立成, 任培奎, 劉春宏, 劉春平, 周楓, 張俊楊, 張金權(quán), 曹國瑞, 李維, 楊文明, 焦書浩, 王歷軍, 王小軍, 王飛, 董尉, 郭戈, 閆會朋, 黃現(xiàn)玲 申請人:中國石油天然氣管道局, 中國石油天然氣集團公司