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
技術領域：
一種雙層PVDF壓電薄膜線聚焦超聲探頭技術領域一種采用雙層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 波速的測量，進而實現(xiàn)對材料力學性能的評價，屬于無損檢測技術領域。
技術背景-材料科學發(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，達到5100%,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性能，就必須對材料進行力學性能測試。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10mra，且根據不同的工藝， 所能制備的尺寸也不相同。在這種情況下，對材料進行力學性能測試，無法采用如破壞試 驗等常規(guī)的力學性能測試方法。探索和開發(fā)新型的測試方法與儀器成為國內外學者的研究 熱點。近年來，人們研究并提出了許多新型力學性能測試方法，如納米壓痕技術、聲學 顯微鏡技術、表面聲波技術、激光超聲技術等。聲學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線聚焦探頭對于材料力學性能的評價很有必要。專利ZL. 2005200053518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。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。 實用新型內容本實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 激勵層和接收層，產生和接收超聲信號，可以用于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)，克服單層PVDF薄膜線聚焦探頭測量盲區(qū)大的 缺點，在探頭與被測試件相距較近時仍然獲得較好的實驗效果。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、激勵用 壓電元件、接收用壓電元件、保護層、激勵接收耦合層、背襯層、激勵信號輸入通道和接 收信號輸出通道。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；所述的激勵用壓電元件為上表面附著激勵用壓電元件負電極11并下表面附著激勵用 壓電元件正電極12的激勵用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材料的瑞利角的兩倍；所述激勵用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；所述激勵接收耦合層8緊密粘附在激勵用PVDF壓電薄膜14上表面，呈與激勵用壓電 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緊密粘附在激勵接收耦合層8上表面，呈與激勵接收耦合
層8上表面弧度一致的上凹弧形；所述保護層13緊密附著于激勵用PVDF壓電薄膜14下表面，呈與激勵用PVDF壓電薄 膜14下表面弧度一致的上凹弧形；所述激勵信號輸入通道由激勵信號輸入通道的信號正極通路和激勵信號輸入通道的 信號負極通路組成；所述激勵信號輸出通道由激勵信號輸出通道的信號正極通路和激勵信號輸出通道的 信號負極通路組成；所述激勵信號輸入通道的信號正極通路由激勵用壓電元件正電極12、激勵用壓電元件 正電極引線17、激勵信號輸入插座1正極連接而成；所述激勵信號輸入通道的信號負極通路由激勵用壓電元件負電極11、激勵用壓電元件 負電極引線16、激勵信號輸入插座1負極連接而成；所述接收信號輸出通道的信號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、接收信號輸出插座2正極連接而成；所述接收信號輸出通道的信號負極通路由接收用壓電元件負電極io、接收用壓電元件負電極引線4、接收信號輸出插座2負極連接而成；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接收裝置激勵接收信號，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，可以同時 測量材料表面波波速和縱波波速，信號信噪比高，測量盲區(qū)小。

-附圖1:探頭結構示意圖1、激勵信號輸入插座，2、接收信號輸出插座，3、殼蓋，4、接收用壓電元件負電極引線， 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、接收用壓電元件負電極，11、激勵用壓電元件負電極，12、 激勵用壓電元件正電極，13、保護層，14、激勵用PVDF薄膜，15、背襯層，16、激勵用 壓電元件負電極引線，17、激勵用壓電元件正電極引線，18、沉頭螺釘
附圖2:探頭應用系統(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、計算機具體實施方式
-本實用新型的具體技術方案參見圖1。本探頭殼體6及殼蓋3采用不銹鋼材料加工，殼體6設計為35X20X30mm (長X寬 X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14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?所以，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6(T 80 °范圍內。在探頭實際設計中采用孔徑角為72。。PVDF壓電薄膜14和PVDF壓電薄膜7作為壓電換能元件，兩者為同一型號的器件， 分別發(fā)揮其逆壓電效應和正壓電效應，起著超聲波產生與接收的作用，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50Wn。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。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，彎折段正電極與正極引線粘接，彎折段負電極與負極引線 粘接。激勵接收耦合層8位于激勵用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。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。電極引線采用O0.2漆包線，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。本探頭保護層13采用防水漆料噴涂于激勵用PVDF壓電薄膜14下表面制成。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、保護層、背襯層、信號通道；所述的探頭外殼為中空立方體下表面經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用壓電元件、接收用壓電元件，信號通道分為激勵信號輸入通道和接收信號輸出通道，還包括激勵接收耦合層；所述的激勵用壓電元件為上表面附著激勵用壓電元件負電極(11)并下表面附著激勵用壓電元件正電極(12)的激勵用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電極(10)的接收用PVDF壓電薄膜(7)；所述的激勵用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；所述激勵接收耦合層(8)緊密粘附在激勵用PVDF壓電薄膜(14)上表面，呈與激勵用壓電薄膜(14)上表面弧度一致的上凹弧形；所述接收用PVDF壓電薄膜(7)緊密粘附在激勵接收耦合層(8)上表面，呈與激勵接收耦合層(8)上表面弧度一致的上凹弧形；所述保護層(13)緊密附著于激勵用PVDF壓電薄膜(14)下表面，呈與激勵用PVDF壓電薄膜(14)下表面弧度一致的上凹弧形；所述激勵信號輸入通道由激勵信號輸入通道的信號正極通路和激勵信號輸入通道的信號負極通路組成；所述激勵信號輸出通道由激勵信號輸出通道的信號正極通路和激勵信號輸出通道的信號負極通路組成；所述激勵信號輸入通道的信號正極通路由激勵用壓電元件正電極(12)、激勵用壓電元件正電極引線(17)、激勵信號輸入插座(1)正極連接而成；所述激勵信號輸入通道的信號負極通路由激勵用壓電元件負電極(11)、激勵用壓電元件負電極引線(16)、激勵信號輸入插座(1)負極連接而成；所述接收信號輸出通道的信號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)、接收信號輸出插座(2)正極連接而成；所述接收信號輸出通道的信號負極通路由接收用壓電元件負電極(10)、接收用壓電元件負電極引線(4)、接收信號輸出插座(2)負極連接而成；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，屬于無損檢測技術領域。包括有探頭外殼、激勵用壓電元件、接收用壓電元件、保護層、激勵接收耦合層、背襯層、激勵信號輸入通道和接收信號輸出通道。所述的激勵用壓電元件為上表面附著激勵用壓電元件負電極(11)并下表面附著激勵用壓電元件正電極(12)的激勵用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電極(10)的接收用PVDF壓電薄膜(7)。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，可以同時測量材料表面波波速和縱波波速，信號信噪比高，測量盲區(qū)小。
文檔編號G01N29/24GK201034982SQ20072014894
公開日2008年3月12日 申請日期2007年4月27日 優(yōu)先權日2007年4月27日
發(fā)明者何存富, 宋國榮, 垚 黃 申請人:北京工業(yè)大學