用于激勵和接收非彌散超聲導(dǎo)波的壓電換能器及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于激勵和接收非彌散超聲導(dǎo)波的壓電換能器及制備方法。本發(fā)明的換能器，用于激勵或接收超聲導(dǎo)波，包括：換能板和電極；換能板采用極化后的壓電材料，具有壓電系數(shù)d24，形狀為a×b×c的長方片，滿足a<<b,a<<c；其中，棱邊c為極化方向，b×c面為工作面，兩個相對的a×c面為電極面，在兩個電極面上分別制備電極；當(dāng)激勵電壓或傳來的超聲導(dǎo)波在水平剪切SH波或扭轉(zhuǎn)T波的一階截止頻率以下且在換能器的d24共振頻率的閾值范圍內(nèi)，僅激勵或接收非彌散超聲導(dǎo)波；本發(fā)明的換能器制備工藝簡單、成本低廉，適合工業(yè)批量化生產(chǎn)，將極大的推動基于超聲導(dǎo)波的無損檢測和結(jié)構(gòu)健康檢測的發(fā)展。
【專利說明】
用于激勵和接收非彌散超聲導(dǎo)波的壓電換能器及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及智能材料和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)，具體涉及一種用于激勵和接收非彌散 超聲導(dǎo)波(SH0或T(0，1))的壓電換能器及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 超聲導(dǎo)波檢測已經(jīng)成為無損檢測和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測重要的技術(shù)手段。目前，基于超 聲導(dǎo)波的無損檢測和健康監(jiān)測方法還主要處于實驗室研究階段，用于實際工業(yè)檢測的還不 多。這主要是由于超聲波在實際波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的傳播非常復(fù)雜。以平板中的Lamb波為例，Lamb 波是典型的彌散波，即其相速度和群速度依賴于激勵頻率和板厚的乘積，而且Lamb波在缺 陷和邊界處會發(fā)生波形轉(zhuǎn)換，這給缺陷識別帶來了很大的困難。平板中的0階水平剪切SHO 波具有非彌散、在缺陷和邊界處不發(fā)生波形轉(zhuǎn)換的特點，因而在無損檢測和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測 領(lǐng)域比Lamb波更具應(yīng)用價值。電磁超聲換能器EMAT是目前為業(yè)界所熟知的能夠產(chǎn)生SHO波 的方法，但EMAT只適用于導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，且能量轉(zhuǎn)換效率較低。相比ΕΜΑΤ，壓電換能器具有尺寸 小、能量轉(zhuǎn)換效率高的特點，從而在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域更具優(yōu)勢。然而利用壓電換能器激勵 和接收單模態(tài)的SHO波一直是業(yè)界難題。近年來，哈爾濱工業(yè)大學(xué)周文松課題組利用d36型 壓電單晶成功在平板中激勵出SHO波，但壓電單晶居里溫度較低，價格昂貴且電疇穩(wěn)定性較 差，從而無法走向工業(yè)應(yīng)用。隨后北京大學(xué)李法新課題組在PZT陶瓷中實現(xiàn)了 d36模式，并利 用制備的d36型壓電陶瓷成功在平板中激勵出SHO波。相比壓電單晶，d36型壓電陶瓷具有更 高的居里溫度且制作成本低廉，從而更具應(yīng)用價值。然而無論是d36型壓電單晶還是陶瓷， 都存在和d31模式耦合的問題，從而在激勵出SHO波的同時也會激勵出Lamb波。最近，南卡羅 來納大學(xué)的Victor Gigurgiutiu課題組提出用厚度剪切dl5型壓電換能器激勵SHO波，但該 換能器在沿著極化方向會激勵出信噪比很高的Lamb波，此外該換能器能量轉(zhuǎn)換效率低。綜 上，盡管已經(jīng)有一些換能器相繼被提出用于激勵SHO波，但在較寬頻帶范圍內(nèi)激勵和接收單 模態(tài)的SHO波依然缺乏有效的手段。此外，薄壁圓管中的0階扭轉(zhuǎn)[T (0，1)]波和平板中的SHO 波在本質(zhì)上是等價的，T(0，1)同樣是非彌散超聲導(dǎo)波，在管道檢測中具有重要的價值。理論 上能夠激勵和接收SHO波的換能器也能激勵和接收Τ(0，1)波。故若能設(shè)計制備新的換能器 解決激勵和接收單模態(tài)非彌散超聲導(dǎo)波(SH0或Τ(0，1))波的難題，將有力推動基于超聲導(dǎo) 波的無損檢測和結(jié)構(gòu)健康檢測等領(lǐng)域的發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對激勵和接收單模態(tài)非彌散超聲導(dǎo)波(SHO波和T(0，1)波)面臨的困難，本發(fā)明 提出了一種可以在寬頻帶范圍內(nèi)產(chǎn)生和接收單模態(tài)非彌散超聲導(dǎo)波(SH0波和Τ(0，1)波）的 面內(nèi)剪切d24型壓電換能器，有望推動超聲導(dǎo)波在無損檢測和結(jié)構(gòu)健康檢測等領(lǐng)域的實際 應(yīng)用。
[0004] 本發(fā)明的一個目的在于提出一種面內(nèi)剪切d24型壓電換能器。
[0005] 本發(fā)明的面內(nèi)剪切d24型壓電換能器，用于激勵或接收超聲導(dǎo)波，包括:換能板和 電極;換能板采用極化后的壓電材料，具有壓電系數(shù)d24,形狀為aXbXc的長方片，滿足a〈〈 b，a〈〈c;其中，棱邊c為極化方向，bXc面為工作面，貼在被探測結(jié)構(gòu)的表面，產(chǎn)生或感知非 彌散超聲導(dǎo)波;兩個相對的aXc面為電極面，在兩個電極面上分別制備電極;換能器作為制 動器或傳感器;換能器作為制動器，在電極上施加激勵電壓，由于壓電效應(yīng)d24，工作面產(chǎn)生 面內(nèi)剪切變形，控制激勵電壓的中心頻率，使得在水平剪切SH波或扭轉(zhuǎn)T波的一階截止頻率 以下且在換能器的d24共振頻率的閾值范圍內(nèi)，從而在被探測結(jié)構(gòu)中僅產(chǎn)生非彌散超聲導(dǎo) 波;換能器作為傳感器，當(dāng)傳來的超聲導(dǎo)波的頻率在水平剪切SH波或扭轉(zhuǎn)T波的一階截止頻 率以下且在換能器的d24共振頻率的閾值范圍時，僅有非彌散超聲導(dǎo)波會引起工作面發(fā)生 面內(nèi)剪切變形，從而由于具有壓電系數(shù)d24的壓電效應(yīng)，在電極面形成電位移。
[0006] 非彌散超聲導(dǎo)波包括SHO波和T(0，1)波，當(dāng)被探測結(jié)構(gòu)為平板狀時，本發(fā)明的換能 器在水平剪切SH波一階截止頻率以下僅激勵或接收SHO波；當(dāng)被探測結(jié)構(gòu)為管狀時，本發(fā)明 的換能器在扭轉(zhuǎn)T波一階截止頻率以下僅激勵或接收Τ(0，1)波。
[0007] 換能器作為制動器，激勵超聲導(dǎo)波;或者作為傳感器，接收超聲導(dǎo)波。在特定頻段 下，激勵或接收的超聲導(dǎo)波只有非彌散超聲導(dǎo)波，這個頻段稱作工作頻段。換能板中，a的尺 寸應(yīng)使換能器的d24共振頻率在工作頻段的中心頻率的閾值范圍內(nèi)，閾值為±40KHz;作為 制動器時，c或者b的尺寸應(yīng)該為所激勵波的半波長的奇數(shù)倍;作為傳感器時，c或者b的尺寸 應(yīng)不大于所接收波的半波長。
[0008] 換能板的壓電材料采用鐵電陶瓷，如PZT陶瓷，或者鐵電型的壓電單晶；若采用鐵 電陶瓷，極化時應(yīng)使其剩余極化達到最大值;若采用鐵電型的壓電單晶，則極化時應(yīng)沿著其 自發(fā)極化方向極化，使其極化后的電疇狀態(tài)達到或趨近于單疇狀態(tài)。
[0009] 激勵電壓采用交變電壓，通過控制激勵電壓的頻率，使得在水平剪切SH波或扭轉(zhuǎn)T 波的一階截止頻率以下;激勵電壓的頻率與被探測結(jié)構(gòu)的材料屬性和尺寸有關(guān)。
[0010] 進一步，激勵電壓采用漢寧窗調(diào)制，從而使得激勵的超聲導(dǎo)波的能量更集中。
[0011] 本發(fā)明的另一個目的在于提供一種面內(nèi)剪切d24型壓電換能器的制備方法。
[0012] 本發(fā)明的面內(nèi)剪切d24型壓電換能器的制備方法，包括以下步驟：
[0013] 1)提供換能板的壓電材料，將壓電材料極化，使得具有壓電系數(shù)d24;
[0014] 2)將極化后的壓電材料切成a X b X c的長方片，形成換能板，其中棱邊c為極化方 向，b X c面為工作面，即貼在被探測結(jié)構(gòu)的表面用于產(chǎn)生或感知非彌散超聲導(dǎo)波;兩個相對 的a X c面為電極面，滿足a〈〈b，a〈〈c，a、b和c均為正實數(shù)；
[0015] 3)在換能板的兩個電極面上分別制備電極，并保證制備電極的過程不會改變壓電 材料的極化狀態(tài)。
[0016] 其中，在步驟1)中，壓電材料采用鐵電陶瓷或者鐵電型的壓電單晶;若采用鐵電陶 瓷，極化時應(yīng)使其剩余極化達到最大值;若采用鐵電型的壓電單晶，則極化時應(yīng)沿著其自發(fā) 極化方向極化，使其極化后的電疇狀態(tài)達到或趨近于單疇狀態(tài)。
[0017] 在步驟2)中，換能板中，a的尺寸應(yīng)使換能器的d24共振頻率在工作頻段的中心頻 率的閾值范圍內(nèi)；作為制動器時，c或者b的尺寸應(yīng)該為所激勵波的半波長的奇數(shù)倍;作為傳 感器時，c或者b的尺寸應(yīng)不大于所接收波的半波長。
[0018] 在步驟3)中，制備電極采用離子濺射或化學(xué)鍍的方法。
[0019] 根據(jù)本發(fā)明的方法制備得到的壓電換能器具備如下性質(zhì)，在電極面(aXc面)施加 激勵電壓會誘導(dǎo)工作面(bXc面)發(fā)生面內(nèi)剪切變形，亦或在工作面上施加面內(nèi)剪切應(yīng)力， 材料會在電極面產(chǎn)生電位移。若將本發(fā)明的面內(nèi)剪切d24型壓電換能器貼在平板狀的被探 測結(jié)構(gòu)的表面，在交變電場驅(qū)動下，換能器會在與工作面棱邊垂直的兩個正交方向輻射出 SH波，通過控制激勵電壓在水平剪切SH波的一階截止頻率以下，能在靠近其d24共振頻率附 近只激勵SHO波；另一方面，該換能器也能接收與工作面棱邊垂直的兩個正交方向的SH波， 且在水平剪切SH波的一階截止頻率以下在靠近d24共振頻率附近內(nèi)只接收SHO波。
[0020] 通過本發(fā)明的制備方法獲得的面內(nèi)剪切d24型壓電換能器能夠激勵和接收非彌散 超聲導(dǎo)波(SHO波和T(0，1)波），以在平板中激勵SHO波為例說明工作原理:換能板粘貼到平 板狀的探測結(jié)構(gòu)的表面，b X c面為工作面。當(dāng)在電極面施加交變電壓，換能板在b X c面產(chǎn)生 面內(nèi)剪切變形，從而在平板狀的被探測結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生剪切應(yīng)力。若定義沿著平板狀的被探測 結(jié)構(gòu)的兩條長邊方向分別為X和z方向，板厚沿著y方向，則該剪切應(yīng)力為T xzt3Txz可以等效為 X和Z方向的兩個體力Λ 和/r 。故f x會引起質(zhì)點偏振從而在Z方向形成SH 波，同理f z會在X方向形成SH波，通過控制激勵電壓的頻率，使得在SH波的一階截止頻率以 下，在靠近其d24共振頻率附近只激勵SHO波。另一方面，當(dāng)d24型壓電換能器作為傳感器使 用時，傳來的SHO波會引起換能板的工作面(bXc面)發(fā)生面內(nèi)剪切變形，從而由于d24壓電 效應(yīng)，在電極面(aX c面)形成電位移。
[0021] 本發(fā)明的又一個目的在于提供面內(nèi)剪切d24型壓電換能器用作濾波傳感器的用 途。本發(fā)明的優(yōu)點：
[0022] 本發(fā)明提供了利用壓電換能器在寬頻范圍激勵和接收單模態(tài)非彌散超聲導(dǎo)波 (SH0波和T(0，1)波）的解決方案，而且本發(fā)明提出的面內(nèi)剪切d24型壓電換能器制備工藝簡 單、成本低廉，適合工業(yè)批量化生產(chǎn)，可以預(yù)見本發(fā)明將極大的推動基于超聲導(dǎo)波的無損檢 測和結(jié)構(gòu)健康檢測的發(fā)展。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明的面內(nèi)剪切d24型壓電換能器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024] 圖2為本發(fā)明的面內(nèi)剪切d24型壓電換能器的實施例一用作制動器激勵的波形圖；
[0025] 圖3為本發(fā)明的面內(nèi)剪切d24型壓電換能器的實施例二用作傳感器接收到的波形 圖，其中，
[0026] (a)為以d36型PMN-PT單晶作為傳感器接收到的波形圖，（b)為以本發(fā)明的面內(nèi)剪 切d24型壓電換能器作為傳感器接收到的波形圖。
【具體實施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖，通過具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。
[0028] 實施例一
[0029]如圖1所示，本實施例的面內(nèi)剪切d24型壓電換能器包括:換能板和電極;換能板采 用極化后的壓電材料，具有壓電系數(shù)d24,形狀為3\&\(3的長方片，滿足3〈〈13,3〈〈(3;其中， 棱邊c為極化方向，bXc面為工作面，即貼在結(jié)構(gòu)表面用于產(chǎn)生或感知非彌散超聲導(dǎo)波;兩 個相對的aXc面為電極面，在兩個電極面上分別制備電極。圖1中P代表電極化，箭頭代表極 化方向。直角坐標(biāo)系的第三方向3沿著極化方向，第二方向2與電極面的法線平行，第一方向 1與工作面的法線平行。
[0030] 在本實施例中，壓電材料采用PZT-5H陶瓷，工作頻率為140kHz~230kHz，故各邊的 設(shè)計尺寸為a = lmm，b = c = 6mm〇
[0031] 本實施例的面內(nèi)剪切d24型壓電換能器制備方法，包括以下步驟：
[0032] 1)選取燒結(jié)好的PZT-5H陶瓷，將其切割成6mm X 6mm X 6mm的立方塊，利用離子濺射 儀制備上電極后采用油浴極化的方式極化;極化的工藝如下：將PZT-5H陶瓷用硅油緩慢升 溫至110°C，然后施加1.5kV/mm的直流電場，保溫保載15分鐘后，將溫度降至50°C，然后撤去 電場;將極化后的陶瓷在室溫下老化24小時。
[0033] 2)將步驟1)所得到的陶瓷去掉極化電極，并沿著平行于極化方向切割，切割后的 尺寸為1mm X 6mm X 6mm，開$成換能板，其中沿著極化方向的尺寸為6mm。
[0034] 3)將步驟2)所得換能板在兩個相對的6mmX Imm面上用離子濺射的方式制備上電 極。
[0035]阻抗測試顯示，本實施例的面內(nèi)剪切d24型壓電換能器的壓電系數(shù)d24為750pC/N， d24剪切共振頻率為170kHz，反諧振共振頻率為203kHz，故其在140kHz~230kHz間具備良好 的工作性能。
[0036]圖2展示了本實施例制備的面內(nèi)剪切d24型壓電換能器作為制動器在Imm厚的鋁板 用150kHz信號激勵SHO波的實驗結(jié)果。從圖2中可以清晰的看到，當(dāng)用d36型PMN-PT單晶作為 傳感器接收時，只有SHO波被探測到。d36型PMN-PT單晶既可以接收SH波，也可以接收Lamb 波，故可以確定本實施例的d24型壓電換能器在150kHz激勵出了純的SHO波。進一步實驗結(jié) 果表明本實施例的d24型壓電換能器貼在平板上可以在140kHz~200kHz的范圍內(nèi)激勵出純 的SHO波。目前現(xiàn)有技術(shù)中的其他各類換能器還不能在較寬頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生純的SHO波。 [0037] 實施例二
[0038]在本實施例中，將實施例一中制備的面內(nèi)剪切d24型壓電換能器用作傳感器。
[0039]圖3展示了用d36型PZT陶瓷作為制動器激勵220kHz超聲導(dǎo)波，用實施例一制備的 面內(nèi)剪切d24型壓電換能器作為傳感器接收波的實驗結(jié)果。d36型PZT陶瓷可以同時激勵S0， AO和SHO波，當(dāng)用d36型PMN-PT單晶作為傳感器接收時，三種波都可以被探測，如圖3(a)所 示。當(dāng)用本實施例的面內(nèi)剪切d24型壓電換能器接收時，只有SHO波被探測到，而SO和AO波被 過濾掉了，如圖3(b)所示。進一步的實驗表明，本實施例所提出的d24型壓電換能器可以在 140kHz~230kHz的范圍內(nèi)過濾掉SO和AO波，只接收SHO波。這表明本發(fā)明可以用作濾波傳感 器，可以極大的降低接收信號的復(fù)雜度，具有重要的應(yīng)用價值。目前其他各類換能器還不能 在較寬頻范圍內(nèi)只接收單模態(tài)的SHO波。
[0040]最后需要注意的是，公布實施例的目的在于幫助進一步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng)域 的技術(shù)人員可以理解:在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修 改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于實施例所公開的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護的范圍以權(quán) 利要求書界定的范圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項】
1. 一種面內(nèi)剪切d24型壓電換能器，用于激勵或接收超聲導(dǎo)波，其特征在于，所述換能 器包括:換能板和電極;所述換能板采用極化后的壓電材料，具有壓電系數(shù)d24,形狀為aXb Xc的長方片，滿足a〈〈b，a〈〈c;其中，棱邊c為極化方向，bXc面為工作面，貼在被探測結(jié)構(gòu) 的表面，產(chǎn)生或感知非彌散超聲導(dǎo)波;兩個相對的aXc面為電極面，在兩個電極面上分別制 備電極;所述換能器作為制動器或傳感器;所述換能器作為制動器，在電極上施加激勵電 壓，由于壓電效應(yīng)，具有壓電系數(shù)d24的工作面產(chǎn)生面內(nèi)剪切變形，控制激勵電壓的中心頻 率，使得在水平剪切SH波或扭轉(zhuǎn)T波的一階截止頻率以下且在換能器的d24共振頻率的閾值 范圍內(nèi)，從而在被探測結(jié)構(gòu)中僅產(chǎn)生非彌散超聲導(dǎo)波;所述換能器作為傳感器，當(dāng)傳來的超 聲導(dǎo)波的頻率在水平剪切SH波或扭轉(zhuǎn)T波的一階截止頻率以下且在換能器的d24共振頻率 的閾值范圍時，僅有非彌散超聲導(dǎo)波會引起工作面發(fā)生面內(nèi)剪切變形，從而由于具有壓電 系數(shù)d24的壓電效應(yīng)，在電極面形成電位移。2. 如權(quán)利要求1所述的換能器，其特征在于，所述換能板中，a的尺寸使得換能器的d24 共振頻率在工作頻段的中心頻率的閾值范圍內(nèi)。3. 如權(quán)利要求1所述的換能器，其特征在于，所述換能器作為制動器時，換能板中，c或 者b的尺寸為所激勵波的半波長的奇數(shù)倍;所述換能器作為傳感器時，換能板中，c或者b的 尺寸不大于所接收波的半波長。4. 如權(quán)利要求1所述的換能器，其特征在于，所述激勵電壓采用漢寧窗調(diào)制。5. 如權(quán)利要求1所述的換能器，其特征在于，所述換能板的壓電材料采用鐵電陶瓷或者 鐵電型的壓電單晶。6. 如權(quán)利要求5所述的換能器，其特征在于，所述換能板的壓電材料采用PZT陶瓷。7. -種面內(nèi)剪切d24型壓電換能器的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括以下步 驟： 1) 提供換能板的壓電材料，將壓電材料極化，使得具有壓電系數(shù)d24; 2) 將極化后的壓電材料切成a X b X c的長方片，形成換能板，其中棱邊c為極化方向，b Xc面為工作面，即貼在被探測結(jié)構(gòu)的表面用于產(chǎn)生或感知非彌散超聲導(dǎo)波;兩個相對的a \(3面為電極面，滿足3〈〈13,3〈〈〇，3、13和〇均為正實數(shù)； 3) 在換能板的兩個電極面上分別制備電極，并保證制備電極的過程不會改變壓電材料 的極化狀態(tài)。8. 如權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于，所述在步驟1)中，壓電材料采用鐵電陶 瓷或者鐵電型的壓電單晶;若采用鐵電陶瓷，極化時應(yīng)使其剩余極化達到最大值;若采用鐵 電型的壓電單晶，則極化時應(yīng)沿著其自發(fā)極化方向極化，使其極化后的電疇狀態(tài)達到或趨 近于單疇狀態(tài)。9. 如權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于，在步驟3)中，制備電極采用離子濺射或 化學(xué)鍍的方法。10. -種如權(quán)利要求1所述的面內(nèi)剪切d24型壓電換能器用作濾波傳感器的用途。
【文檔編號】H01L41/08GK105842348SQ201610213142
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年4月7日
【發(fā)明人】李法新, 苗鴻臣, 譚池
【申請人】北京大學(xué)