一種同軸雙弧面非貫通型氣體基線聚焦空氣耦合傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種同軸雙弧面非貫通型氣體基線聚焦空氣耦合傳感器，屬于聲學(xué)換能器技術(shù)領(lǐng)域，其作用是把激勵端產(chǎn)生的電信號轉(zhuǎn)換為壓電材料的振動進而產(chǎn)生超聲波，同時接收從被測件反射回的聲波信號，并將其轉(zhuǎn)換為電信號。本發(fā)明采用同軸雙弧面非貫通型氣體基壓電復(fù)合材料作為激勵接收敏感元件，與上電極、下電極、透射層、背襯層、阻抗匹配電路、金屬外殼、BNC接頭等組合成同軸雙弧面非貫通型氣體基線聚焦空氣耦合傳感器，該傳感器具有聲阻抗低、能量傳輸效率高、聲能量集中等優(yōu)點，完全可以滿足實驗需要。
【專利說明】
一種同軸雙弧面非貫通型氣體基線聚焦空氣耦合傳感器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于空氣耦合式超聲檢測的同軸雙弧面非貫通型氣體基線聚焦 壓電傳感器，屬于聲學(xué)換能器技術(shù)領(lǐng)域，其作用是把激勵端產(chǎn)生的電信號轉(zhuǎn)換為壓電材料 的振動進而產(chǎn)生超聲波，同時接收從被測件反射回的聲波信號，并將其轉(zhuǎn)換為電信號。整個 激勵和接收過程均采用空氣耦合的方式，實現(xiàn)了對被測材料進行非接觸檢測的目的。
【背景技術(shù)】
[0002] 在超聲波檢測中，利用耦合介質(zhì)進行聲波耦合的方法占主導(dǎo)地位，但耦合介質(zhì)的 使用會使耦合條件存在差異，對激勵、接收信號的幅值和相位有較大影響，并且耦合劑會使 試樣受潮或變污，影響被測材料的性能和正常使用。另外，耦合劑的耦合效果在不同環(huán)境溫 度條件下差異較大，會嚴(yán)重影響檢測效果。因此，非接觸式超聲檢測技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。 目前，非接觸式超聲檢測技術(shù)主要有空氣親合超聲檢測技術(shù)、電磁超聲檢測技術(shù)和激光超 聲檢測技術(shù)，此三種方法均無需采用任何液體或固體耦合介質(zhì)即可直接在被測件中激勵出 超聲波，而空氣耦合超聲檢測技術(shù)對設(shè)備和被測件的要求較低，解決了實驗條件難以統(tǒng)一 的問題。
[0003] 在空氣耦合檢測過程中，壓電敏感元件與空氣之間存在著高聲阻抗差，大大降低 了能量傳輸效率。針對這個問題，設(shè)計制作非貫通型氣體基壓電復(fù)合材料，使其等效聲阻抗 能夠盡量與空氣接近，提高能量傳輸效率。除此之外，聲波在空氣中傳播時存在著較大的能 量衰減，減少了傳播到被測件中的聲波能量，也大大減弱了傳感器接收到的聲能量的強度。 為了解決這個問題，設(shè)計制作聚焦式傳感器，以實現(xiàn)聲能量的匯聚，提高傳播到被測件以及 接收傳感器中的聲能量的強度。目前，常規(guī)的聚焦式傳感器是采用在壓電材料表面增加聲 透鏡的方法，來實現(xiàn)聲波的匯聚。由于在制作精密聲透鏡時，材料昂貴、加工困難，且激勵元 件與透鏡之間的聲阻抗不匹配以及鏡頭與空氣之間的聲阻抗不匹配，導(dǎo)致了能量傳輸效率 的下降，因此傳統(tǒng)的透鏡式聚焦傳感器不適用于空氣耦合超聲檢測。而以具有同軸雙弧面 結(jié)構(gòu)的非貫通型氣體基壓電復(fù)合材料作為敏感元件制作的線聚焦式傳感器，既可以保證傳 感器的低聲阻抗特性，又可以實現(xiàn)聲能量的聚焦，最終可適用到空氣耦合超聲檢測中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提出一種同軸雙弧面非貫通型氣體基線聚焦空氣耦合傳感器，并 將激勵/接收統(tǒng)一在一個傳感器中，實現(xiàn)非接觸檢測的目的。
[0005] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明包含了如下部件：同軸雙弧面非貫通型氣體基壓電復(fù) 合材料1、上電極2、下電極3、阻抗匹配層4、背襯層5、阻抗匹配電路6、金屬外殼7、BNC接頭8。
[0006] 傳感器的整體裝配圖如圖1所示，同軸雙弧面非貫通型氣體基壓電復(fù)合材料結(jié)構(gòu) 示意圖如圖2所示。
[0007] 整個傳感器的核心部件為同軸雙弧面非貫通型氣體基壓電復(fù)合材料1，同軸雙弧 面非貫通型氣體基壓電復(fù)合材料1的上、下表面分別鍍有金屬電極上電極2、下電極3;背襯 層5與上電極2粘結(jié)，阻抗匹配層4與下電極3粘接;上電極2、下電極3組成電極端；阻抗匹配 電路6設(shè)置在背襯層5的頂部，阻抗匹配電路6與BNC接頭8連接并固定在金屬外殼7的頂部， 上電極2與BNC接頭8的插針導(dǎo)通，下電極3與BNC接頭8的殼體導(dǎo)通。金屬外殼7用于封裝同軸 雙弧面非貫通型氣體基壓電復(fù)合材料1、上電極2、下電極3、阻抗匹配層4、背襯層5、阻抗匹 配電路6,且所有封裝部件在裝配時均與金屬外殼7同軸布置。
[0008] 同軸雙弧面非貫通型氣體基壓電復(fù)合材料1為本傳感器的核心部件，該核心部件 由壓電柱9和環(huán)氧樹脂支架11組成，壓電柱9在環(huán)氧樹脂支架11內(nèi)等夾角爐布置，各壓電柱9 之間以及環(huán)氧樹脂支架11之間填充有非貫通的空氣隙10。
[0009] 壓電柱9的幾何結(jié)構(gòu)是橫截面為正方形的長方體，如圖6所示，其橫截面邊長為a = 0.5mm ~2 · 5mm，高度為h = 5mm ~25mm 〇
[0010] 如圖3、圖4、圖5所示，環(huán)氧樹脂支架11是含有非貫通型空氣隙10的結(jié)構(gòu)，空氣隙10 的兩端設(shè)有厚度均勾的環(huán)氧樹脂層，該環(huán)氧樹脂層厚度為r = 0.5mm~1mm;如圖2、圖3、圖4、 圖5所示，同軸雙弧面非貫通型氣體基壓電復(fù)合材料1頂部設(shè)有上圓柱面，底部中間設(shè)有下 圓柱面，且上、下圓柱面同軸，上圓柱面半徑為Ri = 7mm~55mm，下圓柱面半徑為R2 = 2mm~ 30mm，上下圓柱面長度均為s = 10mm~40mm，上下圓柱面張角均為θ = 20°~100°，且下圓柱 面邊緣設(shè)有水平方向平臺，寬度為m=0.5~1.5mm，長度為s。同軸雙弧面非貫通型氣體基壓 電復(fù)合材料1整體橫截面寬度為s = 10mm~40mm，徑向高度為t = 5mm~25mm。
[0011] 如圖3、圖4、圖5所示，斜線填充部分為壓電柱9,黑色填充部分為環(huán)氧樹脂支架11， 未填充部分為非貫通的空氣隙10。其中相鄰壓電柱9軸線之間的夾角為p =3°~7°;空氣隙 1 〇為扇形結(jié)構(gòu)，扇形結(jié)構(gòu)的空氣隙寬度為d = 0.2mm~0.8mm，和e = 0.5mm~2.5mm;每個壓電 柱9周圍的支架寬度均為c = 0.1mm~0· 3mm。壓電復(fù)合材料的上電極2、下電極3的厚度均為 50nm~500nm,阻抗匹配層4的厚度為3mm~8mm;背襯層5上表面為平面，下表面為與上電極2 的上表面重合的圓柱面，背襯層5上表面中心位置到上電極2的上表面中心位置厚度為10mm ~30mm〇
[0012] 本發(fā)明以一種同軸雙弧面非貫通型氣體基壓電復(fù)合材料作為敏感元件，制作出具 有線聚焦功能的空氣耦合傳感器，該傳感器具有聲阻抗低、能量傳輸效率高、聲能量集中等 優(yōu)點。
【附圖說明】
[0013] 圖1傳感器整體裝配圖；
[0014] 圖2同軸雙弧面非貫通型氣體基壓電復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015] 圖3壓電復(fù)合材料局部剖視俯視圖；
[0016] 圖4壓電復(fù)合材料局部剖視正視圖（一）；
[0017]圖5壓電復(fù)合材料局部剖視正視圖（二）；
[0018]圖6壓電柱結(jié)構(gòu)不意圖；
【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖1-6,以張角0 = 90°，聚焦半徑即下圓柱面半徑R2 = 20mm的傳感器為 實例對具體的實施方式作進一步的說明。這里選定壓電柱9的橫截面邊長為a= 1.5mm，高度 h= 15mm;環(huán)氧樹脂支架11的整體橫截面寬度為s = 32.5mm，徑向高度t = 20mm，圓柱面長度s =32.5mm，上圓柱面半徑為Ri = 35mm，下圓柱面邊緣處平臺寬度為m = 1mm，長度為s = 32.5mm;扇形體空氣隙的寬度為d = 0.2mm，以及e = 1.5mm，空氣隙10兩端的環(huán)氧樹脂層厚度 為r = 0.5mm;支架寬度為c = 0.2mm;相鄰壓電柱9軸線之間的夾角為於_=6_° _。
[0020] 如圖1所示，該傳感器包括同軸雙弧面非貫通型氣體基壓電復(fù)合材料1、上電極2、 下電極3、阻抗匹配層4、背襯層5、阻抗匹配電路6、金屬外殼7、BNC接頭8等。其中的核心部件 同軸雙弧面非貫通型氣體基壓電復(fù)合材料1由壓電柱9和環(huán)氧樹脂支架11組成。
[0021] 壓電柱9的極化方向為高度方向，其在環(huán)氧樹脂支架11中呈等夾角周期分布。通過 對壓電復(fù)合材料的上下表面進行精細(xì)研磨，去除多余的壓電柱部分，使壓電柱的一端與環(huán) 氧樹脂支架的上圓柱面貼合，另一端與支架的下圓柱面貼合，且保證上下表面均達到鏡面 等級，粗糙度Ra$0.2um，然后通過濺射鍍膜的方式在其上下表面鍍電極，上下電極厚度均 為250nm。背襯層5由環(huán)氧樹脂和鎢粉混合調(diào)制而成，同時按照上電極2的結(jié)構(gòu)尺寸制作并與 之同軸粘接，其上表面中心位置到上電極2的上表面中心位置厚度為15mm;阻抗匹配層4的 材料為環(huán)氧樹脂，同時按照下電極3的結(jié)構(gòu)尺寸制作并與之同軸粘接，其厚度為3mm。阻抗匹 配電路6在背襯層5的上方，一端與BNC接頭8的插針相連接，另一端經(jīng)導(dǎo)線與上電極2相連 接。金屬外殼7的內(nèi)表面與上電極2絕緣，與下電極3導(dǎo)通;金屬外殼7的外表面與BNC接頭8的 殼體相接觸并導(dǎo)通。
【主權(quán)項】
1. 一種同軸雙弧面非貫通型氣體基線聚焦空氣耦合傳感器，其特征在于：該傳感器包 括同軸雙弧面非貫通型氣體基壓電復(fù)合材料（1)、上電極(2)、下電極(3)、阻抗匹配層(4)、 背襯層(5)、阻抗匹配電路(6)、金屬外殼(7)、BNC接頭(8); 整個傳感器的核心部件為同軸雙弧面非貫通型氣體基壓電復(fù)合材料（1)，同軸雙弧面 非貫通型氣體基壓電復(fù)合材料（1)的上、下表面分別鍍有金屬電極上電極(2)、下電極(3); 背襯層(5)與上電極(2)粘結(jié)，阻抗匹配層(4)與下電極(3)粘接;上電極(2)、下電極(3)組成 電極端;阻抗匹配電路(6)設(shè)置在背襯層(5)的頂部，阻抗匹配電路(6)與BNC接頭(8)連接并 固定在金屬外殼(7)的頂部，上電極(2)與BNC接頭(8)的插針導(dǎo)通，下電極(3)與BNC接頭(8) 的殼體導(dǎo)通;金屬外殼(7)用于封裝同軸雙弧面非貫通型氣體基壓電復(fù)合材料（1)、上電極 (2)、下電極(3)、阻抗匹配層(4)、背襯層（5)、阻抗匹配電路(6)，且所有封裝部件在裝配時 均與金屬外殼(7)同軸布置； 同軸雙弧面非貫通型氣體基壓電復(fù)合材料（1)為本傳感器的核心部件，該核心部件由 壓電柱(9)和環(huán)氧樹脂支架（11)組成，壓電柱(9)在環(huán)氧樹脂支架(11)內(nèi)等夾角f布置，各壓 電柱(9)之間以及環(huán)氧樹脂支架(11)之間填充有非貫通的空氣隙（10)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種同軸雙弧面非貫通型氣體基線聚焦空氣耦合傳感器，其 特征在于:壓電柱(9)的幾何結(jié)構(gòu)是橫截面為正方形的長方體，其橫截面邊長為a = 0.5mm~ 2.5mm，高度為h = 5mm ~25mm 〇3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種同軸雙弧面非貫通型氣體基線聚焦空氣耦合傳感器，其 特征在于:環(huán)氧樹脂支架（11)是含有非貫通型空氣隙（10)的結(jié)構(gòu)，空氣隙（10)的兩端設(shè)有 厚度均勾的環(huán)氧樹脂層，該環(huán)氧樹脂層厚度為r = 0.5mm~1mm;同軸雙弧面非貫通型氣體基 壓電復(fù)合材料(1)頂部設(shè)有上圓柱面，底部中間設(shè)有下圓柱面，且上、下圓柱面同軸，上圓柱 面半徑為Ri = 7mm~55mm，下圓柱面半徑為R2 = 2mm~30mm，上下圓柱面長度均為s = 10mm~ 40mm，上下圓柱面張角均為θ = 20°~100°，且下圓柱面邊緣設(shè)有水平方向平臺，寬度為m = 0.5~1.5mm，長度為s;同軸雙弧面非貫通型氣體基壓電復(fù)合材料(1)整體橫截面寬度為s = ICtam~4Ctam，徑向高度為t = 5謹(jǐn)~25謹(jǐn)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種同軸雙弧面非貫通型氣體基線聚焦空氣耦合傳感器，其 特征在于:相鄰壓電柱(9)軸線之間的夾角為供=3°~7%空氣隙（10)為扇形結(jié)構(gòu)，扇形結(jié)構(gòu) 的空氣隙寬度為d = 0.2mm~0.8mm，和e = 0.5mm~2.5mm;每個壓電柱(9)周圍的支架寬度均 為c = 0.1mm~0.3mm;壓電復(fù)合材料的上電極(2)、下電極(3)的厚度均為50nm~500nm，阻抗 匹配層(4)的厚度為3mm~8mm;背襯層(5)上表面為平面，下表面為與上電極(2)的上表面重 合的圓柱面，背襯層（5)上表面中心位置到上電極（2)的上表面中心位置厚度為10mm~ 30mm 〇
【文檔編號】B06B1/06GK105944947SQ201610500528
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月29日
【發(fā)明人】呂炎, 李永坤, 何存富, 劉秀成, 焦敬品, 吳斌
【申請人】北京工業(yè)大學(xué)