一種用于激勵和接收非彌散超聲導(dǎo)波的壓電換能器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型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。本實(shí)用新型的換能器，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；本實(shí)用新型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】
-種用于激勵和接收非彌散超聲導(dǎo)波的壓電換能器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型設(shè)及智能材料和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)，具體設(shè)及一種用于激勵和接收非 彌散超聲導(dǎo)波(S冊或Τ(0，1))的壓電換能器。
【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(shí)驗(yàn)室研究階段，用于實(shí)際工業(yè)檢測的還不 多。運(yùn)主要是由于超聲波在實(shí)際波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的傳播非常復(fù)雜。W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，運(yùn)給缺陷識別帶來了很大的困難。平板中的0階水平剪切SH0 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(diǎn)，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)生細(xì)0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EMAT，壓電換能器具有尺寸 小、能量轉(zhuǎn)換效率高的特點(diǎn)，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)的細(xì)0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甜0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(shí)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甜0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模式禪合的問題，從而在激勵出甜0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S冊波，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S朋波，但在較寬頻帶范圍內(nèi)激勵和接收單 模態(tài)的甜0波依然缺乏有效的手段。此外，薄壁圓管中的0階扭轉(zhuǎn)[Τ(0，1)]波和平板中的甜0 波在本質(zhì)上是等價的，Τ(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S朋波的換能器也能激勵和接收Τ(0，1)波。故若能設(shè)計(jì)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。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0003] 針對激勵和接收單模態(tài)非彌散超聲導(dǎo)波(SH0波和Τ(0，1)波)面臨的困難，本實(shí)用 新型提出了一種可W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(shí)際應(yīng)用。
[0004] 本實(shí)用新型的面內(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，控制激勵電壓的中屯、頻率，使得在水平剪切SH波或扭轉(zhuǎn)T波的一階截止 頻率W下且在換能器的d24共振頻率的闊值范圍內(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W下且在換能器的d24共振頻率的闊值范圍時，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。
[0005] 非彌散超聲導(dǎo)波包括S冊波和Τ(0，1)波，當(dāng)被探測結(jié)構(gòu)為平板狀時，本實(shí)用新型的 換能器在水平剪切SH波一階截止頻率W下僅激勵或接收S朋波；當(dāng)被探測結(jié)構(gòu)為管狀時，本 實(shí)用新型的換能器在扭轉(zhuǎn)Τ波一階截止頻率W下僅激勵或接收Τ(0，1)波。
[0006] 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，運(yùn)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屯、頻率的闊值范圍內(nèi)，闊值為±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。
[0007] 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(dá)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(dá)到或趨近于單疇狀態(tài)。
[0008] 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W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)。
[0009] 進(jìn)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。
[0010] 本實(shí)用新型的面內(nèi)剪切d24型壓電換能器的制備方法，包括W下步驟：
[0011] 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;
[0012] 2)將極化后的壓電材料切成aXbXc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aXc面為電極面，滿足曰《13，曰<<(3，曰、13和(3均為正實(shí)數(shù)；
[0013] 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)。
[0014] 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(dá)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(dá)到或趨近于單疇狀態(tài)。
[0015] 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屯、頻 率的闊值范圍內(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。
[0016] 在步驟3)中，制備電極采用離子瓣射或化學(xué)鍛的方法。
[0017] 根據(jù)本實(shí)用新型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。若將本實(shí)用新型的面內(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 福射出甜波，通過控制激勵電壓在水平剪切甜波的一階截止頻率W下，能在靠近其d24共振 頻率附近只激勵甜0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，且在水平剪切甜波的一階截止頻率W下在靠近d24共振頻率附近內(nèi)只接收甜0波。
[0018] 通過本實(shí)用新型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(SH0波和Τ(0，1)波），W在平板中激勵細(xì)0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TxzdTxz可W等 效為X和Z方向的兩個體力乂 =3r、,. /&和/_ =5r、:/&r。故fx會引起質(zhì)點(diǎn)偏振從而在Z方向形 成細(xì)波，同理fz會在X方向形成甜波，通過控制激勵電壓的頻率，使得在甜波的一階截止頻 率W下，在靠近其d24共振頻率附近只激勵S朋波。另一方面，當(dāng)d24型壓電換能器作為傳感 器使用時，傳來的S冊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(aXc面)形成電位移。
[0019] 本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)：
[0020] 本實(shí)用新型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(S冊波和Τ(0，1)波）的解決方案，而且本實(shí)用新型提出的面內(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W預(yù)見本實(shí)用新型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】
[0021] 圖1為本實(shí)用新型的面內(nèi)剪切d24型壓電換能器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022] 圖2為本實(shí)用新型的面內(nèi)剪切d24型壓電換能器的實(shí)施例一用作制動器激勵的波 形圖；
[0023] 圖3為本實(shí)用新型的面內(nèi)剪切d24型壓電換能器的實(shí)施例二用作傳感器接收到的 波形圖，其中，（a)為Wd36型PMN-PT單晶作為傳感器接收到的波形圖，（b)為W本實(shí)用新型 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(shí)施方式】
[0024] 下面結(jié)合附圖，通過具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本實(shí)用新型。
[00巧]實(shí)施例一
[0026] 如圖1所示，本實(shí)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，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Ξ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。
[0027] 在本實(shí)施例中，壓電材料采用PZT-5邱甸瓷，工作頻率為140曲Z~230曲Z，故各邊的 設(shè)計(jì)尺寸為過二lnun,b = c = 0mm。
[0028] 本實(shí)施例的面內(nèi)剪切d24型壓電換能器制備方法，包括W下步驟：
[0029] 1)選取燒結(jié)好的PZT-甜陶瓷，將其切割成6mm X 6mm X 6mm的立方塊，利用離子瓣射 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-5邱甸瓷用硅油緩慢升 溫至110°C，然后施力日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。
[0030] 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，開多成換能板，其中沿著極化方向的尺寸為6mm。
[0031] 3)將步驟2)所得換能板在兩個相對的6mmX 1mm面上用離子瓣射的方式制備上電 極。
[0032] 阻抗測試顯示，本實(shí)施例的面內(nèi)剪切d24型壓電換能器的壓電系數(shù)d24為75化C/N， d24剪切共振頻率為170曲Z，反諧振共振頻率為203曲Z，故其在140曲Z~230曲Z間具備良好 的工作性能。
[0033] 圖2展示了本實(shí)施例制備的面內(nèi)剪切d24型壓電換能器作為制動器在1mm厚的侶板 用150曲Z信號激勵甜0波的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖2中可W清晰的看到，當(dāng)用d36型PMN-PT單晶作為 傳感器接收時，只有細(xì)0波被探測到。d36型P麗-PT單晶既可W接收細(xì)波，也可W接收Lamb 波，故可W確定本實(shí)施例的d24型壓電換能器在150曲Z激勵出了純的S朋波。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)結(jié) 果表明本實(shí)施例的d24型壓電換能器貼在平板上可W在140曲Z~200曲Z的范圍內(nèi)激勵出純 的甜0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)生純的甜0波。
[0034] 實(shí)施例二
[0035] 在本實(shí)施例中，將實(shí)施例一中制備的面內(nèi)剪切d24型壓電換能器用作傳感器。
[0036] 圖3展示了用d36型PZT陶瓷作為制動器激勵220曲Z超聲導(dǎo)波，用實(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果。d36型PZT陶瓷可W同時激勵SO， AO和細(xì)0波，當(dāng)用d36型PMN-PT單晶作為傳感器接收時，Ξ種波都可W被探測，如圖3(a)所 示。當(dāng)用本實(shí)施例的面內(nèi)剪切d24型壓電換能器接收時，只有S冊波被探測到，而SO和A0波被 過濾掉了，如圖3(b)所示。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)表明，本實(shí)施例所提出的d24型壓電換能器可W在 140k化~230k化的范圍內(nèi)過濾掉SO和A0波，只接收甜0波。運(yùn)表明本實(shí)用新型可W用作濾波 傳感器，可W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)的甜0波。
[0037] 最后需要注意的是，公布實(shí)施例的目的在于幫助進(jìn)一步理解本實(shí)用新型，但是本 領(lǐng)域的技術(shù)人員可W理解:在不脫離本實(shí)用新型及所附的權(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，本實(shí)用新型不應(yīng)局限于實(shí)施例所公開的內(nèi)容，本實(shí)用新型要 求保護(hù)的范圍W權(quán)利要求書界定的范圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
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。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。
【文檔編號】H01L41/187GK205620362SQ201620284659
【公開日】2016年10月5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)