一种基于压电薄膜制作的点聚焦空气耦合超声换能器的制作方法

本发明涉及一种基于压电薄膜制作的点聚焦空气耦合超声换能器，属于声学换能器技术领域，作用是将信号源激励产生的电信号转化为超声振动信号经由空气传播至被检对象中，并可用于接收透射过被检对象或经被检对象反射的超声波，将超声振动信号转化为电信号。通过对接收到的信号进行处理，分析被检对象的特征，可用于超声成像和工业无损检测领域。

背景技术：

接触式超声检测由于换能器与空气、被检对象之间巨大的声阻抗差异，需要使用耦合剂改善声能的传递，但这也导致接触式超声检测存在着耦合剂质量问题、多次重复测试情况下耦合状况的差异、耦合剂应用场合有限等固有的局限。空耦超声检测中，空气作为唯一耦合介质实现了换能器与被检工件连续、稳定的耦合，从根本上克服了使用耦合剂带来的问题。但由于空气与换能器之间阻抗失配引起的超声信号能量衰减是限制空耦技术发展主要困难。

目前市场上的空耦换能器一般是以压电陶瓷(如pzt)或pvdf为振动元件的。其中，pzt制成的换能器结构坚固，但带宽较窄，因此制作复杂，不适合用于超声成像，且pzt属于脆弱易碎材料，材料本身不能固定到弯曲表面上，需要经过精细加工才能够用于制作聚焦换能器。pvdf材质柔韧，密度低，阻抗低，虽然工作带宽较宽，但激发效率低，仅依靠自身压电性能不足以满足空耦检测激发应用的要求，所以适合用做接收换能器；同时pvdf包含铅元素，带有潜在的健康风险。此外，pzt和pvdf均与空气声阻抗相差巨大，面临阻抗失配问题，因此，需添加匹配层才能满足换能器和空气之间的声学匹配要求，提高压电元件与空气之间的声能透过率和灵敏度，使声波能量最大限度地向空气中进行辐射。

近年来，多孔聚丙烯铁电驻极体薄膜由于较强的压电性能被开始开发研究作为压电信号的激励与接收元件，如应用于路面铺设，可以实现车辆通行时的碾压产生微弱电信号，收集电信号用于路灯等照明设施。考虑到多孔聚丙烯铁电驻极体薄膜声阻抗低、工作频带宽、能量转化效率高和柔性好等，结合换能器的聚焦结构设计，应该是克服空气与换能器之间阻抗失配引起的超声信号能量衰减这一困难的有效途径之一。但目前市场上尚不存在基于多孔聚丙烯铁电驻极体薄膜的超声换能器商品，其原因在于多孔聚丙烯铁电驻极体薄膜比较轻薄，单纯激励产生的超声信号亦比较微弱。

技术实现要素：

本发明提供了一种可同时用于激发与接收超声信号的点聚焦空气耦合超声换能器，以使超声换能器不需要设置匹配层、中心频率低、工作频带宽、信噪比高，且制作简单。

为了实现上述目的，本发明提供了一种点聚焦空气耦合超声换能器，其包括同轴且从内到外依次设置的金属背衬、绝缘套筒和金属外壳；绝缘套筒具有套筒侧壁和套筒底壁，金属外壳具有外壳侧壁和外壳底壁；所述金属背衬的上表面为凹球面，其上设有通过双面导电胶带粘合在金属背衬上的压电薄膜，压电薄膜的周缘通过一金属圆环顶盖压紧固定在套筒侧壁的顶面上；所述压电薄膜的材质为多孔聚丙烯铁电驻极体薄膜，且其上下表面镀有金属电极。

所述金属圆环顶盖通过螺钉与所述金属外壳压紧固定。

所述金属圆环顶盖的内径小于压电薄膜的周缘且大于金属背衬的直径。

所述金属圆环顶盖的外径等于外壳侧壁的外径。

所述金属背衬的上表面是通过采用机床精细加工制得。

所述点聚焦空气耦合超声换能器还包括设于其底部的连接接头。

所述连接接头为bnc接头或sam接头。

所述连接接头包括中心引脚和接头外壳，所述中心引脚分别穿过套筒底壁和外壳底壁上设置的通孔从金属背衬的底部插入金属背衬，所述接头外壳通过螺纹与所述外壳底壁连接固定。

所述中心引脚的材质为金属，且所述接头外壳的材质为绝缘的。

本发明的点聚焦空气耦合超声换能器采用了多孔聚丙烯铁电驻极体薄膜代替现有的压电陶瓷或pvdf作为振动元件，由于多孔聚丙烯铁电驻极体薄膜的声阻抗低，使得超声换能器不需要制作与装配匹配层；其工作带宽宽进而使得本发明的超声换能器工作带宽宽；其能量转化效率高，使得本发明的超声换能器信噪比高；且其柔性好，使得材料可以固定到弯曲表面上，导致本发明的超声换能器制作简单。此外，本发明设置为其压电薄膜电机仅仅在边缘与金属环顶盖压紧接触，并使换能器外壳作为电路导通的一部分，增大了激励产生的超声，多孔聚丙烯铁电驻极体薄膜时单纯激励产生的超声信号微弱的问题。

附图说明

图1为根据本发明的一个实施例的点聚焦空气耦合超声换能器的整体装配示意图；

图2为如图1所示的点聚焦空气耦合超声换能器的剖面示意图；

图3为采用本发明的点聚焦空气耦合超声换能器的超声测试系统的结构示意图；

图4为如图3所示的超声测试系统的测试结果图，其中图4(a)，(b)为换能器激发信号时域信号和相应的频域分析结果，图4(c)，(d)是在100vpp和250vpp下的激光测试频率响应曲线，图(d)为图(c)局部放大图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。

如图1和图2所示为根据本发明的一个实施例的点聚焦空气耦合超声换能器，其包括同轴且从内到外依次设置的金属背衬1、绝缘套筒2和金属外壳3。

所述绝缘套筒2和金属外壳3均为开口向上的筒型结构，绝缘套筒2具有套筒侧壁21和套筒底壁22，金属外壳3具有外壳侧壁31和外壳底壁32，绝缘套筒2的套筒侧壁21和套筒底壁22分别与金属背衬1的侧面和下表面贴合，金属外壳3的外壳侧壁31和外壳底壁32分别与绝缘套筒2的套筒侧壁21和套筒底壁22贴合。

金属背衬1的上表面为一半径为r、张角为θ的凹球面，在本实施例中，r＝40mm，θ＝60°，因此该上表面需要采用机床进行精细加工。所述金属背衬1的上表面上设有通过双面导电胶带5粘合在金属背衬1上的压电薄膜4，安装时先采用模具对粘结在一起的压电薄膜4及双面导电胶带5的进行预弯曲保形，减少直接粘结产生的褶皱，经弯曲后使用双面导电胶带，5粘合金属背衬1的凹球面，从而实现压电薄膜4的固定、弯曲与保形，并作为换能器工作面。该压电薄膜4的材质为多孔聚丙烯铁电驻极体薄膜，且其上下表面镀有金属电极。

压电薄膜4的周缘通过一金属圆环顶盖6压紧固定在套筒侧壁21的顶面上，其中金属圆环顶盖6的内径小于压电薄膜4的周缘且大于金属背衬1的直径，其外径等于外壳侧壁31的外径，且通过螺钉与金属外壳3压紧固定，由此，金属圆环顶盖6的下表面同时与压电薄膜4的上表面电极和金属外壳3接触。

点聚焦空气耦合超声换能器还包括设于其底部的连接接头7，该连接接头7包括金属材质的中心引脚71和绝缘材质的接头外壳72，其中中心引脚71分别穿过套筒底壁22和外壳底壁32上设置的通孔从金属背衬1的底部插入金属背衬1，从而实现与金属背衬1的电接触，同时接头外壳72通过螺纹与所述外壳底壁32连接固定。此在本实施例中，连接接头7为bnc接头，但根据实际情况也可替换为sam接头。

本发明的点聚焦空气耦合超声换能器可作为超声测试系统的激发/接收端使用，无需添加耦合剂。如图3所示的超声测试系统采用了本发明的点聚焦空气耦合超声换能器，其采用自发自收信号的脉冲回波法对表面光滑的铝块进行了扫描，接收脉冲时域信号，并进行频域分析。所述超声测试系统依次连接的信号激励源9、第一放大器10、换能器14、第二放大器11和示波器16，信号激励源9和示波器16相连以同时显示信号激励源9的信号。所述换能器14固定在一三轴滑台13上，该三轴滑台13受一电机控制系统12驱动，是该换能器14能够与被检工件15正对。

如图4(a)，(b)所示为换能器激发信号时域信号和相应的频域分析结果，其示出了超声测试系统扫描表面光滑的铝块得到的脉冲时域信号和相应的频域分析结果，脉冲波形状非常好、时间短，且噪声极小；图4(c)，(d)是激光测振仪测试得到的换能器的频率响应曲线，换能器中心频率270khz，带宽640khz，在低频下的宽带宽特性使设计的换能器非常适合用于超声成像。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化，例如金属背衬的上表面的凹球面的半径r可以为200mm以内的任意值，张角可以为60°-120°中的任意值。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。