一种用于激励和接收非弥散超声导波的压电换能器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种用于激励和接收非弥散超声导波的压电换能器。本实用新型的换能器，用于激励或接收超声导波，包括：换能板和电极；换能板采用极化后的压电材料，具有压电系数d24，形状为a×b×c的长方片，满足a<<b,a<<c；其中，棱边c为极化方向，b×c面为工作面，两个相对的a×c面为电极面，在两个电极面上分别制备电极；当激励电压或传来的超声导波在水平剪切SH波或扭转T波的一阶截止频率以下且在换能器的d24共振频率的阈值范围内，仅激励或接收非弥散超声导波；本实用新型的换能器制备工艺简单、成本低廉，适合工业批量化生产，将极大的推动基于超声导波的无损检测和结构健康检测的发展。
【专利说明】
-种用于激励和接收非弥散超声导波的压电换能器
技术领域
[0001] 本实用新型设及智能材料和结构健康监测技术，具体设及一种用于激励和接收非 弥散超声导波(S册或Τ(0，1))的压电换能器。
【背景技术】
[0002] 超声导波检测已经成为无损检测和结构健康监测重要的技术手段。目前，基于超 声导波的无损检测和健康监测方法还主要处于实验室研究阶段，用于实际工业检测的还不 多。运主要是由于超声波在实际波导结构中的传播非常复杂。W平板中的Lamb波为例，Lamb 波是典型的弥散波，即其相速度和群速度依赖于激励频率和板厚的乘积，而且Lamb波在缺 陷和边界处会发生波形转换，运给缺陷识别带来了很大的困难。平板中的0阶水平剪切SH0 波具有非弥散、在缺陷和边界处不发生波形转换的特点，因而在无损检测和结构健康监测 领域比Lamb波更具应用价值。电磁超声换能器EMAT是目前为业界所熟知的能够产生細0波 的方法，但EMAT只适用于导电结构，且能量转换效率较低。相比EMAT，压电换能器具有尺寸 小、能量转换效率高的特点，从而在结构健康监测领域更具优势。然而利用压电换能器激励 和接收单模态的細0波一直是业界难题。近年来，哈尔滨工业大学周文松课题组利用d36型 压电单晶成功在平板中激励出甜0波，但压电单晶居里溫度较低，价格昂贵且电畴稳定性较 差，从而无法走向工业应用。随后北京大学李法新课题组在PZT陶瓷中实现了 d36模式，并利 用制备的d36型压电陶瓷成功在平板中激励出甜0波。相比压电单晶，d36型压电陶瓷具有更 高的居里溫度且制作成本低廉，从而更具应用价值。然而无论是d36型压电单晶还是陶瓷， 都存在和d31模式禪合的问题，从而在激励出甜0波的同时也会激励出Lamb波。最近，南卡罗 来纳大学的Victor Gigurgiutiu课题组提出用厚度剪切dl5型压电换能器激励S册波，但该 换能器在沿着极化方向会激励出信噪比很高的Lamb波，此外该换能器能量转换效率低。综 上，尽管已经有一些换能器相继被提出用于激励S朋波，但在较宽频带范围内激励和接收单 模态的甜0波依然缺乏有效的手段。此外，薄壁圆管中的0阶扭转[Τ(0，1)]波和平板中的甜0 波在本质上是等价的，Τ(0，1)同样是非弥散超声导波，在管道检测中具有重要的价值。理论 上能够激励和接收S朋波的换能器也能激励和接收Τ(0，1)波。故若能设计制备新的换能器 解决激励和接收单模态非弥散超声导波(SH0或Τ(0，1))波的难题，将有力推动基于超声导 波的无损检测和结构健康检测等领域的发展。 【实用新型内容】
[0003] 针对激励和接收单模态非弥散超声导波(SH0波和Τ(0，1)波)面临的困难，本实用 新型提出了一种可W在宽频带范围内产生和接收单模态非弥散超声导波(SH0波和Τ(0，1) 波)的面内剪切d24型压电换能器，有望推动超声导波在无损检测和结构健康检测等领域的 实际应用。
[0004] 本实用新型的面内剪切d24型压电换能器，用于激励或接收超声导波，包括:换能 板和电极;换能板采用极化后的压电材料，具有压电系数d24,形状为aXbXc的长方片，满 足a<<b，a?c;其中，棱边c为极化方向，bXc面为工作面，贴在被探测结构的表面，产生或感 知非弥散超声导波;两个相对的aXc面为电极面，在两个电极面上分别制备电极;换能器作 为制动器或传感器;换能器作为制动器，在电极上施加激励电压，由于压电效应d24,工作面 产生面内剪切变形，控制激励电压的中屯、频率，使得在水平剪切SH波或扭转T波的一阶截止 频率W下且在换能器的d24共振频率的阔值范围内，从而在被探测结构中仅产生非弥散超 声导波;换能器作为传感器，当传来的超声导波的频率在水平剪切SH波或扭转T波的一阶截 止频率W下且在换能器的d24共振频率的阔值范围时，仅有非弥散超声导波会引起工作面 发生面内剪切变形，从而由于具有压电系数d24的压电效应，在电极面形成电位移。
[0005] 非弥散超声导波包括S册波和Τ(0，1)波，当被探测结构为平板状时，本实用新型的 换能器在水平剪切SH波一阶截止频率W下仅激励或接收S朋波；当被探测结构为管状时，本 实用新型的换能器在扭转Τ波一阶截止频率W下仅激励或接收Τ(0，1)波。
[0006] 换能器作为制动器，激励超声导波;或者作为传感器，接收超声导波。在特定频段 下，激励或接收的超声导波只有非弥散超声导波，运个频段称作工作频段。换能板中，a的尺 寸应使换能器的d24共振频率在工作频段的中屯、频率的阔值范围内，阔值为±40KHz;作为 制动器时，C或者b的尺寸应该为所激励波的半波长的奇数倍;作为传感器时，C或者b的尺寸 应不大于所接收波的半波长。
[0007] 换能板的压电材料采用铁电陶瓷，如PZT陶瓷，或者铁电型的压电单晶；若采用铁 电陶瓷，极化时应使其剩余极化达到最大值;若采用铁电型的压电单晶，则极化时应沿着其 自发极化方向极化，使其极化后的电畴状态达到或趋近于单畴状态。
[0008] 激励电压采用交变电压，通过控制激励电压的频率，使得在水平剪切SH波或扭转T 波的一阶截止频率W下;激励电压的频率与被探测结构的材料属性和尺寸有关。
[0009] 进一步，激励电压采用汉宁窗调制，从而使得激励的超声导波的能量更集中。
[0010] 本实用新型的面内剪切d24型压电换能器的制备方法，包括W下步骤：
[0011] 1)提供换能板的压电材料，将压电材料极化，使得具有压电系数d24;
[0012] 2)将极化后的压电材料切成aXbXc的长方片，形成换能板，其中棱边C为极化方 向，b X C面为工作面，即贴在被探测结构的表面用于产生或感知非弥散超声导波;两个相对 的aXc面为电极面，满足曰《13，曰<<(3，曰、13和(3均为正实数；
[0013] 3)在换能板的两个电极面上分别制备电极，并保证制备电极的过程不会改变压电 材料的极化状态。
[0014] 其中，在步骤1)中，压电材料采用铁电陶瓷或者铁电型的压电单晶;若采用铁电陶 瓷，极化时应使其剩余极化达到最大值;若采用铁电型的压电单晶，则极化时应沿着其自发 极化方向极化，使其极化后的电畴状态达到或趋近于单畴状态。
[0015] 在步骤2)中，换能板中，a的尺寸应使换能器的d24共振频率在工作频段的中屯、频 率的阔值范围内；作为制动器时，C或者b的尺寸应该为所激励波的半波长的奇数倍;作为传 感器时，C或者b的尺寸应不大于所接收波的半波长。
[0016] 在步骤3)中，制备电极采用离子瓣射或化学锻的方法。
[0017] 根据本实用新型的方法制备得到的压电换能器具备如下性质，在电极面(aXc面） 施加激励电压会诱导工作面(bXc面)发生面内剪切变形，亦或在工作面上施加面内剪切应 力，材料会在电极面产生电位移。若将本实用新型的面内剪切d24型压电换能器贴在平板状 的被探测结构的表面，在交变电场驱动下，换能器会在与工作面棱边垂直的两个正交方向 福射出甜波，通过控制激励电压在水平剪切甜波的一阶截止频率W下，能在靠近其d24共振 频率附近只激励甜0波;另一方面，该换能器也能接收与工作面棱边垂直的两个正交方向的 SH波，且在水平剪切甜波的一阶截止频率W下在靠近d24共振频率附近内只接收甜0波。
[0018] 通过本实用新型的制备方法获得的面内剪切d24型压电换能器能够激励和接收非 弥散超声导波(SH0波和Τ(0，1)波），W在平板中激励細0波为例说明工作原理:换能板粘贴 到平板状的探测结构的表面，b X C面为工作面。当在电极面施加交变电压，换能板在b X C面 产生面内剪切变形，从而在平板状的被探测结构上产生剪切应力。若定义沿着平板状的被 探测结构的两条长边方向分别为X和Z方向，板厚沿着y方向，则该剪切应力为TxzdTxz可W等 效为X和Z方向的两个体力乂 =3r、,. /&和/_ =5r、:/&r。故fx会引起质点偏振从而在Z方向形 成細波，同理fz会在X方向形成甜波，通过控制激励电压的频率，使得在甜波的一阶截止频 率W下，在靠近其d24共振频率附近只激励S朋波。另一方面，当d24型压电换能器作为传感 器使用时，传来的S册波会引起换能板的工作面(bXc面)发生面内剪切变形，从而由于d24 压电效应，在电极面(aXc面)形成电位移。
[0019] 本实用新型的优点：
[0020] 本实用新型提供了利用压电换能器在宽频范围激励和接收单模态非弥散超声导 波(S册波和Τ(0，1)波）的解决方案，而且本实用新型提出的面内剪切d24型压电换能器制备 工艺简单、成本低廉，适合工业批量化生产，可W预见本实用新型将极大的推动基于超声导 波的无损检测和结构健康检测的发展。
【附图说明】
[0021] 图1为本实用新型的面内剪切d24型压电换能器的结构示意图；
[0022] 图2为本实用新型的面内剪切d24型压电换能器的实施例一用作制动器激励的波 形图；
[0023] 图3为本实用新型的面内剪切d24型压电换能器的实施例二用作传感器接收到的 波形图，其中，（a)为Wd36型PMN-PT单晶作为传感器接收到的波形图，（b)为W本实用新型 的面内剪切d24型压电换能器作为传感器接收到的波形图。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本实用新型。
[00巧]实施例一
[0026] 如图1所示，本实施例的面内剪切d24型压电换能器包括:换能板和电极;换能板采 用极化后的压电材料，具有压电系数d24,形状为aXbXc的长方片，满足a<<b，a?c;其中， 棱边C为极化方向，bXc面为工作面，即贴在结构表面用于产生或感知非弥散超声导波;两 个相对的aXc面为电极面，在两个电极面上分别制备电极。图1中P代表电极化，箭头代表极 化方向。直角坐标系的第Ξ方向3沿着极化方向，第二方向2与电极面的法线平行，第一方向 1与工作面的法线平行。
[0027] 在本实施例中，压电材料采用PZT-5邱甸瓷，工作频率为140曲Z~230曲Z，故各边的 设计尺寸为过二lnun,b = c = 0mm。
[0028] 本实施例的面内剪切d24型压电换能器制备方法，包括W下步骤：
[0029] 1)选取烧结好的PZT-甜陶瓷，将其切割成6mm X 6mm X 6mm的立方块，利用离子瓣射 仪制备上电极后采用油浴极化的方式极化;极化的工艺如下:将PZT-5邱甸瓷用硅油缓慢升 溫至110°C，然后施力日1.5kV/mm的直流电场，保溫保载15分钟后，将溫度降至50°C，然后撤去 电场;将极化后的陶瓷在室溫下老化24小时。
[0030] 2)将步骤1)所得到的陶瓷去掉极化电极，并沿着平行于极化方向切割，切割后的 尺寸为1mm X 6mm X 6mm，开多成换能板，其中沿着极化方向的尺寸为6mm。
[0031] 3)将步骤2)所得换能板在两个相对的6mmX 1mm面上用离子瓣射的方式制备上电 极。
[0032] 阻抗测试显示，本实施例的面内剪切d24型压电换能器的压电系数d24为75化C/N， d24剪切共振频率为170曲Z，反谐振共振频率为203曲Z，故其在140曲Z~230曲Z间具备良好 的工作性能。
[0033] 图2展示了本实施例制备的面内剪切d24型压电换能器作为制动器在1mm厚的侣板 用150曲Z信号激励甜0波的实验结果。从图2中可W清晰的看到，当用d36型PMN-PT单晶作为 传感器接收时，只有細0波被探测到。d36型P丽-PT单晶既可W接收細波，也可W接收Lamb 波，故可W确定本实施例的d24型压电换能器在150曲Z激励出了纯的S朋波。进一步实验结 果表明本实施例的d24型压电换能器贴在平板上可W在140曲Z~200曲Z的范围内激励出纯 的甜0波。目前现有技术中的其他各类换能器还不能在较宽频率范围内产生纯的甜0波。
[0034] 实施例二
[0035] 在本实施例中，将实施例一中制备的面内剪切d24型压电换能器用作传感器。
[0036] 图3展示了用d36型PZT陶瓷作为制动器激励220曲Z超声导波，用实施例一制备的 面内剪切d24型压电换能器作为传感器接收波的实验结果。d36型PZT陶瓷可W同时激励SO， AO和細0波，当用d36型PMN-PT单晶作为传感器接收时，Ξ种波都可W被探测，如图3(a)所 示。当用本实施例的面内剪切d24型压电换能器接收时，只有S册波被探测到，而SO和A0波被 过滤掉了，如图3(b)所示。进一步的实验表明，本实施例所提出的d24型压电换能器可W在 140k化~230k化的范围内过滤掉SO和A0波，只接收甜0波。运表明本实用新型可W用作滤波 传感器，可W极大的降低接收信号的复杂度，具有重要的应用价值。目前其他各类换能器还 不能在较宽频范围内只接收单模态的甜0波。
[0037] 最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本实用新型，但是本 领域的技术人员可W理解:在不脱离本实用新型及所附的权利要求的精神和范围内，各种 替换和修改都是可能的。因此，本实用新型不应局限于实施例所公开的内容，本实用新型要 求保护的范围W权利要求书界定的范围为准。
【主权项】
1. 一种面内剪切d24型压电换能器，用于激励或接收超声导波，其特征在于，所述换能 器包括:换能板和电极;所述换能板采用极化后的压电材料，具有压电系数d24,形状为aXb Xc的长方片，满足a〈〈b，a〈〈c;其中，棱边c为极化方向，bXc面为工作面，贴在被探测结构 的表面，产生或感知非弥散超声导波;两个相对的aXc面为电极面，在两个电极面上分别制 备电极。2. 如权利要求1所述的换能器，其特征在于，所述换能板中，a的尺寸使得换能器的d24 共振频率在工作频段的中心频率的阈值范围内。3. 如权利要求1所述的换能器，其特征在于，所述换能器作为制动器时，换能板中，c或 者b的尺寸为所激励波的半波长的奇数倍;所述换能器作为传感器时，换能板中，c或者b的 尺寸不大于所接收波的半波长。4. 如权利要求1所述的换能器，其特征在于，所述激励电压采用汉宁窗调制。5. 如权利要求1所述的换能器，其特征在于，所述换能板的压电材料采用铁电陶瓷或者 铁电型的压电单晶。6. 如权利要求5所述的换能器，其特征在于，所述换能板的压电材料采用PZT陶瓷。
【文档编号】H01L41/187GK205620362SQ201620284659
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2016年4月7日
【发明人】李法新, 苗鸿臣, 谭池
【申请人】北京大学