基于压电原理的全向水平剪切导波换能器的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种基于压电原理的全向水平剪切导波换能器，包括多个压电敏感元件和临时胶带基底，多个压电敏感元件按环形排列成轴对称的传感器阵列，每个单独的压电敏感元件有两个电极，采用导线将所有压电敏感元件的正电极串联一起，然后用另外一根导线将所有的负电极串联一起；其中压电敏感元件从弛豫铁电单晶材料中按一定的角度切割，使其d36压电系数不为0，本发明可在其周围360度产生均匀连续的水平剪切导波，也可以感知任意方向传播过来的水平剪切导波，相对于目前的全向水平剪切导波换能器，本发明体积微小，可产生全向水平剪切导波，可永久固定于结构表面或嵌入结构内部。
【专利说明】基于压电原理的全向水平剪切导波换能器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于压电原理的全向水平剪切导波换能器。
【背景技术】
[0002]基于超声导波的检测或实时在线监测方法是一种常用的无损检测方法，在结构缺陷检测、结构损伤识别和结构健康监测领域有着广泛的应用。该类方法可以使用很少的驱动器和传感器实现分布式的面检测，过程快速而高效。水平剪切导波(SH波)是超声导波的一种，其中零阶水平剪切导波(SHtl)无频散效应，在边界不会转换为其他类型的声波，且杂乱回波较少，可用于长距离结构的无损检测。目前水平剪切导波的激发和检测主要采用磁致伸缩换能器、电磁超声换能器等，这类换能器为多元件组成的小型电子设备，体积较大，结构复杂。如发明专利ZL201210125086.1涉及一种使用电磁超声原理的全向SH导波换能器，该换能器由开口圆环状铁镍合金带、圆形回折线圈等单元组成，安装与使用均不方便，且难以嵌入结构内部(如复合材料层合板)使用，难以永久安装用于实时在线结构安全监测。
[0003]目前一般的超声导波(如Lamb波等)的激励与检测可以采用体积很小的压电敏感元件来实现，而且也可以产生全向(即360度)的导波，这种压电敏感元件可以粘贴于结构表面或嵌入结构内部(如复合材料结构)而不影响结构的力学性能，适用于长期的结构性能监测，但是这种压电敏感元件无法激发SH波。发明专利(申请号201310469833.8)涉及一种压电敏感元件，该元件具有压电常数d36，即在该元件的厚度方向(亦即极化方向)上施加电压，其可产生平面内的剪切变形。但该专利涉及的这种敏感元件只能在特定方向(与方形元件四个边垂直的方向，即O度、90度、180度和270度)产生SH波，无法在所有方向产生相同的导波，并且其是一种原始敏感元件，可进一步作为各种换能器的敏感元件使用。
【发明内容】
[0004]为克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于压电原理的全向水平剪切导波换能器。
[0005]本发明所采用的技术如下:一种基于压电原理的全向水平剪切导波换能器，包括多个压电敏感元件和临时胶带基底，多个压电敏感元件按环形排列成轴对称的传感器阵列，传感器阵列的下表面事先粘贴于临时胶带基底上，用于固定传感器阵列形状，保证所产生的波形在换能器周围连续均匀，每个单独的压电敏感元件有两个电极，采用导线将所有压电敏感元件的正电极串联一起，然后用另外一根导线将所有的负电极串联一起；其中压电敏感元件从弛豫铁电单晶材料中按一定的角度切割，使其d36压电系数不为0，即在其厚度方向上施加电场，会在平面内发生剪切变形，这种剪切变形用来激励和检测水平剪切导波。
[0006]本发明还具有如下技术特征:
[0007]1、所述的压电敏感元件切割于弛豫铁电单晶材料:(1-x)Pb (Mg1/3Nb2/3)O3-PbT13铌镁酸铅-钛酸铅或Pb (In0.5Nb0.5) O3-Pb (Mgl73Nb273) O3-PbT13铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅。
[0008]2、所述的压电敏感元件的数量为大于等于8的偶数。
[0009]本发明可在其周围360度产生均匀连续的水平剪切导波，也可以感知任意方向传播过来的水平剪切导波，相对于目前的全向水平剪切导波换能器，本发明体积微小，可产生全向水平剪切导波，可永久固定于结构表面或嵌入结构内部。此外，本发明所使用的压电敏感元件的d36系数(典型值为2400pC/N)相比传统的压电敏感元件的d31系数(典型值为300pC/N)较大，更适用于激励较大幅值的水平剪切导波，也适用于检测任意方向上更微弱的水平剪切波动。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1为全向水平剪切导波换能器结构示意图；
[0011]图2为d36型压电敏感晶片的极化和切割方向图；
[0012]图3为d36型压电敏感晶片的变形图；
[0013]图4为铝板中的水平剪切导波激发图；
[0014]图5为某铝板中水平剪切导波激发试验结果图(O度方向)；
[0015]图6为某铝板中水平剪切导波激发试验结果图(O度方向)；
[0016]图7为某铝板中水平剪切导波激发试验结果图(45度方向)；
[0017]图8为某铝板中水平剪切导波激发试验结果图(45度方向)。
【具体实施方式】
[0018]实施例1
[0019]一种基于压电原理的全向水平剪切导波换能器，包括多个压电敏感元件I (尺寸如2mm X 2mm X 0.5mm,或3mm X 3mm X 0.5mm,总外径为28mm)和临时胶带基底2，多个压电敏感元件按圆形排列成轴对称的传感器阵列，传感器阵列的下表面事先粘贴于临时胶带基底上，用于固定传感器阵列形状，压电敏感元件的数量为8或16个，保证所产生的波形在换能器周围连续均匀，每个单独的压电敏感元件有两个电极，正、负电极3.4位于同一面，采用导线将所有压电敏感元件的正电极串联一起，然后用另外一根导线将所有的负电极串联一起；其中压电敏感元件从弛豫铁电单晶材料中按一定的角度切割，使其d36压电系数不为0，即在其厚度方向上施加电场，会在平面内发生剪切变形，这种剪切变形用来激励和检测水平剪切导波。本换能器作为驱动器使用时，需要通过电极接入驱动电压；作为传感器使用时，也需要通过电极接出由导波激励产生的电信号。
[0020]实施例2
[0021]本发明所用的压电敏感元件切割于弛豫铁电单晶材料，如(1-x)Pb (Mgl73Nb273) O3-PbT13 (PMNT,铌镁酸铅 _ 钛酸铅)和 Pb (In0.5Nb0.5) O3-Pb (Mgl73Nb273)O3-PbT13 (PIN-PMN-PT,铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅)，具体极化和切割方向如图2 (a)所示。图中[001]、[010]、[100]及[011]等为晶体学中表示晶向的密勒指数，(011)表示晶面的密勒指数，[011]方向与(011)面相互垂直。x，y，z表示原晶体所置于的坐标系，其中Z向为晶体的生长方向。首先将晶体沿[011]方向，即Z向极化，然后切割出垂直于该方向的平面(011)，该平面由坐标轴X和Y表示，如图2(b)所示，在该平面沿与坐标轴夹角45度方向切割一定边长和厚度(如5mmX5mmX0.5mm)的正方体晶片,如图2 (b)所示,该晶片具有d36的压电常数，即在厚度方向施加电场，会产生面内的剪切变形，图3所示的虚线为变形后形状。
[0022]实施例3
[0023]本发明可直接粘贴于被测结构表面，用于水平剪切导波的激发。图4给出了该换能器用于薄铝板的实施方式。首先将其用502等强力胶水完全粘贴于清洁后的铝板表面。待胶水完全固化，换能器牢固粘结于铝板表面后，可使用信号发生器通过预制电极施加指定幅值和中心频率的电压信号(如Vpp = 40伏，中心频率为120kHz的五峰值窄带波形)，从而在铝板中激励出水平剪切导波。图5至图8给出了某铝板中水平剪切导波激发的试验结果，其中激励电压为Vpp = 5伏，中心频率分别为80kHz和120kHz。其中图5和图6为O度方向的试验结果，图7和图8为45度方向的试验结果。上述结果表明，该换能器可在任意角度激励水平剪切导波。
【权利要求】
1.一种基于压电原理的全向水平剪切导波换能器，包括多个压电敏感元件和临时胶带基底，其特征在于:多个压电敏感元件按环形排列成轴对称的传感器阵列，传感器阵列的下表面事先粘贴于临时胶带基底上，用于固定传感器阵列形状，保证所产生的波形在换能器周围连续均匀，每个单独的压电敏感元件有两个电极，采用导线将所有压电敏感元件的正电极串联一起，然后用另外一根导线将所有的负电极串联一起；其中压电敏感元件从弛豫铁电单晶材料中按一定的角度切割，使其d36压电系数不为O，即在其厚度方向上施加电场，会在平面内发生剪切变形，这种剪切变形用来激励和检测水平剪切导波。
2.根据权利要求1所述的一种基于压电原理的全向水平剪切导波换能器，其特征在于:所述的压电敏感元件切割于弛豫铁电单晶材料:(l-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)03-PbTi03.镁酸铅-钛酸铅或Pb (In0.5Nb0.5) O3-Pb (Mgl73Nb273) O3-PbT13铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅。
3.根据权利要求1所述的一种基于压电原理的全向水平剪切导波换能器，其特征在于:所述的压电敏感元件的数量为大于等于8的偶数。
【文档编号】G01N29/24GK104133002SQ201410329406
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年7月7日 优先权日:2014年7月7日
【发明者】周文松, 袁福国, 李惠 申请人:哈尔滨工业大学