一种非线性导波检测组合换能器及制作方法及使用方法与流程

本发明涉及超声检测领域，尤其涉及一种非线性导波检测组合换能器及制作方法及使用方法。

背景技术：

非线性导波检测是利用非线性导波检测装置来评价材料的弹性力学、微观缺陷等特性。其中非线性导波检测装置包括非线性导波检测系统、发射换能器、接收换能器、数字示波器与计算机。其工作过程为：将发射换能器与接收换能器粘接在待测板材上后，非线性导波检测系统产生高能脉冲激励信号，加载于发射换能器上后，在待测板材中产生导波，导波在待测板材中传播的过程中激发出谐波信号；基波与谐波信号被接收换能器接收后，被导入计算机并进行数据分析；利用分析结果来评价材料的弹性力学、微观缺陷等特性。

非线性导波检测要求发射换能器所发出的信号不包含二次谐频号，要求接收换能器对基频与二次谐频信号具有相同的响应，否则影响最终的测试结果的准确性。在非线性导波实验中，通常在发射换能器前加入低通滤波器，以滤除由系统引入的高次谐波信号对测量结果的影响。当激发频率发生改变时，需要更换相应的滤波器以满足检测要求，增加了非线性导波检测的繁琐性。另外，滤波器器件也会不可避免地引入一定的高次谐波信号。非线性导波检测实验常使用两个压电换能器分别作为发射与接收换能器。压电换能器在受到激励后，由于自身的振动模式原因，其本身也会产生高次谐频信号，会在发射信号中不可避免地引入二次谐频信号。由于压电换能器具有一定带宽，使得它对不同频率的信号存在大小不同的响应，将其用于接收非线性导波信号，容易对基频与二次谐频信号产生不同的响应。

技术实现要素：

针对现有技术中，非线性导波检测装置中的发射换能器无法有效地降低发射信号中的二次谐波成分，而接收换能器无法对接收信号中的基频与二次谐频信号具有相同的响应，进而降低了非线性导波检测结果的准确性这一技术问题，本发明的目的是提供一种非线性导波检测组合换能器，能够有效的提升非线性导波检测结果的准确性。

为实现上述发明目的，本发明提供一种非线性导波检测组合换能器，包括发射换能器与接收换能器，所述发射换能器为单指条叉指换能器，所述接收换能器为三指条分裂指叉指换能器。

作为上述技术方案的进一步改进，所述单指条叉指换能器与三指条分裂指叉指换能器均包括叉指电极与pvdf压电薄膜，所述pvdf压电薄膜粘贴在叉指电极上。

为实现上述发明目的，本发明还提供一种上述非线性导波检测组合换能器的制作方法，具体包括以下步骤：

s1、通过待测材料的导波相速度频散曲线，计算导波的波长；

s2、根据步骤s1计算的导波波长制作单指条叉指换能器作为发射换能器；

s3、根据步骤s1计算的导波波长制作三指条分裂指叉指换能器作为接收换能器。

作为上述技术方案的进一步改进，步骤s1中，通过导波相速度频散曲线中满足相位匹配的点计算导波的波长。

作为上述技术方案的进一步改进，步骤s2具体包括以下步骤：

s21、根据步骤s1计算的导波波长以及单指条叉指换能器的谐波幅度与金属化率关系计算叉指电极的几何参数；

s22、制作满足步骤s21中几何参数的叉指电极并裁剪与叉指电极尺寸相应的pvdf压电薄膜；

s23、将叉指电极与pvdf压电薄膜的正极粘贴；

s24、在叉指电极的汇流条上焊接导线以用于连接电源。

作为上述技术方案的进一步改进，步骤s3具体包括以下步骤：

s31、根据步骤s1计算的导波波长以及三指条分裂指叉指换能器的谐波幅度与金属化率关系计算叉指电极的几何参数；

s32、制作满足步骤s31中几何参数的叉指电极并裁剪与叉指电极尺寸相应的pvdf压电薄膜；

s33、将叉指电极与pvdf压电薄膜的正极粘贴；

s34、在叉指电极的汇流条上焊接导线以用于连接电源。

为实现上述发明目的，本发明还提供一种上述非线性导波检测组合换能器的使用方法，具体包括以下步骤：

s41、将发射换能器与接收换能器接入非线性导波检测装置中并粘接在待测板材的表面上；

s42、非线性导波检测系统的发射端发出激励信号；

s43、信号依次经过发射换能器、待测板材、接收换能器后进入非线性导波检测系统的接收端；

s44、数字示波器与计算机对从非线性导波检测系统的接收端进入的信号进行显示、采集与分析处理。

作为上述技术方案的进一步改进，步骤s41中，发射换能器与接收换能器呈一条直线平行排列在待测板材的表面上。

本发明的有益技术效果：

本发明利用单指条叉指换能器作为非线性导波检测装置中发射换能器，三指条分裂指叉指换能器作为非线性导波检测装置中接收换能器，其中单指条叉指换能器可以有效地降低发射信号中的二次谐波成分，三指条分裂指叉指换能器作为接收换能器能够对接收信号中的基频与二次谐频信号具有相同的响应，从而能够有效的提升非线性导波检测结果的准确性。

附图说明

图1是0.6mm厚铝板的频散曲线图；

图2是单指条叉指换能器的谐波幅度与金属化率关系图；

图3是单指条叉指换能器结构图；

图4是三指条分裂指叉指换能器的谐波幅度与金属化率关系图；

图5是三指条分裂指叉指换能器结构图；

图6是非线性导波检测装置示意图

具体实施方式

为了便于本发明的实施，下面结合具体实例作进一步的说明。

一种非线性导波检测组合换能器，包括发射换能器与接收换能器，发射换能器为单指条叉指换能器，接收换能器为三指条分裂指叉指换能器。单指条叉指换能器与三指条分裂指叉指换能器均包括叉指电极与pvdf(聚偏氟乙烯)压电薄膜，所述pvdf压电薄膜粘贴在叉指电极上。

利用单指条叉指换能器作为非线性导波检测装置中发射换能器，三指条分裂指叉指换能器作为非线性导波检测装置中接收换能器，其中单指条叉指换能器可以有效地降低发射信号中的二次谐波成分，三指条分裂指叉指换能器作为接收换能器能够对接收信号中的基频与二次谐频信号具有相同的响应，从而能够有效的提升非线性导波检测结果的准确性。

本实施例还提供一种上述非线性导波检测组合换能器的制作方法，下面以0.6mm厚铝板为例，设计并制作一组上述的非线性导波检测组合换能器，具体实施步骤如下：

s1、通过0.6mm厚铝板的导波相速度频散曲线选取满足相位匹配的点，满足相位匹配的条件是在导波相速度频散曲线中，在某一相速度时，一条曲线的频率是另一条曲线中频率的两倍，此时的相速度与较小的频率即为满足相位匹配的点，如图1中的p点。

计算p点导波的波长，如图1所示，p点的频率与相速度分别为5.93mhz、6.30km/s，因此，p点导波的波长为：λ＝cp/f＝6.3/5.93＝1.06mm。

s2、制作单指条叉指换能器作为发射换能器，具体步骤如下：

s21、根据步骤s1计算的导波波长以及图2所示的单指条叉指换能器的谐波幅度与金属化率关系图计算叉指电极的几何参数。

其中需要通过计算的几何参数包括有：根据导波的波长计算出周期节长l1＝λ＝1.06mm；计算当金属化率为0.5时的指条宽度，则有当金属化率η＝2a1/l1＝0.5，可以直接推导出指条宽度a1＝λ/4＝0.265mm；最后根据周期节长与指条宽度计算出指条间隔b1＝l1/4-a1＝0.265mm。

并根据具体检测情况确定预设值：指条数目n1＝10，换能器孔径(有效指条长度)w1＝30mm，指条长度l1＝31mm，汇流条宽度d1＝5mm。

s22、制作满足步骤s21中几何参数的叉指电极并裁剪相应尺寸的pvdf压电薄膜，其中pvdf压电薄膜的尺寸为n1l1×(2l1-w1)＝10.6mm×32mm。

s23、将叉指电极与pvdf压电薄膜的正极粘贴，粘胶采用氰基丙烯酸盐黏合剂。

s24、在叉指电极的汇流条上焊接导线以用于连接电源。

最终制作出的单指条叉指换能器如图3所示。

s3、制作三指条分裂指叉指换能器作为接收换能器，具体步骤如下：

s31、根据步骤s1计算的导波波长以及图4所示的三指条分裂指叉指换能器的谐波幅度与金属化率关系计算叉指电极的几何参数。

其中需要通过计算的几何参数包括有：根据导波的波长计算出周期节长l2＝λ＝1.06mm；计算当金属化率为0.5时的指条宽度，则有当金属化率η＝3a2/l2＝0.5时，可以直接推导出指条宽度a2＝λ/6≈0.177mm；最后根据周期节长与指条宽度计算出指条间隔b2＝l2/3-a2≈0.176mm。

并根据具体检测情况确定指条数目预设值：n2＝10，换能器孔径(有效指条长度)w2＝30mm，指条长度l2＝31mm，汇流条宽度d2＝5mm。

s32、制作满足步骤s31中几何参数的叉指电极并裁剪相应尺寸的pvdf压电薄膜，其中pvdf压电薄膜的尺寸为n2l2×(2l2-w2)＝10.6mm×32mm。

s33、将叉指电极与pvdf压电薄膜的正极粘贴，粘胶采用氰基丙烯酸盐黏合剂。

s34、在叉指电极的汇流条上焊接导线以用于连接电源。

最终制作出的三指条分裂指叉指换能器如图5所示。

s4、将发射换能器与接收换能器接入非线性导波检测装置中进行测量，具体过程如下：

本实施例还提供一种上述非线性导波检测组合换能器的使用方法，如图6所示将发射换能器与接收换能器接入非线性导波检测装置中并粘接在待测板材3的表面上，其中待测板材3是铝板，发射换能器与接收换能器呈一条直线平行排列在待测板材3的表面上。这里的将发射换能器与接收换能器接入待测板材的过程可以与发射换能器与接收换能器的制作过程同时进行，即在发射换能器与接收换能器的制作过程中先将pvdf薄膜粘贴在待测板材表面，随后将叉指电极与pvdf薄膜粘接在一起，以防由于pvdf薄膜在与叉指电极粘接的过程中粘接层形成气泡。非线性导波检测系统1发射频率为f＝5.93mhz的脉冲串信号，加载于单指条叉指换能器2上，在铝板中产生频率为5.93mhz、相速度为6.3km/s的导波，导波信号由三指条分裂指叉指换能器4接收并传入非线性导波检测系统1，利用示波器5对接收信号进行显示与采集后，通过计算机6进行数据分析与讨论。

以上包含了本发明优选实施例的说明，这是为了详细说明本发明的技术特征，并不是想要将发明内容限制在实施例所描述的具体形式中，依据本发明内容主旨进行的其他修改和变型也受本专利保护。本发明内容的主旨是由权利要求书所界定，而非由实施例的具体描述所界定。