全指向性激励与接收水平剪切波的压电换能器及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种全指向性激励与接收水平剪切波的压电换能器及制备方法。本发明专利技术采用一块压电陶瓷圆环沿厚度方向极化，平均分成2n个扇形体后在侧面制备电极，重新构成圆环，相邻的换能器子单元的极化方向相反，形成沿厚度极化方向交替反向并且周向施加电场的全指向性激励与接收SH

Piezoelectric transducer with full directional excitation and reception of horizontal shear wave and preparation method thereof

The invention discloses a piezoelectric transducer with full directional excitation and reception of horizontal shear wave and a preparation method thereof. The invention adopts a piezoelectric ceramic ring along the thickness direction of polarization, the average is divided into 2n segments in the side of the electrode preparation, to constitute a ring, polarization direction transducer sub unit adjacent to the contrary, formed along the thickness direction of polarization alternately and reverse circumferential electric field is applied to the whole point of excitation and receiving SH

【技术实现步骤摘要】
全指向性激励与接收水平剪切波的压电换能器及制备方法
本专利技术涉及智能材料领域，具体涉及一种全指向性激励与接收水平剪切波的压电换能器及制备方法。
技术介绍
大型板壳结构常见于压力容器、化工原料储藏仓等结构中。由于腐蚀、疲劳损伤等原因，这类结构的意外事故常有发生，造成重大经济损失和人员伤亡。因此，巨型板壳结构安全性的检测与评价具有重要意义。无损检测与结构健康监测技术可以对板壳结构的完整性和剩余寿命进行评估，实现及时维护，进而避免了重大安全事故的发生。与其他无损检测技术相比，超声导波以其检测距离长、检测效率高和检测成本低等优势受到了越来越多的关注。在实际运用中，超声导波相控阵系统因为能实现波聚焦而被认为是最为有效的超声检测方法。以全指向性激励与接收的换能器作为基本单元，相控阵系统可以实现将波束能量集中在换能器的任何方向，进而形成一种360度无盲区线扫描检测系统。不同于复杂的传感器网络，这类相控阵系统只需要很少的换能器，就可以实现全区域覆盖，极大地降低了建造成本和信号处理的难度，从而使得超声导波在板壳结构中检测成为可能。为了形成有效的相控阵系统，组成该系统的基本换能器单元必须可以全指向性激励和接收导波。国内外许多课题组先后开展了许多的研究工作，多种全指向性激励与接收Lamb波的换能器也被相继提出。英国帝国理工大学Cawley课题组基于洛伦兹力设计了一种电全指向性电磁换能器(WilcoxPD,etal.Theexcitationanddetectionoflambwaveswithplanarcoilelectromagneticacoustictransducers.IEEETrans.Ultrason.Ferroelectr.Freq.Control,52(12),2005)；韩国首尔大学YoonYoungKim课题组基于磁致伸缩效应设计了全指向性磁致伸缩换能器(J.K.Lee,etal.OmnidirectionalLambwavesbyaxisymmetrically-configuredmagnetostrictivepatchtransducer.IEEETrans.Ultrason.Ferroelectr.Freq.Control,60(9),2013)；美国宾州州立大学Rose课题组基于压电伸缩振动模式设计了全指向性压电换能器(Koduru.JP,etal.Transducerarraysforomnidirectionalguidedwavemodecontrolinplatelikestructures.SmartMater.Struct,22(1),2012)。上述的换能器虽然能全指向性激励与接收超声导波，但都集中在Lamb波。对于Lamb波而言，无论是对称的S0波或反对称的A0波，均是频散的，这种频散特性使得波形随着传播距离或传播时间的增加发生扭曲；Lamb波振动特性决定了它的离面位移与面内位移无法解耦，这使得实际中很难激励出单模态的Lamb波，而多模态的Lamb波与缺陷相互作用后会发生明显的波型转换。这些问题都给后续的信号处理带来了极大的困难，严重制约了Lamb波超声相控阵系统走向实际使用。与Lamb波相比，基频水平剪切波(SH0)是完全非频散的，它的波形不会随着传播距离或传播时间的増长波形发生扭曲；它只有一个面内位移分量，当它与缺陷相互作用后，波型转换极少。这些特性都使得SH0波在后续的信号处理更方便，显示出更强的实用价值。此外，SH0波与Lamb波相比，能量衰减小，也无法在流体中传播，相同条件下可检测的范围更大。因此，设计制备全指向性激励与接收水平剪切(SH)波换能器能极大地推动超声导波在板壳结构检测中的。为了进一步推动超声导波在板壳结构检测中的发展，近几年一些学者提出了几种全指向性激励与接收SH波的换能器。韩国首尔大学YoonYoungKim课题组基于磁致伸缩原理(SeungHM,etal.Developmentofanomni-directionalshear-horizontalwavemagnetostrictivepatchtransducerforplates.Ultrasonics,53(7),2013)和洛伦兹力(SeungHM,etal.Anomnidirectionalshear-horizontalguidedwaveEMATforametallicplate.Ultrasonics,69,2016)，设计了全指向性激励与接收的SH波的磁致伸缩换能器(MPT)和电磁换能器(EMAT)。MPT需要通过交变电流产生动态磁场实现材料的磁致伸缩边形，EMAT则需要通过交变电流在金属板中感应出涡流，这两种方式都极大地降低了能量转换效率，导致换能器激励出的信号微弱；此外，MPT与EMAT抗干扰能力较弱，在实际使用中信号易受环境影响，给信号的后续处理带来困难。与MPT和EMAT相比，压电换能器尺寸更为紧凑，机电耦合系数更高，抗干扰能力更强，因此全指向性激励与接收SH波的压电换能器显得更适用于板壳结构的检测。美国宾州州立大学Rose课题组设计了一种由两个完全相等的压电半圆柱构成的全指向压电换能器(U.S.PatentApplicationNo.14/878,595)。这种换能器要求压电半圆柱沿周向均匀极化，但这种极化方式在实际制备中很难实现。加拿大高等技术学院Belanger课题组和北京大学李法新课题组分别采用厚度剪切d15模式(BelangerP,etal.Developmentofalowfrequencyomnidirectionalpiezoelectricshearhorizontalwavetransducer.SmartMater.Struct,25(4),2016)和面剪切d24模式(MiaoH,etal.Anewomnidirectionalshearhorizontalwavetransducerusingface-shear(d24)piezoelectricringarray.Ultrasonics,74,2017)，通过将方形压电陶瓷片切割成梯形状后组成一个近周向极化的换能器阵列，实现了SH波的全指向性激励与接收。但这种设计要求换能器阵列的每个单元形状、性能均相近，才能保证激励与接收的SH波时沿各个方向有良好的均一性，这在实际制备中很难保证。
技术实现思路
为了解决现有的压电换能器周向极化困难、全指向性能不均一等问题，本专利技术提出了一种全指向性激励与接收水平剪切波的压电换能器及制备方法，克服了MPT与EMAT能量转化率低、信号弱、抗干扰能力差等弊端，并且在宽频带范围内均可以工作，十分适用于超声导波相控阵系统，有望进一步推动超声导波在板壳检测中的使用。本专利技术的一个目的在于提出一种全指向性激励与接收水平剪切波的压电换能器。本专利技术的全指向性激励与接收水平剪切波的压电换能器包括：2n个换能器子单元；其中，一块压电陶瓷圆环，沿厚度方向极化；极化后的压电陶瓷圆环沿直径方向平均分成2n个扇形体；每一个扇形体的两个矩形侧面为电极面，在每一个电极面上制备电极，从而形成换能器子单元；形状为扇形体的换能器子单元拼接在一起重新构成圆环，相邻的换能器子单元的极化方向相反本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种全指向性激励与接收水平剪切波的压电换能器，其特征在于，所述压电换能器包括：2n个换能器子单元；其中，一块压电陶瓷圆环，沿厚度方向极化；极化后的压电陶瓷圆环沿直径方向平均分成2n个扇形体；每一个扇形体的两个矩形侧面为电极面，在每一个电极面上制备电极，从而形成换能器子单元；形状为扇形体的换能器子单元拼接在一起重新构成圆环，相邻的换能器子单元的极化方向相反，即沿厚度方向极化方向交替反向；相邻的两个电极面上的电极粘接在一起并导通，两个粘接在一起的相邻的电极面形成一个共用电极面，电势相等，共形成2n个共用电极面，两个粘接在一起的相邻的电极形成共用电极，共形成2n个共用电极；所述共用电极面每间隔一个为等电势，即在实际使用时只存在两个电势，每个电势包含n个公共电极面；以一个共用电极为基准，每间隔一个公共电极作为正电极，n个正电极分别通过导线连接至激励源的正极，其余n个相互间隔的公共电极作为负电极，分别通过导线连接至激励源的负极；从而得到沿厚度方向极化方向交替反向并且周向施加电场的压电换能器；n为≥2的自然数。

【技术特征摘要】
1.一种全指向性激励与接收水平剪切波的压电换能器，其特征在于，所述压电换能器包括：2n个换能器子单元；其中，一块压电陶瓷圆环，沿厚度方向极化；极化后的压电陶瓷圆环沿直径方向平均分成2n个扇形体；每一个扇形体的两个矩形侧面为电极面，在每一个电极面上制备电极，从而形成换能器子单元；形状为扇形体的换能器子单元拼接在一起重新构成圆环，相邻的换能器子单元的极化方向相反，即沿厚度方向极化方向交替反向；相邻的两个电极面上的电极粘接在一起并导通，两个粘接在一起的相邻的电极面形成一个共用电极面，电势相等，共形成2n个共用电极面，两个粘接在一起的相邻的电极形成共用电极，共形成2n个共用电极；所述共用电极面每间隔一个为等电势，即在实际使用时只存在两个电势，每个电势包含n个公共电极面；以一个共用电极为基准，每间隔一个公共电极作为正电极，n个正电极分别通过导线连接至激励源的正极，其余n个相互间隔的公共电极作为负电极，分别通过导线连接至激励源的负极；从而得到沿厚度方向极化方向交替反向并且周向施加电场的压电换能器；n为≥2的自然数。2.如权利要求1所述的压电换能器，其特征在于，相邻的电极采用具有导电性能的胶黏剂粘接在一起。3.如权利要求1所述的压电换能器，其特征在于，所述压电换能器作为制动器，激励超声导波，或者作为传感器，接收超声导波；作为制动器，只激励SH0波；作为传感器，只接收SH0波。4.一种全指向性激励与接收水平剪切波的压电换能器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：1)将一块压电陶瓷圆环...

【专利技术属性】
技术研发人员：李法新，宦强，苗鸿臣，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京,11