一种叉指换能器阵列及制作方法技术

本发明专利技术公开了一种叉指换能器阵列及制作方法，叉指换能器阵列包括聚偏氟乙烯基底和N个梯形叉指电极阵元；聚偏氟乙烯基底为圆盘形，多个梯形叉指电极阵元以聚偏氟乙烯基底的圆心为中心沿圆周方向均匀分布在聚偏氟乙烯基底的表面；梯形叉指电极阵元的正极叉指电极包括正极外接端和多个相互间隔的正电极，梯形叉指电极阵元的负极叉指电极包括负极外接端和多个相互间隔的负电极；各梯形叉指电极阵元中的多个正电极和多个负电极交替间隔排列；各相邻的两个梯形叉指电极阵元共用一个正极外接端，各相邻的两个梯形叉指电极阵元共用一个负极外接端。本发明专利技术具有宽频带、低损耗、多方位发射和接收的优点，提高了损伤检测效率。

A interdigital transducer array and its fabrication method

The invention discloses a interdigital transducer array and a manufacturing method. The interdigital transducer array comprises a polyvinylidene fluoride base and N trapezoidal interdigital electrode array elements. The polyvinylidene fluoride base is in the shape of a disc, and a plurality of trapezoidal interdigital electrode array elements are evenly distributed on the surface of the polyvinylidene fluoride base along the circumference with the center of the polyvinylidene fluoride base as the center; the positive pole of the trapezoidal interdigital electrode array element The interdigital electrode consists of positive external terminal and multiple positive electrodes spaced apart from each other. The negative interdigital electrode of trapezoidal interdigital electrode array consists of negative external terminal and multiple negative electrodes spaced apart from each other. The positive and negative electrodes in each trapezoidal interdigital electrode array are arranged alternately. Each adjacent two trapezoidal interdigital electrode array shares one positive external terminal and two adjacent ones The trapezoid interdigital electrode elements share a negative external terminal. The invention has the advantages of wide frequency band, low loss, multi-directional transmission and reception, and improves the damage detection efficiency.

【技术实现步骤摘要】
一种叉指换能器阵列及制作方法
本专利技术涉及叉指换能器
，特别是涉及一种叉指换能器阵列及制作方法。
技术介绍
在适用于大面积板结构健康监测(StructuralHealthMonitoring,SHM)的方法和相关技术中，诸多先进的信号处理方法依然存在人为干扰因素较大、应用范围狭窄等诸多不足。电声转换的换能器件因其特有的传递结构安全信息的功能已逐渐成为SHM系统中的关键组成部分。既有的结构健康监测系统始终具有更进一步提高其检测灵敏度和精度的需求，探索可用于大面积复合材料的具有多方位发射和接收、宽频且模态可选择功能的柔性叉指式导波换能器可为实现实时快速SHM解决关键性的技术障碍。现有基于超声导波的SHM系统常采用嵌入式或粘贴的超声换能器单元构建具有一定空间分布形式的驱动/传感阵列或稀疏分布的传感网络，可用于克服大面积板或者复合材料结构中阻抗衰减和信号响应低等问题。稀疏分布传感网络根据传感单元间导波信号的渡越时间信息实施对结构局部损伤检测，其损伤成像定位精度极大地依赖于稀疏传感器的布阵方案。就换能器的构造设计而言，叉指式换能器(InterdigitalTransducer,IDT)的叉指结构是用于SHM系统中产生定向导波的最基本形式，然而，现有技术中的IDT设计中仍存在着诸多不足，如具较窄的频带宽和单一的方向性等，为适应更小的损伤检测尺度，需要巧妙的换能器结构设计以提高带宽，以实现多方位的驱动和传感。叉指换能器最早是由Hyodo等人在1968年作为建筑块设计方法延伸提出来的。之后在1973年，Daniel和deKlerk比较了梯形叉指换能器和调频脉冲的优点和变迹通带的滤波器结构，这表明了叉指换能器可以用于带通应用程序。从1982年至1987年，Campbell描述了设计宽频带线性相位滤波器的详细步骤，并通过在yz-铌酸锂上的70MHz50％带宽滤波器进行实验，有效抑制了>35db的旁瓣，同时频率响应得到了提升。综合IDT应用的发展来看，现有的矩形IDT已经成熟应用于声表面波器件并且得到了很大的发展，而且矩形IDT也开始逐渐应用于损伤检测之中，其在中心频率下频响最大，所以一般设计其中心频率为激励频率。随着结构健康监测的发展，工程结构越来越复杂，要求IDT损耗也越来越低，性能在不断提高。现有的矩形IDT的线宽窄，不能满足越来越高频率的重复应力作用和越来越大的功率，所以研究宽频带、低损耗、高性能的IDT对于结构健康监测至关重要。然而，针对梯形叉指换能器，却主要是用于进行滤波器的设计，将其应用于损伤检测还不成熟。因为就换能器的构造设计而言，叉指式换能器的叉指结构是用于SHM系统中产生定向导波的最基本形式，然而，现有技术中的IDT设计中仍存在着诸多不足，如具较窄的频带宽和单一的方向性等。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种叉指换能器阵列及制作方法，具有宽频带、低损耗、多方位发射和接收的优点，提高了损伤检测效率。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种叉指换能器阵列，其特征在于，所述叉指换能器阵列包括：聚偏氟乙烯基底和N个梯形叉指电极阵元，N为大于3的整数；所述聚偏氟乙烯基底为圆盘形，多个所述梯形叉指电极阵元以所述聚偏氟乙烯基底的圆心为中心沿圆周方向均匀分布在所述聚偏氟乙烯基底的表面；所述梯形叉指电极阵元的正极叉指电极包括正极外接端和多个相互间隔的正电极，多个所述正电极的一端均与所述正极外接端连接，多个所述正电极共面，所述梯形叉指电极阵元的负极叉指电极包括负极外接端和多个相互间隔的负电极，多个所述负电极的一端均与所述负极外接端连接，多个所述负电极共面；各所述梯形叉指电极阵元中的多个所述正电极和多个所述负电极交替间隔排列；各相邻的两个所述梯形叉指电极阵元共用一个所述正极外接端，各相邻的两个所述梯形叉指电极阵元共用一个所述负极外接端。可选的，所述梯形叉指电极阵元中所述正电极的宽度和所述负电极的宽度从所述正极外接端到所述负极外接端逐渐变小。可选的，所述梯形叉指电极阵元由金粉制成。可选的，所述聚偏氟乙烯基底厚度为0.3mm。本专利技术还提供了一种叉指换能器制作方法，其特征在于，所述方法包括：将聚偏氟乙烯材料沿厚度方向进行极化，得到聚偏氟乙烯基底，所述聚偏氟乙烯基底为圆盘形；以所述聚偏氟乙烯基底为底面，在所述底面上设计N个梯形叉指电极阵元的图形，N为大于3的整数，多个所述梯形叉指电极阵元以所述底面的圆心为中心沿圆周方向均匀分布在所述底面的表面；所述梯形叉指电极阵元的正极叉指电极包括正极外接端和多个相互间隔的正电极，多个所述正电极的一端均与所述正极外接端连接，多个所述正电极共面，所述梯形叉指电极阵元的负极叉指电极包括负极外接端和多个相互间隔的负电极，多个所述负电极的一端均与所述负极外接端连接，多个所述负电极共面；各所述梯形叉指电极阵元中的多个所述正电极和多个所述负电极交替间隔排列；各相邻的两个所述梯形叉指电极阵元共用一个所述正极外接端，各相邻的两个所述梯形叉指电极阵元共用一个所述负极外接端；采用喷金工艺，根据所述设计的N个梯形叉指电极阵元图形，将N个梯形叉指电极阵元沉积在所述聚偏氟乙烯基底的表面上，得到聚偏氟乙烯基梯形叉指换能器阵列；采用聚合物保护层对所述聚偏氟乙烯基梯形叉指换能器阵列进行封装。可选的，所述梯形叉指电极阵元中所述正电极的宽度和所述负电极的宽度从所述正极外接端到所述负极外接端逐渐变小。可选的，所述梯形叉指电极阵元由金粉制成。可选的，所述聚偏氟乙烯基底厚度为0.3mm。根据本专利技术提供的
技术实现思路
，本专利技术公开了以下技术效果：本专利技术提供了一种叉指换能器阵列及制作方法，包括：聚偏氟乙烯基底和N个梯形叉指电极阵元，聚偏氟乙烯基底为圆盘形，多个梯形叉指电极阵元以所述聚偏氟乙烯基底的圆心为中心沿圆周方向均匀分布在所述聚偏氟乙烯基底的表面；各梯形叉指电极阵元中的多个正电极和多个负电极交替间隔排列；各相邻的两个所述梯形叉指电极阵元共用一个所述正极外接端，各相邻的两个所述梯形叉指电极阵元共用一个所述负极外接端，具有宽频带、低损耗、多方位发射和接收的特点，能够检测不同结构的材料，提高了损伤检测效率。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例叉指换能器阵列结构示意图；图2为本专利技术实施例叉指换能器阵列中单个梯形叉指电极阵元结构示意图；图3为本专利技术实施例铝板相速度频散曲线和IDT电极设计原理图；图4为本专利技术实施例不同电极宽度梯形叉指换能器随基底厚度变化的单位电压应变变化图；图5为本专利技术实施例叉指换能器阵列的频率响应图；图6为本专利技术实施例传统IDT频率响应图；图7为本专利技术实施例IDT与PZT激励产生L本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种叉指换能器阵列，其特征在于，所述叉指换能器阵列包括：聚偏氟乙烯基底和N个梯形叉指电极阵元，N为大于3的整数；所述聚偏氟乙烯基底为圆盘形，多个所述梯形叉指电极阵元以所述聚偏氟乙烯基底的圆心为中心沿圆周方向均匀分布在所述聚偏氟乙烯基底的表面；/n所述梯形叉指电极阵元的正极叉指电极包括正极外接端和多个相互间隔的正电极，多个所述正电极的一端均与所述正极外接端连接，多个所述正电极共面，所述梯形叉指电极阵元的负极叉指电极包括负极外接端和多个相互间隔的负电极，多个所述负电极的一端均与所述负极外接端连接，多个所述负电极共面；各所述梯形叉指电极阵元中的多个所述正电极和多个所述负电极交替间隔排列；/n各相邻的两个所述梯形叉指电极阵元共用一个所述正极外接端，各相邻的两个所述梯形叉指电极阵元共用一个所述负极外接端。/n

【技术特征摘要】
1.一种叉指换能器阵列，其特征在于，所述叉指换能器阵列包括：聚偏氟乙烯基底和N个梯形叉指电极阵元，N为大于3的整数；所述聚偏氟乙烯基底为圆盘形，多个所述梯形叉指电极阵元以所述聚偏氟乙烯基底的圆心为中心沿圆周方向均匀分布在所述聚偏氟乙烯基底的表面；
所述梯形叉指电极阵元的正极叉指电极包括正极外接端和多个相互间隔的正电极，多个所述正电极的一端均与所述正极外接端连接，多个所述正电极共面，所述梯形叉指电极阵元的负极叉指电极包括负极外接端和多个相互间隔的负电极，多个所述负电极的一端均与所述负极外接端连接，多个所述负电极共面；各所述梯形叉指电极阵元中的多个所述正电极和多个所述负电极交替间隔排列；
各相邻的两个所述梯形叉指电极阵元共用一个所述正极外接端，各相邻的两个所述梯形叉指电极阵元共用一个所述负极外接端。


2.根据权利要求1所述的一种叉指换能器阵列，其特征在于，所述梯形叉指电极阵元中所述正电极的宽度和所述负电极的宽度从所述正极外接端到所述负极外接端逐渐变小。


3.根据权利要求1所述的一种叉指换能器阵列，其特征在于，所述梯形叉指电极阵元由金粉制成。


4.根据权利要求1所述的一种叉指换能器阵列，其特征在于，所述聚偏氟乙烯基底厚度为0.3mm。


5.一种叉指换能器制作方法，其特征在于，所述方法包括：
将聚偏氟乙烯材料沿厚度方向进行极化，得到聚偏氟乙烯基底，所述聚偏氟...

【专利技术属性】
技术研发人员：王自平，钱磊，徐晨光，费跃，陈良彬，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32