导波激励模态可调的压电复合材料换能器及其工作方法与流程

1.本发明属于换能器技术领域，尤其涉及一种导波激励模态可调的压电复合材料换能器及其工作方法。


背景技术：

2.超声导波检测技术是一种基于有界结构中应力波传播理论的无损检测技术，具有检测距离长，检测精度高、成本低的优点，被广泛应用于工程装备的探伤中。然而，导波复杂的多模态特性极大地限制了其检测效果。所谓多模态特性，即在任意激励频率下，被检结构中至少存在两种模态的超声导波，这不仅增加了接收信号的处理难度，同时也降低了关键模态的换能效率。因此，选择激励单一且合适的导波模态可以提高对缺陷的灵敏度，并消减多模态特性的影响，对于超声导波检测技术具有重大的工程意义。
3.发明人发现，现阶段研制的可以实现单一导波模态激励的压电换能器中，一种是通过设计梳状电极的结构尺寸，可以实现板或管道中特定导波模态的激发，可以实现板或管道中特定导波模态的激发；另一种是在传统叉指压电换能器的基础上进行了改进，用离散分布的电极条代替传统固定间距的叉指电极，在不改变电极结构的基础上，通过离散电极间的连接配置可以选择性激励出不同波长的单一导波模态。然而，现阶段研制的压电换能器都只能在某些特定频率下激励出单一导波模态，无法在宽频范围内实现对导波激励模态的任意调控，检测灵活性较差，效率较低，无法满足工程检测需求。


技术实现要素：

4.本发明为了解决上述问题，提出了一种导波激励模态可调的压电复合材料换能器及其工作方法，利用线排列的压电复合材料阵元代替传统的叉指电极和整个压电陶瓷换能板，有效降低了传统压电陶瓷在强度脆性方面的弱点，增大了纵向机电转换效率，且大幅拓展了压电换能器的工作带宽；通过对输入信号进行延时控制，并搭配电路连接调整激发压电阵元的分布，可以在不改变换能器几何结构的基础上，实现宽频范围内单一导波激励模态的任意调控，有效消除导波多模态特性的影响，实现高效率的缺陷检测，在导波无损检测和结构健康监测领域，具有极大的工程应用价值和潜力。
5.第一方面，本发明提供了一种导波激励模态可调的压电复合材料换能器，包括复合压电阵列层和连接器；
6.所述复合压电阵列层包括多个压电复合材料阵元，多个压电复合材料阵元为平行分布的多个板状结构，每两个相邻的压电复合材料阵元之间填充有解耦材料；每个压电复合材料阵元上均设置有电极；
7.所述连接器的本体上设置有用于引入电路延时信号的多个独立排母，以及包括多个连接端子的双排排母；每个连接端子的一端与压电复合材料阵元上的一个电极通过导线连接，另一端与独立排母通过插拔导线连接；通过插拔导线选择性的将部分双排排母上的连接端子与对应的独立排母连通，实现调整激发压电复合材料阵元的分布，通过电路连接
控制激发压电阵元的分布，并引入额外电路延时信号，实现调控并激发单一的目标导波模态，抑制干扰模态。
8.进一步的，选取压电陶瓷板作为压电相，沿厚度方向极化，将压电陶瓷板与环氧树脂通过切割填充法获得1-3型压电复合材料；将1-3型压电复合材料切割为外形尺寸和结构相同的压电复合材料阵元。
9.进一步的，所述复合压电阵列层设置有外壳；所述复合压电阵列层一侧与所述外壳内壁之间设置有背衬层，另一侧与所述外壳内壁之间设置有匹配层。
10.进一步的，所述复合压电阵列层的两侧分别通过环氧树脂胶与所述背衬层和所述匹配层粘合。
11.进一步的，所述背衬层为包括环氧树脂胶、金属氧化物和高分子环氧空气球的混合物；所述匹配层为包括环氧树脂胶和金属氧化物的混合物。
12.进一步的，所述解耦材料为包括环氧树脂胶和高分子环氧空气球的混合物。
13.进一步的，每个压电复合材料阵元的外形尺寸和结构相同。
14.进一步的，多个压电复合材料阵元沿直线等间隔排列。
15.进一步的，每个独立排母分别连接有一个夹持片；所述夹持片连接有用于引入电路延时信号的外部激励信号源。
16.第二方面，本发明还提供了一种导波激励模态可调的压电复合材料换能器工作方法，采用了如第一方面中所述的导波激励模态可调的压电复合材料换能器，包括：通过插拔导线选择性的将双排排母上的部分连接端子与对应的独立排母连通，对压电复合材料阵元的分布进行调整，从而控制导波激励模态的波长。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
18.1、本发明中，多个压电复合材料阵元为平行分布的多个板状结构，采用线排列的压电复合材料阵元代替了传统的叉指式和梳状式压电换能器，通过插拔导线可选择性的将部分双排排母上的连接端子与对应的独立排母连通，实现调整激发压电复合材料阵元的分布，达到灵活控制导波激励模态波长的目的，在不改变换能器几何结构的条件下，可激励出不同波长的单一导波模态，同时，通过连接器引入的额外延时电路信号，能够在宽频范围内实现单一导波激励模态的任意调控，解决了现有技术中的压电换能器只能在某些特定频率下激励出单一导波模态，激励灵活性差，检测效率低的问题。
19.2、本发明采用厚度极化的1-3型压电复合材料制作了压电复合材料阵元，相较于传统压电陶瓷，有效拓宽换能器的工作带宽，提高了压电复合材料换能器的纵向机电耦合效率；
20.3、本发明在压电复合材料阵元间填充了高衰减解耦材料，由环氧树脂胶和高分子环氧空气球混合制成的高衰减解耦材料一方面有效降低了换能器在强度脆性方面的不足，另一方面减小了压电复合材料阵元间的横向耦合振动，增强了激励导波信号的灵敏度和信噪比。
附图说明
21.构成本实施例的一部分的说明书附图用来提供对本实施例的进一步理解，本实施例的示意性实施例及其说明用于解释本实施例，并不构成对本实施例的不当限定。
22.图1为本发明实施例1的结构示意图；
23.图2为本发明实施例1的复合压电阵列层的整体结构示意图；
24.图3为本发明实施例1的复合压电阵列层的局部结构示意图；
25.图4为本发明实施例1的压电复合材料阵元的结构示意图；
26.图5为本发明实施例1的连接器的结构示意图；
27.图6为本发明实施例2和实施例3的实验系统示意图；
28.图7为本发明实施例2的频率响应特性测试结果图；
29.图8为本发明实施例3的4mm厚6061-t6铝板的超声导波相速度频散曲线；
30.图9为本发明实施例3中传统梳状压电换能器的实验系统示意图；
31.图10为本发明实施例3的固定指间间距为12mm时，传统梳状压电换能器在150～1000khz范围内能激发的单一导波模态说明图；
32.图11为本发明实施例3的每间隔10个压电复合材料阵元与一个通道信号源连接，并给相邻通道信号源施加200ns线性延时，复合压电阵列层的电路连接示意图；
33.图12为本发明实施例3的200ns线性延时下，压电复合材料换能器在150～1000khz范围内能激发的单一导波模态说明图；
34.图13为本发明实施例3的每间隔5个压电复合材料阵元与一个通道信号源连接，并给相邻通道信号源施加100ns线性延时，复合压电阵列层的电路连接示意图；
35.图14为本发明实施例3的100ns线性延时下，压电复合材料换能器在150～1000khz范围内能激发的单一导波模态说明图；
36.其中，1、外壳；2、背衬层；3、复合压电阵列层；301、压电复合材料阵元；302、解耦材料；303、电极；4、电极引线；5、匹配层；6、连接器；601、夹持片；602、独立排母；603、双排排母；7、插拔导线；8、电缆线；9、6061-t6铝板；10、信号发生器；11、放大器；12、压电复合材料换能器；13、梳状压电换能器；14、压电陶瓷传感器；15、示波器。
具体实施方式：
37.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
38.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
39.实施例1：
40.现阶段研制的压电换能器都只能在某些特定频率下激励出单一导波模态，无法在宽频范围内实现对导波激励模态的任意调控，检测灵活性较差，效率较低，无法满足对相关设施进行定期无损检测的工程检测需求；针对上述问题，如图1所示，本发明提供了一种导波激励模态可调的压电复合材料换能器，包括外壳1、背衬层2、复合压电阵列层3、电极引线4、匹配层5、连接器6、多合一连接线7和电缆线8；其中，所述复合压电阵列层3包括压电复合材料阵元301、解耦材料302和电极303，可以理解的，电极303可以分为正极和负极，所述6连接器包括夹持片601、独立排母602和双排排母603，所述双排排母603上设置有多个连接端子。
41.具体的，如图2、图3、图4和图5所示，所述复合压电阵列层3包括多个压电复合材料
阵元301，多个压电复合材料阵元301为平行分布的多个板状结构，每两个相邻的压电复合材料阵元301之间填充有解耦材料302；每个压电复合材料阵元301上均设置有电极303；所述连接器6的本体上设置有多个独立排母602和包括多个连接端子的双排排母603；每个连接端子的一端与压电复合材料阵元301上一个电极的电极引线4通过导线连接，另一端与一个独立排母602通过插拔导线7连接；可以理解的，所述插拔导线7为常规可随时断开和连接的连接线实现，所述插拔导线7可以实现将同一个独立排母602同时与多个连接端子连接的目的，连接电极引线4的导线由电缆线8实现。多个压电复合材料阵元301为平行分布的多个板状结构，采用线排列的压电复合材料阵元301代替了传统的叉指式和梳状式压电换能器，通过插拔导线可选择性的将部分双排排母603上的连接端子与对应的独立排母602连通，实现调整激发压电复合材料阵元301的分布，达到灵活控制导波激励模态波长的目的，在不改变换能器几何结构的条件下，可激励出不同波长的单一导波模态，解决了传统换能器不能实现单一导波激励模态可调的问题。
42.可选的，所述外壳1为金属外壳，内部填充了环氧树脂胶，保证所述金属外壳与内部电路之间绝缘；所述背衬层2位于整个压电复合材料换能器内部结构的一端，所述匹配层5位于整个压电复合材料换能器的另一端；所述复合压电阵列层3的两侧表面分别通过环氧树脂胶与所述背衬层2和所述匹配层5紧密粘合。每个压电复合材料阵元301两端的电极303分别与所述电极引线4相连；每个夹持片601与一个独立排母602连接。具体的，通过多个插拔导线7可选择性的将所述双排排母603上的部分连接端子与所述独立排母602进行连通，从而调整激发所述压电复合材料阵元301的分布，实现灵活控制导波激励模态的波长的目的；最后，外部激励信号源可以通过所述夹持片601引入电路延时信号，实现了压电复合材料换能器在宽频范围内对单一导波激励模态的任意调控。
43.所述的复合压电阵列层3的尺寸可以设置为长l2＝25、宽w2＝60和厚h2＝2.8mm，具体可以包括100个等间距排列的压电复合材料阵元301、解耦材料302和电极303；其中，所述压电复合材料阵元301在匹配层上的排列间距可以设置为s＝0.2。
44.可选的，所述背衬层2被设置为包括环氧树脂胶、金属氧化物和高分子环氧空气球混合制成的混合物，可以拓宽压电复合材料换能器的工作频率带宽，所述背衬层2长宽与所述复合压电阵列层3一致，厚度可以设置为h1＝30。；其中，所述金属氧化物可以增加所述背衬层2的声阻抗，所述环氧树脂胶可以起到粘结作用，所述高分子环氧空气球能够增加所述背衬层2的声衰减率；可以理解的，所述高分子环氧空气球为通过高分子环氧树脂加工成的空心球或实心球。所述匹配层5被设置为包括环氧树脂胶和金属氧化物混合制成的环合物，能够防止磨损，且同时可以提高压电复合材料换能器的声波能量转换效率；所述匹配层5长宽与复合压电阵列层一致，厚度可以设置为h3＝2.75。
45.可选的，选取pzt-5a压电陶瓷作为压电相，沿厚度方向极化，将pzt-5a压电陶瓷板与环氧树脂通过切割填充法可获得1-3型压电复合材料；利用数控机床将1-3型压电复合材料切割为外形尺寸和结构完全相同的压电复合材料阵元301，所有的压电复合材料阵元301间在谐振频率和压电常数等方面具有很好的一致性，尺寸可以设置为长l4＝25，宽w4＝0.4mm，厚h4＝2.8mm；采用厚度极化的1-3型压电复合材料制作压电复合材料阵元301，提高了压电复合材料换能器的纵向机电耦合效率，相较于传统压电陶瓷拓展了工作带宽。利用离子溅射仪在所述压电复合材料阵元301的两端表面制备电极303；电极303可以选择金、
银、铜或铂等导电率高且容易焊接的金属材料。
46.可选的，多个压电复合材料阵元301沿直线等间隔排列在所述匹配层5上；所述解耦材料302为高衰减解耦材料，可以由环氧树脂胶和高分子环氧空气球混合制成，解耦材料302填充在相邻压电复合材料阵元301之间的间隔内，以减少的压电复合材料阵元301间振动引起的信号串扰。
47.利用多个插拔导线7可以对所述连接器6进行电路连接控制，进而调整激发所述压电复合材料阵元301的分布间距，达到导波激励模态调控的效果；其中激发所述压电复合材料阵元301的等间隔尺寸l与导波激励模态的波长λ相等。
48.可选的，外部多通道信号源与所述夹持片601连接，可以给所述压电复合材料阵元301额外施加有线性延时的电路信号，即每一个通道比前一个通道延迟时间再搭配所述连接器6的电路连接控制，即可在宽频范围内，对任意波长的单一导波激励模态进行灵活调控。
49.实施例2：
50.为了对实施例1中导波激励模态可调的压电复合材料换能器的性能进行测试，本实施例提供了一种包括导波激励模态可调的压电复合材料换能器的测试系统，实现了对压电复合材料换能器的频率响应特性测试，具体为：
51.可选的，检测对象为6061-t6铝板，规格为1000mm
×
1000mm
×
4mm。利压电复合材料换能器在6061-t6铝板上对150～1000khz频率区间内的单一导波模态进行激励调控。如图6所示，测试系统包括6061-t6铝板9、信号发生器10、放大器11、压电复合材料换能器12、压电陶瓷传感器14和示波器15；其中，所述信号发生器10可以设置为多通道信号发生器，所述放大器组成11可以设置为多通道高压放大器。所述多通道信号发生器可以输出由汉宁窗调制的正弦脉冲信号作为信号源，可以减少激发信号的频谱旁瓣，使激励的导波信号频率接近单一，且能量更集中；所述多通道高压放大器可以增大信号源的电压幅值，提高激发导波信号的能量和对缺陷的灵敏度；所述压电陶瓷传感器14用于接收铝板中传播的导波信号；所述示波器15用于导出接收信号的波形信息，进行后处理。
52.对实施例1中的压电复合材料换能器12进行频率扫查实验；可选的，所述压电复合材料换能器12作为激励换能器所述距离6061-t6铝板9左端面300mm，所述压电复合材料换能器12与所述压电陶瓷传感器14水平排列且间距为200mm，压电陶瓷传感器距离6061-t6铝板右端面500mm。激励信号源可以为汉宁窗调制的十周期正弦脉冲波，频率扫查实验的起始频率可以为115khz，以10khz为步长增长到1075khz，采用一激一发的实验方式，接收到的信号幅值做归一化处理，所述压电复合材料换能器12的频率响应特性如图7所示。可以发现，所述压电复合材料换能器12的实际中心频率为540khz，且相对带宽达到72.55％，由此说明，本实施例中采用的1-3型压电复合材料在150～1000khz的宽频范围内具有较好的频率响应特性，克服了传统压电陶瓷换能器工作带宽窄的问题，增大了换能器的纵向机电转换效率，并同时验证了所述压电复合材料换能器12设计的合理性。
53.实施例3：
54.为了进一步对实施例1中导波激励模态可调的压电复合材料换能器的性能进行测试，本实施例提供了一种包括导波激励模态可调的压电复合材料换能器的测试系统，通过对比实验，实现了对压电复合材料换能器频率响应特性测试，具体为：
55.可选的，检测对象为6061-t6铝板9，规格为1000mm
×
1000mm
×
4mm。图8所示，为4mm厚6061-t6铝板的超声导波相速度频散曲线；测试系统如图6和图9所示，包括6061-t6铝板9、信号发生器10、放大器11、压电复合材料换能器12、梳状压电换能器13、压电陶瓷传感器14和示波器15；其中，所述信号发生器10可以设置为多通道信号发生器，所述放大器组成11可以设置为多通道高压放大器。所述多通道信号发生器可以输出由汉宁窗调制的正弦脉冲信号作为信号源，可以减少激发信号的频谱旁瓣，使激励的导波信号频率接近单一，且能量更集中；所述多通道高压放大器可以增大信号源的电压幅值，提高激发导波信号的能量和对缺陷的灵敏度；所述压电陶瓷传感器14用于接收铝板中传播的导波信号；所述示波器15用于导出接收信号的波形信息，进行后处理。
56.为了验证所述压电复合材料换能器12对单一导波激励模态调控的可行性，与传统压电梳状压电换能器进行对比，设计了模态测试实验。其中，激励换能器距离所述6061-t6铝板9左端面300mm，激励换能器与所述压电陶瓷传感器14水平排列且间距为200mm，所述压电陶瓷传感器14距离所述6061-t6铝板9右端面500mm。实验中激励信号源可以为汉宁窗调制的十周期正弦脉冲波，采用一激一发的实验方式。
57.首先设计了指间间距为12mm的梳状压电换能器13，将其作为激励换能器，激励的信号频率从150khz以20khz为步长增长到1000khz，利用所述压电陶瓷传感器14接收直达信号，分别处理后发现，传统的固定间距梳状压电换能器只对固定波长的单一导波模态具有较好的激励响应，即图10中与虚线相交的导波模态点mode1、mode2、mode3和mode4。
58.若将所述压电复合材料换能器12作为激励换能器，采用插拔导线7，通过连接器6将部分压电复合材料阵301与激励信号源连接，比如每间隔10个压电复合材料阵元301与一个通道的信号源连接，在此基础上给相邻通道的信号源施加固有的200ns线性延时，即每一个通道比前一个通道延迟时间具体如图11所示；激励的信号频率从150khz以20khz为步长增长到1000khz，利用所述压电陶瓷传感器14接收直达信号，如图12所示，分别处理后发现，此时可激发与虚线相交的所有单一导波模态点mode5、mode6、mode7和mode8。
59.若将压电复合材料换能器作为激励换能器，采用插拔导线7，通过连接器6将部分压电复合材料阵元301与激励信号源连接，比如每间隔5个压电复合材料阵元301与一个通道的信号源连接，在此基础上给相邻通道的信号源施加固有的100ns线性延时，即每一个通道比前一个通道延迟时间具体如图13所示；激励的信号频率从150khz以20khz为步长增长到1000khz，利用所述压电陶瓷传感器14接收直达信号，如图14所示，分别处理后发现，此时可激发与虚线相交的所有单一导波模态点，mode9、mode10和mode11。
60.由此发现，若施加不同大小的线性延时再搭配连接器6的电路配置，即可在150～1000khz范围内灵活地激励出不同波长的单一导波模态。
61.综上所述，采用线排列的压电复合材料阵元301代替传统的电极和整个压电换能板，通过对输入信号进行延时控制，并搭配电路连接调整激发压电阵元的分布，可以在不改变换能器几何结构的基础上，高效地调控并激发单一的目标导波模态，达到抑制导波多模态特性的效果。
62.实施例4：
63.本实施例提供了一种导波激励模态可调的压电复合材料换能器工作方法，采用了
实施例1中所述的导波激励模态可调的压电复合材料换能器，包括：通过插拔导线7选择性的将双排排母603上的部分连接端子与对应的独立排母602连通，对压电复合材料阵元301的分布进行调整，从而控制导波激励模态的波长。
64.以上所述仅为本实施例的优选实施例而已，并不用于限制本实施例，对于本领域的技术人员来说，本实施例可以有各种更改和变化。凡在本实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实施例的保护范围之内。

技术特征：
1.导波激励模态可调的压电复合材料换能器，其特征在于，包括复合压电阵列层和连接器；所述复合压电阵列层包括多个压电复合材料阵元，多个压电复合材料阵元为平行分布的多个板状结构，每两个相邻的压电复合材料阵元之间填充有解耦材料；每个压电复合材料阵元上均设置有电极；所述连接器的本体上设置有用于引入电路延时信号的多个独立排母，以及包括多个连接端子的双排排母；每个连接端子的一端与压电复合材料阵元上的一个电极通过导线连接，另一端与独立排母通过插拔导线连接；通过插拔导线选择性的将部分双排排母上的连接端子与对应的独立排母连通，实现调整激发压电复合材料阵元的分布，通过电路连接控制激发压电阵元的分布，并引入额外电路延时信号，实现调控并激发单一的目标导波模态，抑制干扰模态。2.如权利要求1所述的导波激励模态可调的压电复合材料换能器，其特征在于，选取压电陶瓷板作为压电相，沿厚度方向极化，将压电陶瓷板与环氧树脂通过切割填充法获得1-3型压电复合材料；将1-3型压电复合材料切割为外形尺寸和结构相同的压电复合材料阵元。3.如权利要求1所述的导波激励模态可调的压电复合材料换能器，其特征在于，所述复合压电阵列层设置有外壳；所述复合压电阵列层一侧与所述外壳内壁之间设置有背衬层，另一侧与所述外壳内壁之间设置有匹配层。4.如权利要求3所述的导波激励模态可调的压电复合材料换能器，其特征在于，所述复合压电阵列层的两侧分别通过环氧树脂胶与所述背衬层和所述匹配层粘合。5.如权利要求3所述的导波激励模态可调的压电复合材料换能器，其特征在于，所述背衬层为包括环氧树脂胶、金属氧化物和高分子环氧空气球的混合物；所述匹配层为包括环氧树脂胶和金属氧化物的混合物。6.如权利要求1所述的导波激励模态可调的压电复合材料换能器，其特征在于，所述解耦材料为包括环氧树脂胶和高分子环氧空气球的混合物。7.如权利要求1所述的导波激励模态可调的压电复合材料换能器，其特征在于，每个压电复合材料阵元的外形尺寸和结构相同。8.如权利要求1所述的导波激励模态可调的压电复合材料换能器，其特征在于，多个压电复合材料阵元沿直线等间隔排列。9.如权利要求1所述的导波激励模态可调的压电复合材料换能器，其特征在于，每个独立排母分别连接有一个夹持片；所述夹持片连接有用于引入电路延时信号的外部激励信号源。10.导波激励模态可调的压电复合材料换能器工作方法，其特征在于，采用了如权利要求1-9任一项所述的导波激励模态可调的压电复合材料换能器，包括：通过插拔导线选择性的将双排排母上的部分连接端子与对应的独立排母连通，对压电复合材料阵元的分布进行调整，从而控制导波激励模态的波长。

技术总结
本发明属于换能器技术领域，提供了一种导波激励模态可调的压电复合材料换能器及其工作方法，多个压电复合材料阵元为平行分布的多个板状结构，采用线排列的压电复合材料阵元代替了传统的叉指式和梳状式压电换能器，通过插拔导线可选择性的将部分双排排母上的连接端子与对应的独立排母连通，实现调整激发压电复合材料阵元的分布，达到灵活控制导波激励模态波长的目的，在不改变换能器几何结构的条件下，可激励出不同波长的单一导波模态，解决了传统换能器不能实现单一导波激励模态可调的问题。问题。问题。


技术研发人员：张旭 陈雷 马云修 刘刚 王傲成 牛草原
受保护的技术使用者：管网集团（徐州）管道检验检测有限公司
技术研发日：2023.03.27
技术公布日：2023/7/21