一种压电堆点聚焦换能器
1.本发明涉及块体结构无损检测领域，尤其涉及一种压电堆点聚焦换能器。
背景技术：
2.研究和发展结构健康诊断技术对于设施的安全的运行和维护检测具有重要意义。相比于其它常规无损检测方法，声发射技术具有实时动态、覆盖面广等优点。压电复合材料是通过压电相与聚合物相的优势互补，来获得具有较强压电性和良好韧性的材料，基于压电复合材料设计的压电换能器在机械工程、土木工程等领域的结构无损检测应用日益广泛。
3.但是，传统的聚焦换能器应用于声发射检测或健康监测时，存在着信号谐振频率窄、能量转化率较低等问题，不具备测定特定方向应力和应力波驱动和传感的能力，这对于提取有效的结构损伤特征信息带来了一定的困难。
技术实现要素：
4.针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种压电堆点聚焦换能器，解决目前聚焦换能器存在着信号谐振频率窄、能量转化率较低的问题。
5.本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
6.一种压电堆点聚焦换能器，用于块体结构损伤检测，包括圆锥台楔块、背衬吸声层、保护壳和若干压电堆复合材料传感单元；
7.所述圆锥台楔块倒置于所述保护壳内，所述背衬吸声层设置于所述圆锥台楔块的大端面与所述保护壳的顶壁之间，若干所述压电堆复合材料传感单元沿周向均布于所述圆锥台楔块的侧面，所述压电堆复合材料传感单元包括若干层压电元件与多层环氧树脂，若干层所述压电元件与多层所述环氧树脂并联。
8.进一步的，所述压电堆复合材料传感单元的基体材料相包括两种环氧树脂聚合物，其中作为电极的环氧树脂聚合物为环氧导电胶，作为非导电的环氧树脂聚合物为环氧树脂。
9.进一步的，所述压电堆复合材料传感单元的压电元件为pzt-5型压电陶瓷。
10.进一步的，所述压电堆复合材料传感单元的个数为三个。
11.进一步的，所述圆锥台楔块的大端面为锯齿状。
12.进一步的，所述背衬吸声层由环氧树脂和钨粉制成，其中所述环氧树脂与所述钨粉的质量比为1:1。
13.进一步的，所述保护壳包括顶壁、底壁和侧壁，所述底壁采用有机玻璃材质，所述顶壁和侧壁采用金属材质。
14.进一步的，所述底壁的厚度为200μm。
15.进一步的，所述圆锥台楔块的材质为铝。
16.进一步的，所述压电堆复合材料传感单元的总位移为：
[0017][0018]
式中n为压电元件层数；δ为压电堆复合材料传感单元的总位移；δi为每片压电元件的位移量；u为施加压电元件的驱动电压值；d
33
为压电应变常数；f为压电元件上受力；ki为压电片刚度；k0为压电元件的等效静态刚度，k0＝ki/n；d0为等效压电常数，d＝nd
33
。
[0019]
本发明的有益效果：
[0020]
本发明通过以圆锥台楔块为基础的物理聚焦来实现超声波束多点聚焦，激发能量高的超声波束，并对波束具有较好的聚焦功能，提高了能量的利用率，利用压电堆复合材料传感单元的正交异性增强其极化方向的信号，削弱了宽度方向的信号，从而具有特定方向应力和应力波驱动和传感的能力。
附图说明
[0021]
图1为根据本发明实施例的一种压电堆点聚焦换能器的示意图一；
[0022]
图2为根据本发明实施例的一种压电堆点聚焦换能器的示意图二；
[0023]
附图标记：
[0024]
1：导线及接口；2：背衬吸声层；3：保护壳；301：底壁；4：圆锥台铝楔块；5：压电堆复合材料传感单元。
具体实施方式
[0025]
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0026]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0027]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0028]
下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的压电堆点聚焦换能器，用于块体结构损伤检测，包括圆锥台楔块4、背衬吸声层2、保护壳3和若干压电堆复合材料传感单元6；
[0029]
所述圆锥台楔块4倒置于所述保护壳3内，圆锥台楔块4的大端面位于上方，圆锥台
楔块4的小端面位于下方，所述背衬吸声层2设置于所述圆锥台楔块4的大端面与所述保护壳 3的顶壁之间，若干所述压电堆复合材料传感单元6沿周向均布于所述圆锥台楔块4的侧面，所述压电堆复合材料传感单元包括若干层压电元件与多层环氧树脂，若干层所述压电元件与多层所述环氧树脂并联。
[0030]
进一步的，所述压电堆复合材料传感单元6的基体材料相包括两种环氧树脂聚合物，其中作为电极的环氧树脂聚合物为环氧导电胶，室温剪切强度为14.7mpa，体积电阻率≤1.0
×ꢀ
10-3ω
·
cm。作为非导电的环氧树脂聚合物为环氧树脂，弹性模量ep＝3.5gpa
[0031]
进一步的，本实施例中压电堆复合材料传感单元6包括32层压电元件，压电元件采用具有传感、驱动双重功能的pzt-5型压电陶瓷，弹性模量ec33＝117gpa。
[0032]
进一步的，由n个几何、物理参数相同的压电元件组成的传感单元，在理想情况和相同电压驱动下，各压电元件之间不存在能量损耗，其输出位移
à
和相位都相同，因此传感单元的总位移输出可认为是各压电元件输出位移的线性叠加，因此本实施例中的压电堆复合材料传感单元6的总位移为：
[0033][0034]
式中n为压电元件层数；δ为压电堆复合材料传感单元6的总位移；δi为每片压电元件的位移量；u为施加压电元件的驱动电压值；d
33
为压电应变常数；f为压电元件上受力；ki为压电片刚度；k0为压电元件的等效静态刚度，k0＝ki/n；d0为等效压电常数，d＝nd
33
。
[0035]
进一步的，本实施例中压电堆复合材料传感单元6的个数为三个，等间距通过环氧树脂贴于圆锥台楔块4的侧面组成了换能器主体部分，实现了超声波束的三点聚焦，通过压电复合材料阵元的滤波效应，减少背向反射波的干扰，高效获取了频带宽、能量集中的反射波信号，将驱动与传感于一体，实现了高灵敏度激发与接收功能。
[0036]
进一步的，所述圆锥台楔块4的材质为铝，密度为2700kg/m3，弹性模量为6.8
×
10
10
n/m2，泊松比为0.32。圆锥台楔块4的大端面为锯齿状，能够减少反射波对传感单元的干扰。
[0037]
进一步的，所述背衬吸声层2由环氧树脂和钨粉制成，其中质量比环氧树脂：钨粉＝1:1。环氧树脂因其具有很强的吸声能力，能够可以使逆向辐射的声波在背衬材料颗粒周围会发生杂乱无章的散射，使部分能量转化成热能耗散。
[0038]
进一步的，所述保护壳3包括顶壁、底壁301和侧壁，所述底壁301采用有机玻璃材质，厚度为200μm，其与换能器主体具有良好的阻抗匹配性，能够减少能量损失，所述顶壁和侧壁采用金属材质，对主体部分起到必要的保护作用。
[0039]
本发明实施例的压电堆点聚焦换能器与被测块体之间采用黄油耦合剂粘接，可提供多次检测以及便于检测位置的调节。
[0040]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0041]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例
性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
技术特征：
1.一种压电堆点聚焦换能器，用于块体结构损伤检测，其特征在于，包括圆锥台楔块(4)、背衬吸声层(2)、保护壳(3)和若干压电堆复合材料传感单元(6)；所述圆锥台楔块(4)倒置于所述保护壳(3)内，所述背衬吸声层(2)设置于所述圆锥台楔块(4)的大端面与所述保护壳(3)的顶壁之间，若干所述压电堆复合材料传感单元(6)沿周向均布于所述圆锥台楔块(4)的侧面，所述压电堆复合材料传感单元包括若干层压电元件与多层环氧树脂，若干层所述压电元件与多层所述环氧树脂并联。2.根据权利要求1所述的压电堆点聚焦换能器，其特征在于，所述压电堆复合材料传感单元(6)的基体材料相包括两种环氧树脂聚合物，其中作为电极的环氧树脂聚合物为环氧导电胶，作为非导电的环氧树脂聚合物为环氧树脂。3.根据权利要求1所述的压电堆点聚焦换能器，其特征在于，所述压电堆复合材料传感单元(6)的压电元件为pzt-5型压电陶瓷。4.根据权利要求1所述的压电堆点聚焦换能器，其特征在于，所述压电堆复合材料传感单元(6)的个数为三个。5.根据权利要求1所述的压电堆点聚焦换能器，其特征在于，所述圆锥台楔块(4)的大端面为锯齿状。6.根据权利要求1所述的压电堆点聚焦换能器，其特征在于，所述背衬吸声层(2)由环氧树脂和钨粉制成，所述环氧树脂与所述钨粉的质量比为1:1。7.根据权利要求1所述的压电堆点聚焦换能器，其特征在于，所述保护壳(3)包括顶壁、底壁(301)和侧壁，所述底壁(301)采用有机玻璃材质，所述顶壁和侧壁采用金属材质。8.根据权利要求7所述的压电堆点聚焦换能器，其特征在于，所述底壁的厚度为200μm。9.根据权利要求1所述的压电堆点聚焦换能器，其特征在于，所述圆锥台楔块(4)的材质为铝。10.根据权利要求1所述的压电堆点聚焦换能器，其特征在于，所述压电堆复合材料传感单元(6)的总位移为：式中n为压电元件层数；δ为压电堆复合材料传感单元(6)的总位移；δ
i
为每片压电元件的位移量；u为施加压电元件的驱动电压值；d
33
为压电应变常数；f为压电元件上受力；k
i
为压电片刚度；k0为压电元件的等效静态刚度，k0＝k
i
/n；d0为等效压电常数，d＝nd
33
。
技术总结
本发明提供了一种压电堆点聚焦换能器，包括圆锥台楔块、背衬吸声层、保护壳和若干压电堆复合材料传感单元；所述圆锥台楔块倒置于所述保护壳内，所述背衬吸声层设置于所述圆锥台楔块的大端面与所述保护壳的顶壁之间，若干所述压电堆复合材料传感单元沿周向均布于所述圆锥台楔块的侧面，所述压电堆复合材料传感单元由若干层压电元件与多层环氧树脂并联而成。本发明通过以圆锥台楔块为基础的物理聚焦来实现了超声波束多点聚焦，激发能量高的超声波束，并对波束具有较好的聚焦功能，提高了能量的利用率，利用压电堆复合材料传感单元的正交异性增强其长度方向的信号，削弱了宽度方向的信号，有效抑制了信号谐振频率复杂带来的干扰。扰。扰。
