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        PVDF超聲檢測傳感器的原理與應(yīng)用

        2017-12-27 02:22:21陳樂利談佩蕓盧婉鈺段旭斌周進(jìn)威
        商情 2017年44期

        陳樂利 談佩蕓 盧婉鈺 段旭斌 周進(jìn)威

        [摘要]本文介紹了聚偏二氟乙烯(PVDF)壓電薄膜材料的優(yōu)缺點、傳感機(jī)理、制備方法及其應(yīng)用?;谟邢拊椒ㄑ芯縋VDF圓膜并分析影響其聲學(xué)性能的因素,設(shè)計偏聚氟乙烯梳狀傳感器,探討其在薄鋼板檢測超聲導(dǎo)波的性能。

        [關(guān)鍵詞]PVDF 壓電薄膜材料 梳狀傳感器

        一、引言

        目前,國內(nèi)在激光超聲波檢測方面大多局限于聲場理論的探討,需要新的檢測技術(shù)來測量高頻超聲波,如陣列傳感接收裝置。陣列檢測不僅能同時檢測多個不同位置點,而且能夠產(chǎn)生檢測對象的圖像。陣列檢測技術(shù)既能提高檢測質(zhì)量又能減少檢測時間。PVDF是一種半結(jié)晶性聚合物,由CF2CH2長鏈分子構(gòu)成,廣泛應(yīng)用于航空航天、鐵路、石油化工等現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域。新型PVDF材料具有良好的力學(xué)與壓電性能,適用于制作聲波的接收器件,開發(fā)新型PVDF陣列的超聲波接收傳感器件具有下列優(yōu)勢:①成本比相控陣檢測技術(shù)要低;②可用于測量薄膜材料的力學(xué)參數(shù);③通過成像技術(shù)能夠得到薄膜材料亞表面特征和多個力學(xué)參數(shù)。本文對PVDF壓電薄膜材料的優(yōu)缺點及傳感機(jī)理等進(jìn)行概述,研究PVDF圓膜及其影響因素,并設(shè)計梳狀傳感器,探討其超聲檢測性能。

        二、PVDF壓電薄膜

        (--)PVDF壓電薄膜的優(yōu)缺點

        PVDF材料壓電應(yīng)變常數(shù)低,機(jī)電耦合系數(shù)較小,壓電電壓常數(shù)高,具有極高靈敏度;PVDF薄膜厚度極薄,可緊貼于物體表面,幾乎不影響被粘物體結(jié)構(gòu);介電強(qiáng)度高,電場耐受力強(qiáng),在強(qiáng)電場下仍可保持原有性能;聲阻抗低,可有效防止聲波信號失真;材質(zhì)軟,易加工,可制成大面積陣列傳感器和各種不規(guī)則形狀傳感器;熱電性強(qiáng),可制成火災(zāi)報警器、防盜報警器、非接觸溫度計等。此外,PVDF薄膜還具有頻響寬、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點。

        (二)PVDF壓電薄膜的傳感機(jī)理

        PVDF壓電薄膜受力形變產(chǎn)生極化電荷,極化電荷的大小與分布與物體形變密切相關(guān)。在零外電場情況下,PVDF壓電薄膜的輸出信號是它在各方向的應(yīng)變總響應(yīng),強(qiáng)度較弱,須經(jīng)運(yùn)算放大器放大后,才可進(jìn)行后續(xù)處理。

        (三)PVDF壓電薄膜的制備方法

        PVDF壓電薄膜制備方法有有流延法、勻膠法、小分子蒸發(fā)鍍膜法和壓膜法等。其中流延法對設(shè)備要求較低,成品致密性好,強(qiáng)度高,因此成為最常見的制備方法。將PVDF溶于定量的N-甲基吡咯烷酮(NMP)中,經(jīng)過濾、真空除氣泡、升溫蒸發(fā)等操作,除去NMP,在流延皿上形成一層薄膜,即為原始的PVDF薄膜。經(jīng)拉伸、極化等后續(xù)工藝,可制得具有高壓電性的PVDF薄膜。

        (四)PVDF壓電薄膜的應(yīng)用

        (1)檢測結(jié)構(gòu)損傷。通過測量PVDF壓電傳感器輸出電壓,可有效準(zhǔn)確地檢測結(jié)構(gòu)損傷。例如利用PVDF壓電薄膜可面檢測和響應(yīng)速度快的特性,可檢測金屬構(gòu)件中裂紋的萌生、擴(kuò)展及其斷裂的可能性。

        (2)力學(xué)測量。根據(jù)PVDF傳感單元的位移輸入與PVDF的壓電性能方程,基于力、電兩個物理場相互作用建立耦合的動力學(xué)方程,可分析電信號與位移應(yīng)變量之間的定量關(guān)系,得到電信號輸出結(jié)果。例如以傳感方程及偏轉(zhuǎn)角相關(guān)研究為基礎(chǔ),將經(jīng)典梁作為研究對象,根據(jù)梁的振動特性,設(shè)計正弦型PVDF壓電傳感器,測量梁的位移、角位移、應(yīng)變等多種物理量。

        (3)醫(yī)學(xué)檢測。PVDF壓電薄膜具有良好的機(jī)械柔性,可制成微創(chuàng)手術(shù)鉗,有效檢測目標(biāo)器官內(nèi)有無腫瘤及腫瘤準(zhǔn)確的位置與大小;此外,PVDF壓電薄膜還可用于人體遠(yuǎn)程監(jiān)測,實現(xiàn)脈搏遠(yuǎn)程測量,實時掌握患者身體狀況。

        三、PVDF壓電薄膜的研究方法

        (一)PVDF薄膜有限元模擬

        在ANSYS有限元軟件中,將PVDF圓膜設(shè)計在兩殼體之間,使其固定并施加張力,圓膜極化后呈現(xiàn)各向異性。檢測信號采用100KHz~500KHz的高頻信號,振動模式設(shè)為圓膜徑向伸縮振動。利用有限元模型對PVDF薄膜進(jìn)行諧波響應(yīng)分析,結(jié)果表明,PVDF圓膜在高頻段及固定邊界條件下可發(fā)生相對單一的諧振,滿足超聲檢測所需發(fā)射和接收特性的需要。

        (二)PVDF薄膜特性深度探索

        研究薄膜直徑與厚度對PVDF薄膜發(fā)射、接收信號聲壓級與靈敏度級的影響。薄膜直徑增加,諧振頻率減小,聲壓級與靈敏度級峰值減小、峰值對應(yīng)頻率減?。槐∧ず穸仍黾?,諧振頻率無明顯變化,聲壓級和靈敏度級峰值略有增加??梢姡∧ぶ睆綄VDF薄膜性能影響較大。

        四、PVDF梳狀傳感器的設(shè)計及性能研究

        (一)梳狀電極的設(shè)計

        設(shè)計參數(shù)時,主要考慮了指條寬度a、指條長度1、指條間距d、指條數(shù)目n、周期節(jié)距s和電極寬度m。PVDF薄膜的峰值響應(yīng)所需激勵頻率較高,因此PVDF薄膜無法在低頻區(qū)域被激勵。以氨蝕的方式,可有效解決這一問題。

        (二)梳狀傳感器的安裝

        以梳狀電極為正極,鋼板為負(fù)極。將鋼板擦干凈,用氰基丙烯酸鹽黏合劑將PVDF薄膜與鋼板粘合,正、負(fù)電極與PVDF薄膜相連。采用單向換能器結(jié)構(gòu)為傳感單元,針對激光激發(fā)的寬頻帶特征,采用多抽頭延遲線的設(shè)計表面波傳感器件。

        五、結(jié)論

        本文從優(yōu)缺點、傳感機(jī)理等方面概述了PVDF壓電薄膜材料;建立了有限元模型以研究敏感元件PVDF圓膜,分析了其聲學(xué)性能的影響因素;設(shè)計了偏聚氟乙烯(PVDF)梳狀傳感器。在本文工作的基礎(chǔ)上,下一步將對PVDF超聲傳感器進(jìn)行更深入的探索,研究并改良PVDF超聲傳感器的制作工藝及性能檢測方法,改善國內(nèi)在該領(lǐng)域研究的薄弱環(huán)節(jié),提高我國基礎(chǔ)研究的國際競爭力、帶動新興學(xué)科的建設(shè)與發(fā)展、培養(yǎng)高級研究人才隊伍,發(fā)展和推動我國的研究水平和創(chuàng)新能力有著現(xiàn)實意義和必要性。

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