专利名称：一种基于pvdf压电薄膜的激光超声检测装置的制作方法
—种基于PVDF压电薄膜的激光超声检测装置技术领域
本发明是一种用于对激光激励钢质样品产生的超声进行检测的基于PVDF压电薄 膜的激光超声检测装置，涉及外形的测量、超声波测量和管道系统技术领域。
背景技术：
随着材料科学发展迅速，各种新型材料不断出现，许多材料表现出超常的力学性 能，如纳米铜材料其硬度比常规材料提高60倍，屈服强度提高14倍；纳米碳化硅的断裂 韧性比常规材料提高120倍；纳米铁多晶体的断裂强度比常规铁高15倍；纳米铜离子密堆 的铜片，具有惊人的超延展性，达到5200%，远远超出相同纯度的普通铜片的延展性。要准 确评价各种新型材料的力学性能，就必须对材料进行力学性能测试。然而许多新型材料受 特殊的制备工艺所致具有一次成型、尺寸小、制造成本高等特点，如目前所能制备的块体纳 米材料，其尺寸大约为直径小于100mm，厚度小于10mm，且根据不同的工艺，所能制备的尺 寸也不相同。在这种情况下，对材料进行力学性能测试，无法采用如破坏试验等常规的力学 性能测试方法。探索和开发新型的测试方法与仪器成为国内外学者的研究热点。近年来， 人们研究并提出了许多新型力学性能测试方法，如纳米压痕技术、声学显微镜技术、表面 声波技术、激光超声技术等。
PVDF压电薄膜材料的性能和一般的弹性材料不一样，不仅考虑它的力学性质，还 要考虑它的电学性质，而且还要考虑电学和力学相互耦合的性质。这里分别涉及弹性常数、 介电常数和独特的压电常数。在压电介质里，声场和电场是耦合的，表现这个耦合现象的常 数是压电常数。压电常数按一些独立变量的选取而分为相互联系的四类。这些独立变量是 力学量T或S以及电学量D或E。在适当方向力的作用下，压电介质会产生表面电荷，但这 些电荷是束缚的，而不是自由的，它们是介质内部产生了电偶极矩的表现，电学量D正是与 此有关的量。实验中外表看会出现电流，即可移动的电荷，实际上这些自由电荷来源于介质 的外界，即来源于外界电荷受介质表面束缚电荷的吸引，它们与束缚电荷同数量而符号相 异，但并不是束缚电荷的本身。
一般认为，PVDF的压电性可归因于以下两个机理一是尺寸效应，所谓尺寸效应 是假定偶极子为刚性，不随外加应力变化时，由膜厚变化所引起的压电性，膜厚度的减小会 使膜表面的诱导电荷增加；二是结晶相的本征压电性，结晶相的压电性由电致伸缩效应及 剩余极化所决定。晶区和非晶相的介电常数具有不同的应变依赖性，材料处于极化状态时， 由电致伸缩效应产生压电性。晶区的极化强度对应变具有依赖性，使晶区产生内部压电性。
专利ZL2005200053518、ZL200720148941. 5提出了一种可以同时测量表面波波速 和纵波波速的单层PVDF薄膜线聚焦探头，此类探头通过同时测量材料表面波波速和纵波 波速，可以用于小尺寸材料弹性常数测量，探头包括有压电元件、浇铸于压电元件上的背衬 层及由壳体和壳盖组成的外壳几个主要部分。此型探头中的换能元件采用单层PVDF薄膜， 既作为激励换能器，又作为接收换能器。
《中国博士学位论文全文数据库工程科技I集(月刊)》第12期刊载了“激光声表面波用于金属表面缺陷无损检测的研究”，它将PVDF压电薄膜固定在一装置上，通过电控平 移台棱镜或柱面镜进行控制，使其按照预定的轨迹进行移动，对样品进行缺陷扫查。
在实际使用过程中，PVDF薄膜先作为激励换能器激励出超声波激励，经历一定时 间间隔后，又要作为接收换能器接收超声波回波。PVDF薄膜会被较强电信号激励，激励后会 出现饱和现象，饱和将持续一段时间，此时间内PVDF将无法正常接收超声波回波。因此，此 型探头存在较大的测量盲区，使用中，在探头与试件距离较近时不能得到正常检测效果。发明内容
本发明的目的是发明一种无测量盲区、检测准确率高的基于PVDF压电薄膜的激 光超声检测装置。
本发明是对激光激励样品表面产生的表面波和纵波进行检测。进而通过信号处理 方法，得出样品表面的缺陷信息。
本发明主要根据PVDF压电薄膜的压电效应，由于压电薄膜是一个柔性元件，弯曲 能在压电薄膜上产生很大的应变，因而会有高电压输出。当器件由于直接接触而弯曲时，就 是一个柔性开关。所产生的输出足以直接驱动CMOS电路。如果元件由引出端支撑并可以 自由振动，该元件就是一个振动传感器。基于PVDF薄膜的压电特性，设计了一种固定压电 薄膜的装置，利用该装置可以固定并移动压电薄膜。
利用一种PVDF压电薄膜的柔性和稳定压电性能，将PVDF压电薄膜固定在设计好 的一种装置上，通过马达控制装置对激光超声探头进行控制，马达控制装置对超声探头的 移动轨迹提前规划，从而按照设定好的轨迹进行移动，对样品进行缺陷扫查。
本发明的装置包括Nd: YAG激光器1、分束镜2、凸透镜或柱面透镜3、样品4、放大 器5、示波器6、控制卡7、光电二极管8、计算机9、纵向控制电机10、横向控制电机11、纵向 固定板12、PVDF压电薄膜13、钨棒14、特氟龙胶15、金属装置外壳16、横向移动滑块17、纵 向丝杆18、横向固定底板19、纵向固定底板20、横向丝杆21、横向固定板I 22、横向固定板II23。
激光器I发出的光对准分束镜2,分束镜2后的一部分光进入光电二极管8,光电 二极管8输出接示波器6，进行实时检测激光器I的光功率，并通过示波器6进行观察，另一 部分激光进入凸透镜或柱面透镜3聚焦到样品4 ;横向控制电机11的轴与夹固在横向固定 板I 22、横向固定板II 23和横向固定底板19之间的横向丝杆21连接,与横向丝杆21配 合的横向移动滑块17同纵向固定板12和纵向固定底板20构成框架，安装在此框架里的纵 向丝杆18与纵向控制电机10的轴连接，与纵向丝杆18配合的金属装置外壳16里安装特 氟龙胶15、钨棒14、PVDF压电薄膜13，PVDF压电薄膜13对向样品4 ;金属装置外壳16有 连线连接放大器5,放大器5的输出接不波器6的输入；纵向控制电机10、横向控制电机11 的电源输入接与计算机9连接的控制卡7 ;示波器6与计算机9之间有电连接。
所述特氟龙，英文名称为Teflon，它是一种高性能涂料，结合了耐热性、化学惰性 和优异的绝缘稳定性及低摩擦性，具有其他涂料无法抗衡的综合优势，在检测装置中主要 目的是起到绝缘作用，防止PVDF薄膜金属片与金属外壳导电；
所述钨棒14为一端成刀劈形状的圆棒，主要利用高熔点，导电的特性；
所述PVDF压电薄膜13全称为聚偏氟乙烯(PolyvinylideneFluoride),是一种性能稳定的柔性压电材料，具有良好的机械强度和韧性，并具有独特的介电效应、压电效应和热电效应；PVDF压电薄膜13附着在微型刀劈上，并钳紧在特制的金属外壳上，引出两个电极；
所述PVDF压电薄膜13、钨棒14、特氟龙胶15、金属装置外壳16及连接端口组成 PVDF传感器，图2为PVDF传感器的内部构造剖面图；其中，圆柱形刀劈由钨棒14制成，金属装置外壳16由不锈钢材料制成，外侧镀有电极的PVDF压电薄膜13，夹持在金属装置外壳 16和钨棒14狭缝之间，而金属装置外壳16与钨棒14之间通过特氟龙胶15绝缘，从而内外形成了两个电极，再由接口将两个电极引出，并通过高频电缆线接入前置放大器将信号放大，经示波器即可采集到信号；超声探头固定在移动装置上，通过控制移动装置的马达，使超声压电探头能够向各个方向移动，从而实现对样品表面的扫查；
所述金属装置外壳16为一面开口的矩形箱，主要作用是固定PVDF压电薄膜；
所述移动装置接头，将移动装置与探头连接的部分，并有导线引出连接信号放大器。
金属探头安装方法首先将PVDF压电薄膜13裁剪成8mmX3mm的片状结构，其宽度略小于刀口尺寸，并检查薄膜两面的极性；其次把刀劈装入金属固定块凹槽中，劈尖伸出狭缝^fPVDF压电薄膜13钳紧在刀劈和狭缝之间，安装过程中要确保薄膜不被损坏.安装完毕还要检查探头内部是否导通，保证内外部不导通，使得信号能有效被传感器接收。
利用该传感器进行激光超声检测中，PVDF压电薄膜13直接与样品4表面接触，无需耦合剂耦合，与样品4接触的PVDF压电薄膜13为刀口处的部分，由于刀口宽度为“ μ m 量级，长度为mm量级，相差103数量级，可以认为是线检测。采用激光线源激发时，不但具有很高的空间分辨率和信噪比，而且能接收到更宽频带的超声信号。
本发明无测量盲区、检测准确率高。
图1激光超声检测系统原理框图
图2PVDF传感器结构图
其中1-激光器2-分束镜
3-凸透镜或柱面透镜4-样品
5-放大器6-不波器
7-控制卡8_光电二极管
9-计算机10-纵向控制电机
11-横向控制电机12-纵向固定板
13-PVDF压电薄膜14-钨棒
15-特氟龙胶16-金属装置外壳
17-横向移动滑块18-纵向丝杆
19-横向固定底板 20-纵向固定底板
21-横向丝杆22-横向固定板
23-横向固定板24-纵向移动滑块具体实施方式
实施例.本例的装置包括NchYAG激光器1、分束镜2、凸透镜或柱面透镜3、样品4、放大器5、示波器6、控制卡7、光电二极管8、计算机9、纵向控制电机10、横向控制电机 11、纵向固定板12、PVDF压电薄膜13、钨棒14、特氟龙胶15、金属装置外壳16、横向移动滑块17、纵向丝杆18、横向固定底板19、纵向固定底板20、横向丝杆21、横向固定板I 22、横向固定板II 23。纵向移动滑块24
激光器I发出的光对准分束镜2,分束镜2分光后一部分光进入光电二极管8,光电二极管8输出接示波器6，进行实时检测激光器I的光功率，并通过示波器6进行观察，另一部分激光进入凸透镜或柱面透镜3聚焦到样品4 ;横向控制电机11的轴与夹固在横向固定板I 22、横向固定板II 23和横向固定底板19之间的横向丝杆21连接,与横向丝杆21 配合的横向移动滑块17同纵向固定板12和纵向固定底板20构成框架，安装在此框架里的纵向丝杆18与纵向控制电机10的轴连接，与纵向丝杆18配合的金属装置外壳16里安装特氟龙胶15、钨棒14、PVDF压电薄膜13，PVDF压电薄膜13对向样品4 ;金属装置外壳16有连线连接放大器5,放大器5的输出接不波器6的输入；纵横控制电机10、横向控制电机11 的电源输入接与计算机9连接的控制卡7 ;示波器6与计算机9之间有电连接。
所述特氟龙选美国华孚提供Teflon胶；
所述鹤棒14为一端成刀劈形状的圆棒,尺寸为Φ20Χ100ι πι,刀劈为30° ;
所述PVDF压电薄膜13选锦州光电提供的LDT系列；
所述金属装置外壳16为一面开口的矩形箱，尺寸为120 X 120 X 120mm,由2mm厚钢板制成；
所述PVDF压电薄膜13、钨棒14、特氟龙胶15、金属装置外壳16及连接端口组成 PVDF传感器，图2为PVDF传感器的内部构造剖面图；其中，圆柱形刀劈由钨棒14制成，金属装置外壳16由不锈钢材料制成，外侧镀有电极的PVDF压电薄膜13，夹持在金属装置外壳16和钨棒14狭缝之间，而金属装置外壳16与钨棒14之间通过特氟龙胶15绝缘，从而内外形成了两个电极，再由接口将两个电极引出，并通过高频电缆线接入前置放大器将信号放大，经示波器即可采集到信号；超声探头固定在移动装置，通过控制移动装置的马达， 可以使超声压电探头能够向各个方向移动，从而实现对样品表面的扫查；
所述移动装置接头，将移动装置与探头连接的部分，并有导线引出连接信号放大器。
其中Nd: YAG脉冲激光器I发出的激光波长1064nm、脉宽IOns ；
分束镜2选T/R为50/50 ；
凸透镜或柱面透镜3选镀膜1064平凸球面镜；
放大器5选美国MITEQ前置放大器；
示波器6选0 TDS3054B数字示波器；
控制卡7选MPC104运动控制卡；
光电二极管8选光谱范围为400 1300nm 二极管；
计算机9选双核E57002G内存500G硬盘；
纵向控制电机10和横向控制电机11选精密减速步进电机25BY48HJ ；
纵向固定板12尺寸为60X60X10_ ；
横向移动滑块17尺寸为60 X 60 X 60mm ；
纵向丝杆18尺寸为Φ20X 300mm;
横向固定底板19尺寸为300 X 60 X IOmm;
纵向固定底板20尺寸为300 X 60 X IOmm;
横向丝杆21尺寸为Φ20Χ300_ ；
横向固定板I 22尺寸为60X60X IOmm ;
横向固定板II 23尺寸为60X60X 10mm。
纵向移动滑块24尺寸为60 X 60 X 60mm ;
将PVDF压电薄膜固定在设计好的一种装置上，通过马达控制装置对激光超声探头进行控制，马达控制装置对超声探头的移动轨迹提前规划，从而按照设定好的轨迹进行移动，对样品进行缺陷扫查。
Nd:YAG脉冲激光通过柱面镜聚焦成线光源投射到样品4表面激发声表面波。实验触发信号是通过光电二极管8(上升时间为IOOps)，获取脉冲激光经分光镜反射的散射光来实现。将PVDF传感器固定在五维精密平移台上，并使刀劈沿声表面波传播方向放置。通过计算机控制横向电机11，横向移动滑块17在横向丝杆21上移动，从而使PVDF传感器在试块表面横向移动，移动范围在两个横向固定板22-23内。通过计算机控制纵向电机，纵向移动滑块24在纵向丝杆18上移动，移动范围在12到17内，通过纵向移动可以控制PVDF 传感器能够在样品4纵向移动,从而实现对样品4表面的扫描。当脉冲激光在样品4表面激发声表面波时，声表面波沿表面传至探测点位置，由于声扰动会导致材料表面发生微小形变，对PVDF薄膜产生机械应力，通过PVDF压电薄膜13转换为电荷信号，再经前置放大器 5放大，接入至0TDS3054B数字示波器6采集超声信号。
本例经 试验，激光超声检测方法和系统无测量盲区、检测准确率高。
权利要求
1.一种基于PVDF压电薄膜的激光超声检测装置，其特征是它包括Nd: YAG激光器(I)、分束镜(2)、凸透镜或柱面透镜(3)、样品(4)、放大器(5)、示波器(6)、控制卡(7)、光电二极管(8)、计算机(9)、纵向控制电机(10)、横向控制电机(11)、纵向固定板(12)、PVDF压电薄膜(13)、钨棒(14)、特氟龙胶(15)、金属装置外壳(16)、横向移动滑块(17)、纵向丝杆(18)、横向固定底板(19)、纵向固定底板(20)、横向丝杆(21)、横向固定板I (22)、横向固定板 11(23)； 激光器(I)发出的光对准分束镜(2),分束镜(2)后的一部分光进入光电二极管(8),光电二极管(8)输出接示波器(6)，进行实时检测激光器(I)的光功率，并通过示波器(6)进行观察，另一部分激光进入凸透镜或柱面透镜(3)聚焦到样品(4);横向控制电机(11)的轴与夹固在横向固定板I (22)、横向固定板11(23)和横向固定底板(19)之间的横向丝杆(21)连接，与横向丝杆(21)配合的横向移动滑块(17)同纵向固定板(12)和纵向固定底板(20)构成框架，安装在此框架里的纵向丝杆(18)与纵向控制电机(10)的轴连接，与纵向丝杆(18)配合的金属装置外壳(16)里安装特氟龙胶(15)、钨棒(14)、PVDF压电薄膜(13)，PVDF压电薄膜(13)对向样品⑷；金属装置外壳(16)有连线连接放大器(5)，放大器(5)的输出接不波器(6)的输入；纵向控制电机(10)、横向控制电机(11)的电源输入接与计算机(9)连接的控制卡(7);示波器(6)与计算机(9)之间有电连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于PVDF压电薄膜的激光超声检测装置，其特征是所述鹤棒(14)为一端成刀劈形状的圆棒。
3.根据权利要求1所述的一种基于PVDF压电薄膜的激光超声检测装置，其特征是所述PVDF压电薄膜(13)为聚偏氟乙烯薄膜，PVDF压电薄膜(13)附着在微型刀劈上，并钳紧在特制的金属外壳上，引出两个电极。
4.根据权利要求1所述的一种基于PVDF压电薄膜的激光超声检测装置，其特征是所述金属装置外壳(16)为一面开口的矩形箱，在端部有链接头。
5.根据权利要求1所述的一种基于PVDF压电薄膜的激光超声检测装置，其特征是PVDF压电薄膜(13)、钨棒(14)、特氟龙胶(15)、金属装置外壳(16)及连接端口组成PVDF传感器并固定在移动装置上；其中，圆柱形刀劈由钨棒(14)制成，金属装置外壳(16)由不锈钢材料制成；外侧镀有电极的PVDF压电薄膜(13)夹持在金属装置外壳(16)和钨棒(14)狭缝之间，而金属装置外壳(16)与钨棒(14)之间通过特氟龙胶(15)绝缘，形成的内外两个电极再由接口将两个电极引出，并通过高频电缆线接入前置放大器。
全文摘要
本发明是一种基于PVDF压电薄膜的激光超声检测装置。激光器(1)的光经分束镜(2)后一部分进入输出接示波器(6)的光电二极管(8)，另一部分进入凸透镜或柱面透镜(3)聚焦到样品(4)；横向控制电机(11)的轴与夹固在横向固定板I(22)、横向固定板II(23)和横向固定底板(19)之间的横向丝杆(21)连接，横向移动滑块(17)同纵向固定板(12)和纵向固定底板(20)构成框架，安装在框架里的纵向丝杆(18)与纵向控制电机(10)的轴连接，有连线接放大器(5)且与纵向丝杆(18)配合的金属装置外壳(16)里安装特氟龙胶(15)、钨棒(14)和PVDF压电薄膜(13)。它无测量盲区、检测准确率高。
文档编号G01N29/265GK103048390SQ20111031459
公开日2013年4月17日 申请日期2011年10月17日 优先权日2011年10月17日
发明者张金权, 李金祥, 曹国瑞, 刘长江, 吕连庆, 方德学, 刘素杰, 赵峰, 李维, 杨依光, 郭戈, 厉宇, 杨文明, 闫会朋, 张欣, 张俊杨, 王赢, 崔海龙 申请人:中国石油天然气集团公司, 中国石油天然气管道局
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
