一種壓電堆點聚焦換能器
1.本發明涉及塊體結構無損檢測領域，尤其涉及一種壓電堆點聚焦換能器。
背景技術：
2.研究和發展結構健康診斷技術對于設施的安全的運行和維護檢測具有重要意義。相比于其它常規無損檢測方法，聲發射技術具有實時動態、覆蓋面廣等優點。壓電復合材料是通過壓電相與聚合物相的優勢互補，來獲得具有較強壓電性和良好韌性的材料，基于壓電復合材料設計的壓電換能器在機械工程、土木工程等領域的結構無損檢測應用日益廣泛。
3.但是，傳統的聚焦換能器應用于聲發射檢測或健康監測時，存在著信號諧振頻率窄、能量轉化率較低等問題，不具備測定特定方向應力和應力波驅動和傳感的能力，這對于提取有效的結構損傷特征信息帶來了一定的困難。
技術實現要素：
4.針對現有技術中存在不足，本發明提供了一種壓電堆點聚焦換能器，解決目前聚焦換能器存在著信號諧振頻率窄、能量轉化率較低的問題。
5.本發明是通過以下技術手段實現上述技術目的的。
6.一種壓電堆點聚焦換能器，用于塊體結構損傷檢測，包括圓錐臺楔塊、背襯吸聲層、保護殼和若干壓電堆復合材料傳感單元；
7.所述圓錐臺楔塊倒置于所述保護殼內，所述背襯吸聲層設置于所述圓錐臺楔塊的大端面與所述保護殼的頂壁之間，若干所述壓電堆復合材料傳感單元沿周向均布于所述圓錐臺楔塊的側面，所述壓電堆復合材料傳感單元包括若干層壓電元件與多層環氧樹脂，若干層所述壓電元件與多層所述環氧樹脂并聯。
8.進一步的，所述壓電堆復合材料傳感單元的基體材料相包括兩種環氧樹脂聚合物，其中作為電極的環氧樹脂聚合物為環氧導電膠，作為非導電的環氧樹脂聚合物為環氧樹脂。
9.進一步的，所述壓電堆復合材料傳感單元的壓電元件為pzt-5型壓電陶瓷。
10.進一步的，所述壓電堆復合材料傳感單元的個數為三個。
11.進一步的，所述圓錐臺楔塊的大端面為鋸齒狀。
12.進一步的，所述背襯吸聲層由環氧樹脂和鎢粉制成，其中所述環氧樹脂與所述鎢粉的質量比為1:1。
13.進一步的，所述保護殼包括頂壁、底壁和側壁，所述底壁采用有機玻璃材質，所述頂壁和側壁采用金屬材質。
14.進一步的，所述底壁的厚度為200μm。
15.進一步的，所述圓錐臺楔塊的材質為鋁。
16.進一步的，所述壓電堆復合材料傳感單元的總位移為：
[0017][0018]
式中n為壓電元件層數；δ為壓電堆復合材料傳感單元的總位移；δi為每片壓電元件的位移量；u為施加壓電元件的驅動電壓值；d
33
為壓電應變常數；f為壓電元件上受力；ki為壓電片剛度；k0為壓電元件的等效靜態剛度，k0＝ki/n；d0為等效壓電常數，d＝nd
33
。
[0019]
本發明的有益效果：
[0020]
本發明通過以圓錐臺楔塊為基礎的物理聚焦來實現超聲波束多點聚焦，激發能量高的超聲波束，并對波束具有較好的聚焦功能，提高了能量的利用率，利用壓電堆復合材料傳感單元的正交異性增強其極化方向的信號，削弱了寬度方向的信號，從而具有特定方向應力和應力波驅動和傳感的能力。
附圖說明
[0021]
圖1為根據本發明實施例的一種壓電堆點聚焦換能器的示意圖一；
[0022]
圖2為根據本發明實施例的一種壓電堆點聚焦換能器的示意圖二；
[0023]
附圖標記：
[0024]
1：導線及接口；2：背襯吸聲層；3：保護殼；301：底壁；4：圓錐臺鋁楔塊；5：壓電堆復合材料傳感單元。
具體實施方式
[0025]
下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。
[0026]
在本發明的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“縱向”、“橫向”、“長度”、“寬度”、“厚度”、“上”、“下”、“軸向”、“徑向”、“豎直”、“水平”、“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特征的數量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特征。在本發明的描述中，“多個”的含義是兩個或兩個以上，除非另有明確具體的限定。
[0027]
在本發明中，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
[0028]
下面首先結合附圖具體描述根據本發明實施例的壓電堆點聚焦換能器，用于塊體結構損傷檢測，包括圓錐臺楔塊4、背襯吸聲層2、保護殼3和若干壓電堆復合材料傳感單元6；
[0029]
所述圓錐臺楔塊4倒置于所述保護殼3內，圓錐臺楔塊4的大端面位于上方，圓錐臺
楔塊4的小端面位于下方，所述背襯吸聲層2設置于所述圓錐臺楔塊4的大端面與所述保護殼 3的頂壁之間，若干所述壓電堆復合材料傳感單元6沿周向均布于所述圓錐臺楔塊4的側面，所述壓電堆復合材料傳感單元包括若干層壓電元件與多層環氧樹脂，若干層所述壓電元件與多層所述環氧樹脂并聯。
[0030]
進一步的，所述壓電堆復合材料傳感單元6的基體材料相包括兩種環氧樹脂聚合物，其中作為電極的環氧樹脂聚合物為環氧導電膠，室溫剪切強度為14.7mpa，體積電阻率≤1.0
×?
10-3ω
·
cm。作為非導電的環氧樹脂聚合物為環氧樹脂，彈性模量ep＝3.5gpa
[0031]
進一步的，本實施例中壓電堆復合材料傳感單元6包括32層壓電元件，壓電元件采用具有傳感、驅動雙重功能的pzt-5型壓電陶瓷，彈性模量ec33＝117gpa。
[0032]
進一步的，由n個幾何、物理參數相同的壓電元件組成的傳感單元，在理想情況和相同電壓驅動下，各壓電元件之間不存在能量損耗，其輸出位移
à
和相位都相同，因此傳感單元的總位移輸出可認為是各壓電元件輸出位移的線性疊加，因此本實施例中的壓電堆復合材料傳感單元6的總位移為：
[0033][0034]
式中n為壓電元件層數；δ為壓電堆復合材料傳感單元6的總位移；δi為每片壓電元件的位移量；u為施加壓電元件的驅動電壓值；d
33
為壓電應變常數；f為壓電元件上受力；ki為壓電片剛度；k0為壓電元件的等效靜態剛度，k0＝ki/n；d0為等效壓電常數，d＝nd
33
。
[0035]
進一步的，本實施例中壓電堆復合材料傳感單元6的個數為三個，等間距通過環氧樹脂貼于圓錐臺楔塊4的側面組成了換能器主體部分，實現了超聲波束的三點聚焦，通過壓電復合材料陣元的濾波效應，減少背向反射波的干擾，高效獲取了頻帶寬、能量集中的反射波信號，將驅動與傳感于一體，實現了高靈敏度激發與接收功能。
[0036]
進一步的，所述圓錐臺楔塊4的材質為鋁，密度為2700kg/m3，彈性模量為6.8
×
10
10
n/m2，泊松比為0.32。圓錐臺楔塊4的大端面為鋸齒狀，能夠減少反射波對傳感單元的干擾。
[0037]
進一步的，所述背襯吸聲層2由環氧樹脂和鎢粉制成，其中質量比環氧樹脂：鎢粉＝1:1。環氧樹脂因其具有很強的吸聲能力，能夠可以使逆向輻射的聲波在背襯材料顆粒周圍會發生雜亂無章的散射，使部分能量轉化成熱能耗散。
[0038]
進一步的，所述保護殼3包括頂壁、底壁301和側壁，所述底壁301采用有機玻璃材質，厚度為200μm，其與換能器主體具有良好的阻抗匹配性，能夠減少能量損失，所述頂壁和側壁采用金屬材質，對主體部分起到必要的保護作用。
[0039]
本發明實施例的壓電堆點聚焦換能器與被測塊體之間采用黃油耦合劑粘接，可提供多次檢測以及便于檢測位置的調節。
[0040]
在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。
[0041]
盡管上面已經示出和描述了本發明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例
性的，不能理解為對本發明的限制，本領域的普通技術人員在不脫離本發明的原理和宗旨的情況下在本發明的范圍內可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。
技術特征：
1.一種壓電堆點聚焦換能器，用于塊體結構損傷檢測，其特征在于，包括圓錐臺楔塊(4)、背襯吸聲層(2)、保護殼(3)和若干壓電堆復合材料傳感單元(6)；所述圓錐臺楔塊(4)倒置于所述保護殼(3)內，所述背襯吸聲層(2)設置于所述圓錐臺楔塊(4)的大端面與所述保護殼(3)的頂壁之間，若干所述壓電堆復合材料傳感單元(6)沿周向均布于所述圓錐臺楔塊(4)的側面，所述壓電堆復合材料傳感單元包括若干層壓電元件與多層環氧樹脂，若干層所述壓電元件與多層所述環氧樹脂并聯。2.根據權利要求1所述的壓電堆點聚焦換能器，其特征在于，所述壓電堆復合材料傳感單元(6)的基體材料相包括兩種環氧樹脂聚合物，其中作為電極的環氧樹脂聚合物為環氧導電膠，作為非導電的環氧樹脂聚合物為環氧樹脂。3.根據權利要求1所述的壓電堆點聚焦換能器，其特征在于，所述壓電堆復合材料傳感單元(6)的壓電元件為pzt-5型壓電陶瓷。4.根據權利要求1所述的壓電堆點聚焦換能器，其特征在于，所述壓電堆復合材料傳感單元(6)的個數為三個。5.根據權利要求1所述的壓電堆點聚焦換能器，其特征在于，所述圓錐臺楔塊(4)的大端面為鋸齒狀。6.根據權利要求1所述的壓電堆點聚焦換能器，其特征在于，所述背襯吸聲層(2)由環氧樹脂和鎢粉制成，所述環氧樹脂與所述鎢粉的質量比為1:1。7.根據權利要求1所述的壓電堆點聚焦換能器，其特征在于，所述保護殼(3)包括頂壁、底壁(301)和側壁，所述底壁(301)采用有機玻璃材質，所述頂壁和側壁采用金屬材質。8.根據權利要求7所述的壓電堆點聚焦換能器，其特征在于，所述底壁的厚度為200μm。9.根據權利要求1所述的壓電堆點聚焦換能器，其特征在于，所述圓錐臺楔塊(4)的材質為鋁。10.根據權利要求1所述的壓電堆點聚焦換能器，其特征在于，所述壓電堆復合材料傳感單元(6)的總位移為：式中n為壓電元件層數；δ為壓電堆復合材料傳感單元(6)的總位移；δ
i
為每片壓電元件的位移量；u為施加壓電元件的驅動電壓值；d
33
為壓電應變常數；f為壓電元件上受力；k
i
為壓電片剛度；k0為壓電元件的等效靜態剛度，k0＝k
i
/n；d0為等效壓電常數，d＝nd
33
。
技術總結
本發明提供了一種壓電堆點聚焦換能器，包括圓錐臺楔塊、背襯吸聲層、保護殼和若干壓電堆復合材料傳感單元；所述圓錐臺楔塊倒置于所述保護殼內，所述背襯吸聲層設置于所述圓錐臺楔塊的大端面與所述保護殼的頂壁之間，若干所述壓電堆復合材料傳感單元沿周向均布于所述圓錐臺楔塊的側面，所述壓電堆復合材料傳感單元由若干層壓電元件與多層環氧樹脂并聯而成。本發明通過以圓錐臺楔塊為基礎的物理聚焦來實現了超聲波束多點聚焦，激發能量高的超聲波束，并對波束具有較好的聚焦功能，提高了能量的利用率，利用壓電堆復合材料傳感單元的正交異性增強其長度方向的信號，削弱了寬度方向的信號，有效抑制了信號諧振頻率復雜帶來的干擾。擾。擾。
