PVDF梳状传感器及在超声导波检测中的应用

　　超声波检测技术有很多优点,如传播距离远、检测范围大、检测效率高、可以进行在线检测等。但当检测管、细长杆或薄板等构件时,由于受到波导几何尺寸的影响,在波导中传播的超声导波存在着多模态现象,导致信号分析比较困难,从而给无损检测带来很大的麻烦[1]。因此为了提高超声导波技术在无损检测中的优势,如何激励出单模态的超声导波就成为一个相当重要的课题。

　　梳状传感器可以实现单模态超声导波的激励与接收[2,3],美国宾夕法尼亚州立大学和英国帝国理工大学的学者们已经对这种传感器进行了研究[4-7]。梳状传感器的特点是传感器指间距等于欲激发模态导波的波长。当对每个指条同时激励同频率、同相位的信号时,由于波的相干作用,使波长等于指间距的模态导波相加,而其它模态导波相消,从而激励出所需要的单一模态导波。

　　为了实现单模态超声导波的激励与接收,研究制作了PVDF梳状传感器,并在薄钢板中进行了单模态超声导波的激励与接收试验。

　　1　梳状传感器的研制

　　1.1　频散特性分析

　　在设计传感器以前,首先制作波导的频散曲线,根据频散曲线来确定合适的导波模态及检测频率。

        图1是1.5 mm厚钢板的频散曲线,从图中可以看出,在低频下,存在的模态较少,并且A0模态的频散比较小,因此选取A0模态。

　　在群速度最大值处导波的频散最小,因此选取最大群速度相应的频率作为传感器的中心频率。从图1中标出各个模态的群速度最大点(见图1b中的黑点),其中A0模态的群速度最大点位置f·d=1.35 MHzmm,因此中心频率选为f=0.9 MHz,相速度vph为2.546 m/ms,波长为

　　1.2　压电材料选择

　　超声传感器的压电材料有很多种,目前比较常用的是压电陶瓷和PVDF薄膜(偏聚氟乙烯)。压电陶瓷具有方便、价廉、灵敏度高、频率响应快等优点,但是硬度和脆性较大,不易弯曲和分割;而PVDF薄膜柔性好,强度大,耐力学冲击,可任意分割,任意弯曲,可做成任意的尺寸和形状,尤其适合于弯曲的构件,因此选用PVDF。目前市场上110μm的PVDF薄膜较多,由于在PVDF上直接加梳状电极比较困难,因此笔者选用110μm厚无电极PVDF薄膜。

　　1.3　梳状电极设计与制作

　　梳状电极的结构决定了传感器欲激励和接收的导波模态,它的指间距等于欲激发导波的波长。另外,其结构也影响传感器激励和接收导波信号的强度。因此,梳状电极设计是梳状传感器设计的一个重要部分

　　梳状传感器电极的结构参数主要有指条宽度a、指条间距宽度b、周期节距s、指条长度L、电极宽度w以及指条数目N,结构图见图2(以指条数目N=3为例)。根据前面选取的频率和模态,选取a=b=(1/2)λ=1.414 mm,L=35 mm,N=11。