PVDF超聲檢測傳感器的原理與應(yīng)用

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)；介電強度高，電場耐受力強，在強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，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)，強度較弱，須經(jīng)運算放大器放大后，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?。淮送?，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?，薄膜直徑對PVDF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。