压电式超声传感器作为超声检测技术领域最早开始研究的传感器,具有成熟的技术和广泛的应用,但在管道、锅炉等表面为曲面的设备检测中,传统刚性结构的超声传感器存在着诸多限制。一方面,硬质材料制备的传统传感器与曲面仅为线接触或点接触,用于检测的超声波能量损失较大,甚至在有空间限制的曲面容器上难以布置进而无法测量;另一方面,由于传统刚性传感器体积和重量较大,会对设备结构造成沉重负担,降低力学性能和服役的安全可靠性,难以实现阵列化形成传感器网络。综上所述,体积小、重量轻,并且可以与曲面完全贴合的柔性超声传感器有很大的优势。
Bowen等[1]设计的超声传感器只具备垂直于压电纤维方向上的柔性;Harvey等[2]利用垂直放置的压电纤维复合材料制备的超声换能器在二维方向有一定的柔性,但灵敏度不高;Zhen等[3]通过柔性基底和电极实现了基于压电陶瓷(PZT)的超声传感器的柔性,但压电陶瓷脆性大、易碎的物理属性不变,限制了传感器的柔韧性;Luo等[4]利用聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜开发了用于壁厚检测的柔性超声传感器,但测厚实验结果的精度不高,重复性较差。
为提高超声传感器性能,李珺等[5]研究了声学匹配作用机理;吴锦川等[6]提出了高阻抗背衬材料的制作方法以获得高灵敏度的窄脉冲探头;Polk[7]提出了电匹配方法,利用变压器等设计了石英换能器电路;El-Dahshan等[8]将史密斯圆图的方法应用于阻抗匹配分析;苟阳等[9]根据压电换能器的阻抗特性设计了适用于宽频的阻抗匹配电路;Rathod等[10]归纳了常见的阻抗匹配技术并介绍了针对特定应用的阻抗匹配设计。然而,以上研究绝大部分是针对传统硬质压电式超声传感器及其对应的无机压电材料进行的,不适用于PVDF这种柔性的高分子聚合物材料。因此,本文对基于PVDF压电薄膜的柔性超声传感器进行了优化,提出利用钨粉和硅胶设计背衬层以适用于声阻抗小的PVDF压电材料,提出阻抗匹配优化设计方案以提高信号的电压幅值和信噪比,进而提高传感器的测量精度。
1 柔性超声传感器结构和激励方式
本文选用的压电材料为PVDF薄膜,表1给出了PVDF和几种通用的压电材料部分性能参数比较。PVDF作为一种压电高分子聚合物材料,与传统的压电晶体材料相比具有以下优点:①柔韧性和加工性能好,可定制尺寸和形状;②压电电压常数g33大,接收性能较好;③声阻抗低,与水以及胶粘剂接近;④密度低、质量轻,粘贴在设备表面对原结构影响小;⑤测量范围广,适用于薄壁件的测量。
表1 PVDF和几种通用的压电材料性能参数
Table 1 Performance parameters of PVDF and several general piezoelectric materials
压电材料相对介电常数ε弹性柔顺常数SE33/(10-12m2·N-1)压电电压常数g33/(10-3Vm·N-1)声阻抗Z/(MRayl)密度ρ/(kg·m-3)β相PVDF8.5～12.03203302.5～3.51 780X切石英4.51557.815.32 650BaTiO31 7008.512.6256 017PZT1 2001821347 500
PVDF压电薄膜是以压电效应为基础的双向无源器件,可以进行超声波的发射和接收。当PVDF压电薄膜受到发射电路产生的高压脉冲激励后,由于逆压电效应产生形变,从而发射出超声波;超声波接触被测件后反射回来作用到PVDF压电薄膜上,使其受迫振动从而发生应力形变,由于正压电效应产生电信号。此时若已知被测件中的声速c,根据检测到的电信号可得到超声波发射及回波之间的时间间隔Δt,进而通过式(1)计算出被测件的厚度d:
(1)
式中:Δt=T2-T1,T1和T2分别为被测件相邻两次回波的时间。
目前,PVDF 压电薄膜的制备技术已经非常完善。如图1 所示,将PVDF压电薄膜层压在聚酯基板保护层上以避免损伤污染。由于PVDF压电薄膜是高分子材料,无法焊接电极,传感器使用了压接端子引出电极,并且为屏蔽电磁干扰接了同轴电缆。最上层为高阻抗柔性背衬,吸收背部杂波的同时起到了绝缘的作用。
图1 柔性超声传感器结构图
Figure 1 Structure diagram of flexible ultrasonic sensor
由于PVDF压电薄膜的固有特性,基于其所设计的传感器具有较高的中心频率和较宽的频带,目前常用的超声波激励信号有图2所示几种。双极性多调谐脉冲能提高信号电压幅值但分辨率低;方波脉冲的频谱由离散的谐波组成,有较高的电压幅值和稳定性[11]。但这两种激励信号都很难达到PVDF压电薄膜10 MHz以上的高频要求。尖脉冲连续的频谱包含多种频率成分,特别是大量的高频成分,可以保留PVDF压电薄膜的宽频带特性。同时,相较于元器件需求数量多、功耗大的方波脉冲电路,尖脉冲激励电路简单、元器件少且信噪比高。因此设计尖脉冲激励电路用于激励该柔性超声传感器产生超声波,如图3所示。供电电压VCC经过升压模块U1后在电容C1两端形成高压,单片机通过控制场效应管Q1的通断使得电容C1瞬间充放电形成尖脉冲。
图2 超声波激励信号
Figure 2 Ultrasonic excitation signal
图3 尖脉冲激励电路图
Figure 3 Sharp pluse circuit diagram
2 柔性超声传感器的背衬层优化设计
根据声学匹配理论,在压电薄膜与被测件间加入薄层介质可以提高声波的有效透射能量。Z1、Z2、Z3分别为压电薄膜、薄层介质和被测件的声阻抗,则由压电薄膜到被测件的声能透射系数T为[12]
(2)
式中:h2为薄层介质的厚度;n2为波数。薄层介质厚度取h2=(2n+1)λ/4时,若Z2=(Z3Z1)1/2,T=1,此时超声波发生全透射。而实践中与理论公式计算结果正好吻合的材料很难获取。当薄层介质厚度h2→0时,薄层介质声阻抗介于压电薄膜和被测件之间,T→4Z0Z1(Z0+Z1)-2,可知薄层介质的厚度越小,超声波的透射率越高。
本文所选的丙三醇的声阻抗值介于压电薄膜与被测件之间,可增加声能透射率,根据上述分析,应用时涂抹得越薄透射率越高。同时,丙三醇作为耦合剂,可以充分排出传感器与被测件间的空气,避免由于空气声阻抗低而造成的强反射。
然而,柔性超声传感器正常工作时不仅会向压电薄膜的正面发射超声波,同时向背面发射的超声波在反射后会形成干扰杂波,影响正常的信号接收。背衬层的设计可以吸收背部杂波,若背衬声阻抗为Z4,则衰减系数a可表示为
(3)
由此可见,背衬的声阻抗与压电薄膜越接近,衰减系数越高。利用该理论可增强背衬对背向辐射波及其他方向杂波的吸收,使其成为单向辐射的超声源。常见的背衬材料由液态环氧树脂混合钨粉固化而成,但会使传感器整体结构失去柔性。已知硅胶声阻抗为1.3 Mrayl及表1中PVDF的声阻抗为2.5～3.5 MRayl,因此选取掺有钨粉的液态硅胶固化后的材料作为背衬。钨粉颗粒的掺杂不仅会增大背衬的声阻抗使其接近PVDF压电材料,还相当于障碍物对超声波起到了散射衰减的作用。
为验证上述优化方法的可行性,利用图4中简化的二维模型对被测件及背向空气的声压进行仿真,PVDF压电材料表面施加了100 V的激励电压。
图4 柔性超声传感器声匹配前后的仿真模型
Figure 4 Simulation modelling of flexible ultrasonic sensors before and after acoustic matching
图5为优化前后传感器的仿真结果,可以看出,加入薄层介质和背衬的传感器所发射的超声波进入被测件的声能明显增加,而背向辐射声能大幅衰减,近似于单向辐射超声源。在实际应用时,背衬层中钨粉和硅胶的最佳调配比例需要实验进一步探究。
图5 PVDF压电薄膜声匹配前后的仿真结果
Figure 5 Simulation results before and after acoustic matching of PVDF piezoelectric film
此外,柔性超声传感器在外加高压脉冲激励下产生高频振动,由于惯性作用持续较长时间不会停止。若超声波波长为λ,振动次数为N,则超声仪器的纵向分辨率δ为
(4)
背衬还可以增大机械阻尼、抑制拖尾,使得N值减小,提高传感器分辨率。
3 柔性超声传感器阻抗匹配优化方法
基于PVDF压电薄膜的柔性超声传感器本身有较高的中心频率和较宽的频带,但要使得传感器在高频谐振时具有较高的信噪比并保留宽频特性,还需要对其与配套电路进行阻抗匹配。一般情况下,由于接收电路的输入阻抗较高,在电缆不是很长的情况下,与传感器直接相连不影响正常的工作。因此,主要对激励电路与换能器间的阻抗匹配方法进行研究:一是调谐,调节PVDF压电薄膜的输入电抗,使负载处于谐振状态时,相位角趋近于0以增大传输功率的输出效率;二是变阻,调节PVDF压电薄膜的有功电阻使之达到最佳负载,以获得最大传输功率。
对PVDF压电薄膜的电学特性分析研究时,为简化该振动,方便将此压电换能器件与电路网络进行统一分析,本文用KLM网络对其电学特性进行等效,电路如图6(a)所示,其中V为激励电压,R为信号源内阻,R0为介电损失电阻,R1为探头辐射等效电阻,C为静态等效电容。整个器件呈现容性,因此使用电感进行匹配,常见的方式有3种:串联电感匹配、并联电感匹配及网络匹配。由于串联电感匹配易使换能器中心频率向低频方向移动,网络匹配则需要得到R1的准确值,因此本文选用并联电感的匹配方式。由于PVDF压电材料的介电常数很小,其容抗远大于R0,R0可以忽略不计,如图6(b)所示。匹配电感L和PVDF等效电路中的C组成的LC网络的谐振频率应与PVDF压电薄膜的谐振频率f保持一致[13],最佳匹配电感L的计算公式为
(5)
图6 柔性超声传感器匹配前后等效电路
Figure 6 Equivalent circuits before and after matching of flexible ultrasonic sensors
该PVDF压电薄膜的谐振频率f为10 MHz,将直接测得PVDF压电薄膜没有发生振动时的电容值437 pF近似作为静态电容C,可得匹配电感L理论值约为0.58 μH。由于实际条件限制,无法精确得到谐振频率f和静态电容C,同时传感器的信号线上也存在寄生电容和电感,因此在实际进行匹配时,需要在该理论值附近不断调整,进行梯度实验以达到最佳匹配效果。否则,传感器电路的电抗或电纳在谐振频率附近和总的换能器的电抗或电纳产生谐振,可能会导致出现两个甚至两个以上的谐振点,即“双峰现象”,直接影响到换能器的检测效果。
4 实验
4.1 实验方案
本文搭建的实验平台如图7所示,包括超声激励装置、传感器、厚度为8 mm的曲面试件及数字示波器。其中,超声激励装置由电池、电源模块和激励电路组成。超声激励装置产生尖脉冲激励,传感器受到激励产生超声波并接收到回波后传送到数字示波器,由数字示波器显示超声波信号。
图7 柔性超声传感器测厚实验平台
Figure 7 Flexible ultrasonic sensor thickness measurement experiment platform
实验主要包括背衬层匹配实验、阻抗匹配实验和管道壁厚测量实验3部分,分别对背衬层和阻抗匹配的电感参数进行了探究,并对传感器测量精度进行了验证。
4.2 背衬层匹配实验
利用基于PVDF压电薄膜制作的柔性超声传感器对图7曲面试件进行测量得到的回波信号如图8所示,可以看出,回波波形信噪比仅有2 dB,5次回波电压幅值逐渐降低,且各次回波的相似性较低,将给后续的回波识别、数据处理和算法设计带来很大的困难。
图8 优化前的柔性超声传感器测得的回波信号
Figure 8 Echo signals measured by flexible ultrasonic sensor before optimization
硅胶中钨粉的配比可以调节背衬材料的声阻抗,随着钨粉含量的提高,复合材料的声阻抗随之增大。已知硅胶的声阻抗为1.3 MRayl,PVDF压电材料的声阻抗为2.5～3.5 MRayl,因此钨粉含量不宜过高。本文设计了不同调配比例的背衬,钨粉和硅胶的质量比分别为10∶1、15∶1、20∶1、25∶1、30∶1。作为对照,还设计了一组不含钨粉的硅橡胶作为背衬。传感器安装各种背衬后所接收到的回波如图9所示,可以看出,随着钨粉比例的增大,背衬对杂波的吸收效果先增大后减小,钨和硅胶的质量比为20∶1的背衬在传感器性能的改善中效果最佳。最终本文选用20∶1的背衬制作柔性超声传感器。
图9 不同配比的背衬条件下传感器测得的回波信号
Figure 9 Echo signals measured by the sensor with different backing conditions
使用柔性背衬层对柔性超声传感器进行优化前后所接收到的回波波形对比如图10所示,可以看出,反射波脉冲周期明显缩短,拖尾减少,避免了反射回波重叠,可以拓宽壁厚测量范围的下限;回波信号电压幅值提升了约200%,噪声电压值有所降低,提高了信噪比。
图10 声匹配前后PVDF压电薄膜测得的回波信号
Figure 10 Echo signals measured by PVDF piezoelectric film before and after acoustic matching
4.3 阻抗匹配实验
对图8中优化前柔性超声传感器接收到的前两次回波放大并进行频谱分析后得到的结果如图11所示,可以看出,回波波形规整度较差,与理想的正弦振荡波形相差较大,频谱图显示其频率成分不单一,具有明显的“多峰”现象,对测量精度有很大影响。这是由于本文所用信号源为高压尖脉冲激励,具有宽频域的谐波成分所导致的。同时该信号在时域上的电压幅值较低,这是由于未经匹配的柔性超声传感器具有较大的阻抗。
图11 PVDF压电薄膜测得回波信号的时域图和频域图
Figure 11 Diagrams of time-domain and frequency-domain of the echo signal measured by PVDF piezoelectric film
根据式(5)可知,本文传感器并联匹配电感大小约为0.58 μH。实际应用时,在理论值附近不断调整匹配电感的大小,并对所接收到的相应回波信号进行时域及频域分析,最终得到最佳的匹配电感值。本文在柔性超声传感器上依次匹配0.4～0.9 μH的电感,电感值变化梯度为0.1 μH,实验结果如图12所示。
图12 不同匹配电感条件下传感器测得回波信号的时域图及频域图
Figure 12 Time-domain diagram and frequency-domain diagram of the echo signal measured by the sensor with different matching inductance conditions
观察图12的回波信号的时域图和频域图可以发现,并联电感值偏小时,波形较规整,频率成分单一。但信号电压幅值低,脉冲振荡周期多,频谱带宽较窄。随着电感值增大,信号电压幅值增加,振荡周期数减少,频带变宽,在理论值0.58 μH附近的0.6 μH时达到最佳,而后波形规整度下降,开始出现“双峰”现象。
最终传感器匹配电感值选定为0.6 μH,此时波形规整且信号电压幅值较高,脉冲振荡时间短,频率成分单一且带宽较宽。基于上述实验结果,制作经过背衬层和阻抗匹配优化的传感器再次对曲面试件进行测量。图13给出了优化后柔性超声传感器测得的回波信号。与图8对比可以发现,优化后柔性超声传感器的回波信号电压幅值提高了3倍,信噪比由2 dB提高到了30 dB。已知室温下曲面试件声速为6 260 m/s,根据式(1),优化前测得壁厚值为8.066 mm,绝对误差为0.066 mm;优化后测得壁厚值为8.003 mm,绝对误差为0.003 mm,精度提高了一个数量级,相对误差为0.04%,与现有研究的此类传感器[4]相比提高了5%左右。
图13 优化后的柔性超声传感器测得的回波信号
Figure 13 Echo signals measured by flexible ultrasonic sensor after optimization
4.4 管道壁厚测量实验
利用优化设计的柔性传感器对不同厚度、不同曲率半径的管道进行了壁厚测量实验,具体参数如表2所示,其中壁厚由美国Innerspec公司的便携式超声检测仪(精度为0.001 mm)标定。由于柔性传感器尺寸固定,因此其灵敏度可以由式(6)计算[14],管道半径越小,灵敏度越小,各半径与厚度的管道壁厚均在传感器灵敏度范围内。
(6)
表2 不同管道试件壁厚测得结果
Table 2 Measured wall thickness of different pipe specimens mm
试件半径壁厚第n次壁厚测量数据第n次壁厚测量误差n=1n=2n=3n=4n=5n=1n=2n=3n=4n=5重复性偏差11505.0015.0075.0075.0035.0045.0050.0060.0060.0020.0030.0040.004210010.00710.00110.00310.00310.00210.001-0.006-0.004-0.004-0.005-0.0060.002315010.00610.01310.01210.01210.01310.0110.0070.0060.0060.0070.0050.00242009.9969.9939.9949.9949.9949.993-0.003-0.002-0.002-0.002-0.0030.001515015.01315.01915.02215.02015.02215.0200.0060.0090.0070.0090.0070.003
式中:A为电极的有效面积;d31为拉伸方向的压电系数;δ为压电薄膜侧面积;L为压电薄膜拉伸方向长度;r为试件的半径。
实验具体过程是使用同一传感器对各个管道试件的同一位置进行了5次测量以验证传感器的精度和重复性,结果如表2所示,可以看出,优化设计后的柔性超声传感器测量误差为±0.01 mm,在进行重复测量时,偏差保持在0.004 mm,具有较好的重复性。
5 结论
本文基于超声波的传播特性及PVDF压电薄膜的电学特性,从背衬层匹配及阻抗匹配两个方面提出该柔性超声传感器的优化设计方法,得到背衬层钨粉和硅胶的最佳调配,以及柔性超声传感器中匹配电感的最佳参数。实验结果表明,背衬可以有效吸收柔性超声传感器的背部干扰杂波,与激励电路间的阻抗匹配方案可以有效提高传感器回波信号的质量。本文优化后的柔性超声传感器具有窄脉冲、宽频带和高频率的优良性能,信噪比从2 dB提高到30 dB。同时,回波信号波形规整度高、拖尾小,在实际应用时精度达0.01 mm,重复性偏差达0.004 mm。
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