[发明专利]一种叉指换能器阵列及制作方法

说明书

本发明公开了一种叉指换能器阵列及制作方法，叉指换能器阵列包括聚偏氟乙烯基底和N个梯形叉指电极阵元；聚偏氟乙烯基底为圆盘形，多个梯形叉指电极阵元以聚偏氟乙烯基底的圆心为中心沿圆周方向均匀分布在聚偏氟乙烯基底的表面；梯形叉指电极阵元的正极叉指电极包括正极外接端和多个相互间隔的正电极，梯形叉指电极阵元的负极叉指电极包括负极外接端和多个相互间隔的负电极；各梯形叉指电极阵元中的多个正电极和多个负电极交替间隔排列；各相邻的两个梯形叉指电极阵元共用一个正极外接端，各相邻的两个梯形叉指电极阵元共用一个负极外接端。本发明具有宽频带、低损耗、多方位发射和接收的优点，提高了损伤检测效率。

技术领域

本发明涉及叉指换能器技术领域，特别是涉及一种叉指换能器阵列及制作方法。

背景技术

在适用于大面积板结构健康监测(Structural Health Monitoring,SHM)的方法和相关技术中，诸多先进的信号处理方法依然存在人为干扰因素较大、应用范围狭窄等诸多不足。电声转换的换能器件因其特有的传递结构安全信息的功能已逐渐成为SHM系统中的关键组成部分。既有的结构健康监测系统始终具有更进一步提高其检测灵敏度和精度的需求，探索可用于大面积复合材料的具有多方位发射和接收、宽频且模态可选择功能的柔性叉指式导波换能器可为实现实时快速SHM解决关键性的技术障碍。

现有基于超声导波的SHM系统常采用嵌入式或粘贴的超声换能器单元构建具有一定空间分布形式的驱动/传感阵列或稀疏分布的传感网络，可用于克服大面积板或者复合材料结构中阻抗衰减和信号响应低等问题。稀疏分布传感网络根据传感单元间导波信号的渡越时间信息实施对结构局部损伤检测，其损伤成像定位精度极大地依赖于稀疏传感器的布阵方案。

就换能器的构造设计而言，叉指式换能器(Interdigital Transducer,IDT)的叉指结构是用于SHM系统中产生定向导波的最基本形式，然而，现有技术中的IDT设计中仍存在着诸多不足，如具较窄的频带宽和单一的方向性等，为适应更小的损伤检测尺度，需要巧妙的换能器结构设计以提高带宽，以实现多方位的驱动和传感。

叉指换能器最早是由Hyodo等人在1968年作为建筑块设计方法延伸提出来的。之后在1973年，Daniel和de Klerk比较了梯形叉指换能器和调频脉冲的优点和变迹通带的滤波器结构，这表明了叉指换能器可以用于带通应用程序。从1982年至1987年，Campbell描述了设计宽频带线性相位滤波器的详细步骤，并通过在yz-铌酸锂上的70MHz 50％带宽滤波器进行实验，有效抑制了35db的旁瓣，同时频率响应得到了提升。

综合IDT应用的发展来看，现有的矩形IDT已经成熟应用于声表面波器件并且得到了很大的发展，而且矩形IDT也开始逐渐应用于损伤检测之中，其在中心频率下频响最大，所以一般设计其中心频率为激励频率。随着结构健康监测的发展，工程结构越来越复杂，要求IDT损耗也越来越低，性能在不断提高。现有的矩形IDT的线宽窄，不能满足越来越高频率的重复应力作用和越来越大的功率，所以研究宽频带、低损耗、高性能的IDT对于结构健康监测至关重要。然而，针对梯形叉指换能器，却主要是用于进行滤波器的设计，将其应用于损伤检测还不成熟。因为就换能器的构造设计而言，叉指式换能器的叉指结构是用于SHM系统中产生定向导波的最基本形式，然而，现有技术中的IDT设计中仍存在着诸多不足，如具较窄的频带宽和单一的方向性等。

发明内容

本发明的目的是提供一种叉指换能器阵列及制作方法，具有宽频带、低损耗、多方位发射和接收的优点，提高了损伤检测效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种叉指换能器阵列，其特征在于，所述叉指换能器阵列包括：聚偏氟乙烯基底和N个梯形叉指电极阵元，N为大于3的整数；所述聚偏氟乙烯基底为圆盘形，多个所述梯形叉指电极阵元以所述聚偏氟乙烯基底的圆心为中心沿圆周方向均匀分布在所述聚偏氟乙烯基底的表面；