一種高靈敏度的探針?biāo)犉鞯闹圃旆椒?br>【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于聲學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種高靈敏度且寬頻帶的探針?biāo)犉鳌?br>【背景技術(shù)】
[0002]聲壓水聽器是檢測水中聲信號以及噪聲最重要的工具，在諸多水聽器中，探針?biāo)犉饔捎谄涑叽绾苄∫约皩β晥龅臄_動小，常被用于聲場的高精度測繪、聲傳感器的檢測標(biāo)定以及超聲設(shè)備的檢測校準(zhǔn)和性能評估。水聽器的性能(靈敏度、頻率響應(yīng))會直接影響到結(jié)果的準(zhǔn)確性和全面性，所以水聽器的性能好壞在聲學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用中尤為關(guān)鍵。
[0003]根據(jù)所用靈敏材料的不同，探針?biāo)犉骺梢苑譃?PVDF探針?biāo)犉?、壓電陶瓷探針?biāo)犉鳌弘娋w探針?biāo)犉骱蛪弘姀?fù)合材料探針?biāo)犉?。其中壓電陶瓷和PVDF探針?biāo)犉魇亲顬槌Ｒ姡呀?jīng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。靈敏部分直徑為Imm的壓電陶瓷探針?biāo)犉魑膊侩娎|為Im時，其電纜端開路靈敏度為0.674yV/Pa，其相對平坦的頻率響應(yīng)可達(dá)6MHz左右。但由于陶瓷圓片的徑向振動模式的高階諧振和背襯材料中的混響導(dǎo)致其頻響不穩(wěn)定。此外，大部分有用的陶瓷水聽器的指向特性常常與理論預(yù)測有較明顯的不同。靈敏部分直徑為Imm的PVDF探針?biāo)犉?，尾部電纜為Im時，其電纜端開路靈敏度為0.1?0.12yV/Pa，諧振頻率在25MHz以下，指向性特性好，同時探針的頻響特性可以達(dá)到很平滑，起伏在± 1.5dB范圍內(nèi)。
[0004]目前美國的ONDA和英國的Precis1nAcoustics是能夠提供探針?biāo)犉鞯膬杉夜?，價格也相對比較昂貴。ONDA公司的HNC系列壓電陶瓷探針?biāo)犉?，具有較高的靈敏度(最高達(dá)到-238dB)，但是在不同頻率的響應(yīng)不穩(wěn)定;而HNP系列的壓電聚合物探針?biāo)犉鞯念l率響應(yīng)曲線很平坦，但是靈敏度要比HNC系列的水聽器至少低1dB;英國的Precis1nAcoustics公司則只生產(chǎn)PVDF探針?biāo)犉?，其中PVDF元件直徑1.0mm的探針?biāo)犉黛`敏度為-241.4dB。從中可以看出，壓電陶瓷探針?biāo)犉鞔嬖谧畲蟮膯栴}是在不同頻率下的響應(yīng)不穩(wěn)定，頻率響應(yīng)不夠平坦。而PVDF探針?biāo)犉鲃t是靈敏度不夠高。且PVDF材料因耐熱性的限制，常用的PVDF探針?biāo)犉鞑荒茉诟邷?、高聲壓環(huán)境下工作，其適用溫度通常在50°C以下。
[0005]近年來，隨著聲學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，相關(guān)研究對聲場的空間和時間特性進(jìn)行定量測量的精度要求不斷提高，意味著對探針?biāo)犉鞲鞣矫娴男阅?靈敏度、頻率響應(yīng)、穩(wěn)定性等)提出了更高的要求。而在廣泛使用的PVDF和壓電陶瓷探針?biāo)犉鞫加兄髯缘娜秉c(diǎn)。因此，現(xiàn)階段設(shè)計(jì)制備一款高靈敏度、寬頻率響應(yīng)、性能穩(wěn)定的探針?biāo)犉黠@得十分的必要。
[0006]新型材料PMN-PT晶體在PT含量為0.33?0.35時存在一個三方和四方相共存的準(zhǔn)同型相界(MPB)，具有較大的壓電性，壓電電荷系數(shù)約為2000?2500PC/N，機(jī)電耦合系數(shù)K可以到90%以上，甚至94%，最大形變可以達(dá)到1.7% IMN-PT優(yōu)異的壓電性能保證采用其作為壓電元件制作而成的探針?biāo)犉鞯玫捷^高的靈敏度，同時采用前端匹配技術(shù)能夠保證寬頻帶的平坦響應(yīng)以及穩(wěn)定的性能。這些優(yōu)異的性能也將使其可以逐漸替代PZT和PVDF等壓電材料在醫(yī)用超聲探頭、水下聲納、壓電驅(qū)動器等聲學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本實(shí)用新型的目的是針對傳統(tǒng)的PVDF和壓電陶瓷探針?biāo)犉鞯牟蛔悖峁┮环N高靈敏度、寬頻帶的探針?biāo)犉?，作為精密儀器，應(yīng)用于聲學(xué)計(jì)量實(shí)驗(yàn)室的各項(xiàng)工作中以及各類聲學(xué)儀器的校準(zhǔn)和標(biāo)定。
[0008]本實(shí)用新型是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:
[0009]本實(shí)用新型包括前端感應(yīng)部分、夾持部分和接線電纜部分;所述的前端感應(yīng)部分包括第一匹配層、第二匹配層、PMN-PT晶體、漆包線和不銹鋼管套;所述的漆包線套置在不銹鋼套管中，PMN-PT晶體的正極與漆包線的內(nèi)芯用導(dǎo)電膠粘接;所述的第二匹配層粘接到PMN-PT的負(fù)極，第一匹配層粘接到第二匹配層上；不銹鋼管套內(nèi)壁與漆包線之間注有環(huán)氧灌封膠;PMN-PT晶體的負(fù)極與不銹鋼管套通過導(dǎo)電膠點(diǎn)粘;所述的夾持部分套置在前端感應(yīng)部分的不銹鋼管套外并進(jìn)行水密處理;所述的接線電纜部分與漆包線連接，接線電纜部分的輸出端是BNC接口。
[0010]所述的PMN-PT晶體為直徑Imm的圓片;所述的不銹鋼管套的內(nèi)徑為1.2mm，長度為50mm;所述漆包線的內(nèi)芯直徑為Imm。
[0011 ] 所述漆包線的內(nèi)芯為銅絲。
[0012]所述第一匹配層和第二匹配層的聲阻抗分別為3.2Mrayls和14.6Mrayls，厚度均為0.2mmο
[0013]所述的夾持部分為不銹鋼管套。
[0014]本實(shí)用新型的有益效果在于其適用于高精度的聲場測量，能測量弱聲信號，完整、精確地測繪聲場的分布，推動了聲學(xué)的研究和相關(guān)領(lǐng)域超聲測量的發(fā)展，特別是微弱聲信號的檢測方面，非常具有研究意義和應(yīng)用價值。
【附圖說明】
[0015]圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0016]圖2為本實(shí)用新型的前端感應(yīng)部分示意圖；
[0017]圖3為本實(shí)用新型的靈敏度曲線圖。
[0018]圖中:1、第一匹配層，2、第二匹配層，3、導(dǎo)電膠，4、PMN-PT晶體，5、漆包線，6、不銹鋼套管，7、環(huán)氧灌封膠，8、前端感應(yīng)部分，9、夾持部分，1、接線電纜部分。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。
[0020]如圖1和2所示，一種高靈敏度的探針?biāo)犉?，包括前端感?yīng)部分8、夾持部分9和接線電纜部分10;前端感應(yīng)部分包括第一匹配層1、第二匹配層2、PMN-PT晶體4、漆包線5和不銹鋼管套6;漆包線5的內(nèi)芯為銅絲，銅絲作為背襯材料用以減小或消除探針?biāo)犉鲀?nèi)不必要的聲反射;PMN-PT晶體為直徑Imm的圓片，漆包線5的內(nèi)芯直徑為Imm;不銹鋼管套的內(nèi)徑為1.2mm，長度為50mm; PMN-PT晶體的正極與漆包線5的內(nèi)芯用導(dǎo)電膠3進(jìn)行粘接，粘接完成后放入不銹鋼套管5中，并且使PMN-PT晶體所在位置稍低于不銹鋼管套的端部，空出部分用于放置第一匹配層I和第二匹配層2;不銹鋼管套6起支撐作用；第二匹配層2粘接到PMN-PT的負(fù)極，第一匹配層I粘接到第二匹配層2上。第一匹配層I和第二匹配層2由環(huán)氧樹脂和金屬粉末配制而成，其聲阻抗分別為3.2Mrayls和14.6Mrayls，厚度均為0.2mm，起到提高靈敏度、拓寬頻響范圍、水密及保護(hù)作用。在不銹鋼管套內(nèi)壁與漆包線5之間注入環(huán)氧灌封膠7，防止漆包線5晃動以及水密;將PMN-PT晶體的負(fù)極與不銹鋼管套通過導(dǎo)電膠3進(jìn)行點(diǎn)粘，采用點(diǎn)粘的目的在于減少粘接層對水聽器性能的影響。
[0021]PMN-PT晶體4為壓電單元，因其優(yōu)越的壓電性能，能夠提高探針?biāo)犉鞯撵`敏度。
[0022]夾持部分9為不銹鋼管套，套置在前端感應(yīng)部分的不銹鋼管套外并進(jìn)行水密處理。
[0023]接線電纜部分10與漆包線5連接，用以信號的輸出，接線電纜部分10的輸出端是BNC接口。
[0024]該高靈敏度的探針?biāo)犉鳎苽溥^程如下:
[0025]1、制備材料的準(zhǔn)備:包括PMN-PT晶體方片的切割，漆包線的剪切和端部的打磨，第一匹配層I和第二匹配層2的制備。
[0026]2、前端感應(yīng)部分的制作:(I)采用導(dǎo)電膠將PMN-PT晶體粘接到漆包線打磨過的端部，烘干；(2)將漆包線放置于不銹鋼管套中合適的位置，并在兩者之間注入環(huán)氧灌封膠，烘干；(3)采用導(dǎo)電膠完成PMN-PT晶體與不銹鋼管套之間的粘接，烘干；(4)將第一匹配層I和第二匹配層2放置于PMN-PT晶體表面進(jìn)行匹配，烘干。完成后的結(jié)構(gòu)如圖2所示。
[0027]3、完成前端感應(yīng)部分與夾持部分的連接，具體為在兩者連接處用膠水進(jìn)行粘接。
[0028]4、完成電纜部分的接線和整體結(jié)構(gòu)的水密及封裝。最終完成的探針?biāo)犉鞯恼w結(jié)構(gòu)如圖1所示。
[0029]按照以上制備過程進(jìn)行探針?biāo)犉鞯闹谱?，完成后對其進(jìn)行靈敏度校準(zhǔn)。得到其在0.5?3.2MHz上的靈敏度曲線如圖3所示，從圖中可以看出，該探針?biāo)犉髟?.5?3.2MHz頻率范圍內(nèi)比標(biāo)準(zhǔn)水聽器高出15?25dB，靈敏度達(dá)到_235dB左右。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種高靈敏度的探針?biāo)犉?，包括前端感?yīng)部分、夾持部分和接線電纜部分，其特征在于:所述的前端感應(yīng)部分包括第一匹配層、第二匹配層、PMN-PT晶體、漆包線和不銹鋼管套;所述的漆包線套置在不銹鋼套管中，PMN-PT晶體的正極與漆包線的內(nèi)芯用導(dǎo)電膠粘接；所述的第二匹配層粘接到PMN-PT的負(fù)極，第一匹配層粘接到第二匹配層上；不銹鋼管套內(nèi)壁與漆包線之間注有環(huán)氧灌封膠;PMN-PT晶體的負(fù)極與不銹鋼管套通過導(dǎo)電膠點(diǎn)粘;所述的夾持部分套置在前端感應(yīng)部分的不銹鋼管套外并進(jìn)行水密處理;所述的接線電纜部分與漆包線連接，接線電纜部分的輸出端是BNC接口。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高靈敏度的探針?biāo)犉?，其特征在?所述的PMN-PT晶體為直徑Imm的圓片;所述的不銹鋼管套的內(nèi)徑為1.2mm，長度為50mm;所述漆包線的內(nèi)芯直徑為Imm03.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種高靈敏度的探針?biāo)犉?，其特征在?所述漆包線的內(nèi)芯為銅絲。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高靈敏度的探針?biāo)犉鳎涮卣髟谟?所述第一匹配層和第二匹配層的聲阻抗分別為3.2Mrayls和14.6Mrayls，厚度均為0.2mm。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高靈敏度的探針?biāo)犉?，其特征在?所述的夾持部分為不銹鋼管套。
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種高靈敏度的探針?biāo)犉?。PMN-PT優(yōu)異的壓電性能保證采用其作為壓電元件制作而成的探針?biāo)犉鞯玫捷^高的靈敏度。本實(shí)用新型包括前端感應(yīng)部分、夾持部分和接線電纜部分；前端感應(yīng)部分包括第一匹配層、第二匹配層、PMN-PT晶體、漆包線和不銹鋼管套；漆包線套置在不銹鋼套管中，PMN-PT晶體的正極與漆包線的內(nèi)芯用導(dǎo)電膠粘接；第二匹配層粘接到PMN-PT的負(fù)極，第一匹配層粘接到第二匹配層上；不銹鋼管套內(nèi)壁與漆包線之間注有環(huán)氧灌封膠；PMN-PT晶體的負(fù)極與不銹鋼管套通過導(dǎo)電膠點(diǎn)粘；夾持部分套置在不銹鋼管套外；接線電纜部分與漆包線連接。本實(shí)用新型適用于高精度的聲場測量，能測量微弱聲信號。
【IPC分類】G01H11/08
【公開號】CN205280208
【申請?zhí)枴緾N201521043745
【發(fā)明人】俞曉霞, 蔣程含之, 王月兵, 曹永剛
【申請人】中國計(jì)量學(xué)院
【公開日】2016年6月1日
【申請日】2015年12月15日