PVDF超聲檢測傳感器的原理與應用

陳樂利　談佩蕓　盧婉鈺　段旭斌　周進威

[摘要]本文介紹了聚偏二氟乙烯（PVDF）壓電薄膜材料的優缺點、傳感機理、制備方法及其應用。基于有限元方法研究PVDF圓膜并分析影響其聲學性能的因素，設計偏聚氟乙烯梳狀傳感器，探討其在薄鋼板檢測超聲導波的性能。

[關鍵詞]PVDF 壓電薄膜材料 梳狀傳感器

一、引言

目前，國內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，而且能夠產生檢測對象的圖像。陣列檢測技術既能提高檢測質量又能減少檢測時間。PVDF是一種半結晶性聚合物，由CF2CH2長鏈分子構成，廣泛應用于航空航天、鐵路、石油化工等現代工業領域。新型PVDF材料具有良好的力學與壓電性能，適用于制作聲波的接收器件，開發新型PVDF陣列的超聲波接收傳感器件具有下列優勢：①成本比相控陣檢測技術要低；②可用于測量薄膜材料的力學參數；③通過成像技術能夠得到薄膜材料亞表面特征和多個力學參數。本文對PVDF壓電薄膜材料的優缺點及傳感機理等進行概述，研究PVDF圓膜及其影響因素，并設計梳狀傳感器，探討其超聲檢測性能。

二、PVDF壓電薄膜

（--）PVDF壓電薄膜的優缺點

PVDF材料壓電應變常數低，機電耦合系數較小，壓電電壓常數高，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構；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；材質軟，易加工，可制成大面積陣列傳感器和各種不規則形狀傳感器；熱電性強，可制成火災報警器、防盜報警器、非接觸溫度計等。此外，PVDF薄膜還具有頻響寬、熱穩定性好等優點。

（二）PVDF壓電薄膜的傳感機理

PVDF壓電薄膜受力形變產生極化電荷，極化電荷的大小與分布與物體形變密切相關。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變總響應，強度較弱，須經運算放大器放大后，才可進行后續處理。

（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、小分子蒸發鍍膜法和壓膜法等。其中流延法對設備要求較低，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，經過濾、真空除氣泡、升溫蒸發等操作，除去NMP，在流延皿上形成一層薄膜，即為原始的PVDF薄膜。經拉伸、極化等后續工藝，可制得具有高壓電性的PVDF薄膜。

（四）PVDF壓電薄膜的應用

（1）檢測結構損傷。通過測量PVDF壓電傳感器輸出電壓，可有效準確地檢測結構損傷。例如利用PVDF壓電薄膜可面檢測和響應速度快的特性，可檢測金屬構件中裂紋的萌生、擴展及其斷裂的可能性。

（2）力學測量。根據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方程，可分析電信號與位移應變量之間的定量關系，得到電信號輸出結果。例如以傳感方程及偏轉角相關研究為基礎，將經典梁作為研究對象，根據梁的振動特性，設計正弦型PVDF壓電傳感器，測量梁的位移、角位移、應變等多種物理量。

（3）醫學檢測。PVDF壓電薄膜具有良好的機械柔性，可制成微創手術鉗，有效檢測目標器官內有無腫瘤及腫瘤準確的位置與大小；此外，PVDF壓電薄膜還可用于人體遠程監測，實現脈搏遠程測量，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圓膜設計在兩殼體之間，使其固定并施加張力，圓膜極化后呈現各向異性。檢測信號采用100KHz～500KHz的高頻信號，振動模式設為圓膜徑向伸縮振動。利用有限元模型對PVDF薄膜進行諧波響應分析，結果表明，PVDF圓膜在高頻段及固定邊界條件下可發生相對單一的諧振，滿足超聲檢測所需發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、峰值對應頻率減小；薄膜厚度增加，諧振頻率無明顯變化，聲壓級和靈敏度級峰值略有增加。可見，薄膜直徑對PVDF薄膜性能影響較大。

四、PVDF梳狀傳感器的設計及性能研究

（一）梳狀電極的設計

設計參數時，主要考慮了指條寬度a、指條長度1、指條間距d、指條數目n、周期節距s和電極寬度m。PVDF薄膜的峰值響應所需激勵頻率較高，因此PVDF薄膜無法在低頻區域被激勵。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、負電極與PVDF薄膜相連。采用單向換能器結構為傳感單元，針對激光激發的寬頻帶特征，采用多抽頭延遲線的設計表面波傳感器件。

五、結論

本文從優缺點、傳感機理等方面概述了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，分析了其聲學性能的影響因素；設計了偏聚氟乙烯（PVDF）梳狀傳感器。在本文工作的基礎上，下一步將對PVDF超聲傳感器進行更深入的探索，研究并改良PVDF超聲傳感器的制作工藝及性能檢測方法，改善國內在該領域研究的薄弱環節，提高我國基礎研究的國際競爭力、帶動新興學科的建設與發展、培養高級研究人才隊伍，發展和推動我國的研究水平和創新能力有著現實意義和必要性。