[发明专利]PVDF/压电陶瓷收发换能器

说明书

技术领域

本发明属水声探测技术领域，具体涉及一种利用PVDF压电薄膜及压电陶瓷共同作为敏感元件，应用其压电效应发射和接收水声信号而实现水中探测的换能器，可广泛用于水下通信、探测、目标定位、跟踪等，是声纳系统的重要部件。

背景技术

水声换能器是将声能和电能进行相互转换的器件，其地位类似于无线电设备中的天线，是在水下发射和接收声波的关键器件。水下的探测、识别、通信，以及海洋环境监测和海洋资源的开发，都离不开水声换能器。换能器可分为发射型、接收型和收发两用型。将电信号转换成水声信号，并向水中辐射声波的换能器，称为发射换能器，发射换能器要求有比较大的输出声功率和比较高的电声转换效率。用来接收水中声波信号，将其转换成电信号的换能器为接收换能器，也常称为水听器，对接收换能器则要求宽频带和高灵敏度。既可以将声信号转换成电信号，又可以将电信号转换成声信号，用于接收或发射声信号的换能器称为收发换能器。

聚偏二氟乙烯（PVDF）是目前应用最广泛、最成功的铁电和压电高分子材料，它具有密度低、柔顺性好、制备简单、易成形、声阻抗低、易于与水形成良好的阻抗匹配、可制备成各种复杂形状和大面积均匀薄膜等优点。尽管铁电高分子材料压电应变常数很小，但由于其介电常数也很低，其压电电压常数和材料优值仍比PZT陶瓷高出一个数量级，尤其适合制备拖曳式大尺寸水听器阵列。然而由于PVDF的d33系数普遍较低，而且熔点低造成的温度稳定性不佳，同时由于其介电常数较小，且厚膜技术并不成熟，无法加载高压，极易击穿，所以一般仅用其制作水听器。

发明内容

本发明针对上述问题，提供一种采用PVDF薄膜以及压电晶堆作为敏感元件的换能器，能够提高换能器的能量转换效率，具有发射频带宽、接收灵敏度高的特点。

本发明采用的技术方案包括发射换能器和收发两用换能器，每种换能器又包括采用一个PVDF薄膜的单向换能器和采用两个PVDF薄膜的双向换能器。其中单向换能器必须采用发射端，双向换能器既可以采用发射端，也可以不采用发射端。下面分别进行说明：

一种PVDF/压电陶瓷换能器，为发射换能器，其包括：

PVDF薄膜；

发射端，连接所述PVDF薄膜；

压电陶瓷晶片堆，连接所述发射端，包括正向极化压电陶瓷片、金属垫片和反向极化压电陶瓷片；通过所述金属垫片引出电极，所有正极互相连通作为发射正极，所有负极互相连通作为发射负极。

进一步地，在上述发射换能器基础上增加前置放大电路，并电性连接所述PVDF薄膜的正极和负极，对由所述PVDF薄膜产生的微量电荷信号进行放大并输出电压信号，即可构成收发两用换能器。

进一步地，在上述换能器基础上采用两个PVDF薄膜，分别位于压电陶瓷晶片堆的两端，相应的发射端也为两个，即可构成双向换能器。

进一步地，当构成双向换能器时，也可以去掉发射端。

进一步地，在上述换能器基础上增加一外壳；所述PVDF薄膜、发射端（如果有发射端时）、压电陶瓷晶片堆和前置放大电路固定在该外壳内，该外壳上靠近所述PVDF薄膜的部分开口；所述发射正极和发射负极的引线，前置放大电路输出的电压信号的正负极引线，以及与前置放大电路连接的电源引线均从该外壳引出。

进一步地，所述发射端采用轻质材料，并采用变幅杆式结构。

本发明的换能器采用PVDF薄膜以及压电晶堆作为敏感元件，PVDF薄膜振动采用简支边界条件下薄膜的径向振动模态、压电晶堆振动采用厚度振动模态，通过模态耦合可获得较高的带宽，实现宽带发射声波。此外由于PVDF薄膜具有较低的声阻抗，换能器可以与水、人体组织等介质更好的匹配，提高换能器能量转换效率。因此本发明的换能器具有发射频带宽、接收灵敏度高等特点。另外，还可以采用直径很小的压电晶片堆带动很大面积的PVDF薄膜振动，这样可以增大发射面积，提高换能器的发射能力，同时又保证了换能器具有较低的重量。本发明可广泛用于水下通信、探测、目标定位、跟踪等，是声纳系统的重要部件。

附图说明

图1是本发明实施例的PVDF/压电陶瓷收发换能器结构示意图。

图2是本发明实施例的双向PVDF/压电陶瓷收发换能器结构示意图。

图中标号说明：1-PVDF薄膜，2-外壳盖，3-外壳，4-轻质发射端，5-正向极化压电陶瓷片，6-金属垫片，7-反向极化压电陶瓷片，8-前置放大电路，9-发射正极引线，10-发射负极引线，11-接收电源引线，12-接收信号正极引线，13接收信号负极引线。