專利名稱：用于掃描成像裝置的輪式掃描探頭的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于掃描成像裝置的探頭，具體地說，涉及一種用于掃描成像裝置的輪式掃描探頭。
背景技術：
傳統(tǒng)的多通道成像技術利用超聲縱波探頭組成直探頭陣列或輪式探頭陣列對檢測對象進行電子掃描成像。由于在固體中存在波型轉換，傳統(tǒng)的縱波相控陣技術在用于固體介質的檢測時會遇到額外的干擾。另外，在粘接界面的液體夾層及零間隙脫粘的檢測中，采用超聲縱波無法檢測。
相對于縱波，橫波探測有其獨特的優(yōu)勢。從傳播理論可知，對于各向異性等復雜介質材料純橫波的散射、反射特性比較單純，采用橫波檢測有縱波無法達到的效果。在相同的頻率條件下，橫波波長比縱波波長幾乎要小一倍，因此對同樣大小的缺陷，橫波的反射能量相對也要大的多。同時，在對粘接界面缺陷中液體夾層的檢測中，橫波的靈敏度也遠比縱波高。
雖然在焊縫的超聲檢測中，有時使用橫波陣列探頭(Roy，O.，Mahaut，S.，Casula，O.，Development of a smart flexible transducer to inspect component ofcomplex geometrymodeling and experiment，AIP Conference Proceedingsno.615A908-14，2002)，但是，組成探頭陣列的陣元直接輻射縱波，然后傾斜入射在耦合界面上，利用波型轉換在檢測介質中產(chǎn)生橫波。這種利用波型轉換技術，產(chǎn)生橫波的效率受到影響，并常伴有縱波或表面波使其檢測受到影響。也有使用電磁聲技術產(chǎn)生SH橫波進行金屬板測厚[2]，但設備相對比較復雜，檢測條件要求高，且只適用于鐵磁性介質，目前也還沒有實際可以用于小當量缺陷檢測的產(chǎn)品。使用其他方法也能夠產(chǎn)生橫波([1].Murray，P.R.；Dewhurst，R.J.，Laser/EMAT measurement systems for ultrasound B-scan imaging，Sensors and theirApplications XI.Proceedings of the Eleventh Conference on Sensors and theirApplications169-74，2001；[2].Every，A.G.；Sachse，W.，Imaging of laser-generatedultrasonic waves in silicon，Physical Review B(Condensed Matter)，vol.44，no.136689-99，1 Oct.1991 LanguageEnglish；[3].汪承灝，喬東海，固體表面菲涅爾陣列產(chǎn)生的聲束聚焦的研究，聲學學報，Vol.24，No.4，1999，pp351-356)，但也常伴隨縱波，不能夠得到模式純凈的橫波輻射聲場。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術中掃描成像裝置的探頭不能直接發(fā)射橫波，因而效率低并限制其應用等缺點，通過設計可直接產(chǎn)生橫波的換能器單元，從而提供了一種用于掃描成像裝置的輪式掃描探頭。
本發(fā)明的技術方案為一種用于掃描成像裝置的輪式掃描探頭，該探頭包括一圓筒狀支撐體1和嵌套在筒內(nèi)的中空輪軸7；支撐體1外表面等間距分布有換能器單元2，換能器單元2呈長方體，其長度方向與支撐體1的軸線平行；換能器單元2沿支撐體1徑向所對應的支撐體1的內(nèi)表面設有兩個引出電極8；輪軸7設有兩個電極滑塊9，且分別通過電極壓簧10與兩個引出電極8電刷式連接；兩個電極滑塊9各有一根電極引線11通過輪軸7的中空部分引出到輪軸7外部；所述換能器單元2由壓電塊3和非壓電塊4組成；所述壓電塊3和非壓電塊4交錯放置；換能器單元2的上下表面分別覆蓋有上電極5和下電極6，分別與該換能器單元2對應的兩個引出電極8連接。
所述支撐體1和輪軸7之間采用軸承類或直接摩擦式連接方式。所述換能器單元2的寬度小于等于λ/2，其厚度小于等于λ/2，其中λ等于所需發(fā)射聲波的波長。相鄰換能器單元2之間的距離大于等于隔離換能器單元間耦合振動需要的最小距離。所述壓電塊3的偏振方向沿換能器單元2的長度方向或者寬度方向。該探頭還包括設置在所述換能器單元2聲輻射面上的保護膜，設置在所述換能器單元2背面上的背襯。
在實際使用時，可將本發(fā)明提供的輪式掃描探頭與現(xiàn)有技術的掃描成像裝置的發(fā)射/接收電路部分通過多束高頻屏蔽電纜連接，從而構成完整的多通道掃描成像裝置。
本發(fā)明提供的用于掃描成像裝置的輪式掃描探頭的優(yōu)點在于該探頭可以直接產(chǎn)生純橫波，避免了波型轉換帶來的能量損失或其它干擾，避免了固體中聲波波型轉換帶來的影響；使用該探頭，不僅可以利用電子相控技術實現(xiàn)對固體材料的垂直純橫波聲束電子掃描，還可對粘接界面的液體夾層及零間隙脫粘進行檢測。
本發(fā)明提供的用于掃描成像裝置的輪式掃描探頭，可用于固體材料的超聲無損檢測，其中包括粘接界面的質量評價。


圖1(a)是本發(fā)明輪式掃描探頭的正視圖；圖1(b)是本發(fā)明輪式掃描探頭的側視圖；圖2是圖1中換能器單元的結構示意圖；圖3是另一種換能器單元的結構示意4是應用本發(fā)明輪式掃描探頭的掃描成像裝置機械部分的結構示意圖；圖5是應用本發(fā)明輪式掃描探頭的掃描成像裝置電子部分的結構示意圖；圖面說明支撐體1換能器單元2 壓電塊3 非壓電塊4上電極5下電極6 輪軸7引出電極8電極滑塊9 電極壓簧10 電極引線1具體實施方式
下面結合附圖與具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細描述圖1是輪式掃描探頭的結構示意圖，圖1(a)是正視圖，圖1(b)是側視圖。該探頭整體上包括一環(huán)氧樹脂材料做成的圓筒狀支撐體1和嵌套在筒內(nèi)的中空輪軸7，它們之間采用軸承類或者直接摩擦式連接方式。支撐體1外表面一周等間距嵌有多個換能器單元2，相鄰換能器之間的間距為2毫米。換能器單元2呈長方體，其長度方向與支撐體1的軸線平行。每個換能器單元2都對應兩個引出電極8，引出電極8位于支撐體1的內(nèi)表面，且與對應的換能器單元2處于支撐體1的同一半徑方向。輪軸7上設有兩個電極滑塊9，且分別通過電極壓簧10與兩個引出電極8電刷式連接；兩個電極滑塊9各有一根電極引線11通過輪軸7的中空部分引出到輪軸7外部。
換能器單元2的一種結構如圖2所示，其寬度為0.8毫米，厚度為1.1毫米，長度為10毫米，該換能器單元2發(fā)射聲波的波長為3毫米(對應于檢測體為金屬鋼的情形)。換能器單元2上下表面分別覆蓋有上電極5和下電極6，這兩個電極用于分別與該換能器單元2對應的兩個引出電極8連接。換能器單元2由3個壓電塊3和4個非壓電塊4交錯放置組成，其偏振方向沿換能器單元2的長度方向；壓電塊3使用壓電材料，可以為鋯鈦酸鉛壓電陶瓷，如PZT-5A和PZT-4，也可用其它系列的壓電材料如鈦酸鋇、偏鈮酸鉛、鈮酸鉀鈉、鈦酸鉛壓電陶瓷或石英晶體。非壓電塊的材料為環(huán)氧樹脂如E-51，或其它雙酚A型環(huán)氧樹脂如E-44或E-55。
換能器單元2還可以有另外一種構成方式，如圖3所示，由7個壓電塊3和7個非壓電塊4交錯放置組成，其偏振方向沿換能器單元2的寬度方向。
換能器單元2的聲輻射面上設有材料為環(huán)氧樹脂加280目金剛砂的保護膜(未示出)，其中，金剛砂也可用硅酸鹽類微粉或剛玉類微粉等絕緣材料微粉代替。換能器單元2的背面設有環(huán)氧樹脂加金屬粉末的背襯(未示出)，例如加鎢粉。
應用本發(fā)明的輪式掃描探頭的掃描成像裝置，包括電子部分和機械部分。機械部分如圖4所示，電子部分如圖5所示。輪式掃描探頭與掃描架一起構成的輪式探頭掃描機構。掃描架由支撐導軌、掃描架基座、步進電機、電纜接頭組成。掃描架基座安裝在支撐導軌上，在步進電機的驅動下可以沿軌道移動。輪式掃描探頭安裝在基座的下方，掃描架可以給輪式掃描探頭施加一定的壓載荷。電纜接頭將來自輪式掃描探頭的電極引線11、步進電機的驅動/控制線分別與電子部分發(fā)射/接收電路、掃描控制驅動電路連接起來，其中電極引線11使用高頻同軸屏蔽電纜。
電子部分包括發(fā)射電路、接收電路、A/D轉換電路、工業(yè)控制計算機、顯示器、打印機。掃描系統(tǒng)包括掃描控制驅動電路和掃描驅動裝置。工業(yè)控制計算機負責設備的控制、波形處理、識別、分類和成像等工作。發(fā)射電路負責產(chǎn)生驅動壓電換能器的高壓脈沖信號，通常發(fā)射脈沖幅度≥200伏特，上升沿/下降沿≤10納秒。接收電路負責將接收到的信號放大，并送到A/D轉換電路，通常接收電路中的放大器帶寬≥15兆赫茲，增益≥64分貝，增益控制范圍≥74分貝。A/D轉換電路采用波形采集卡，使用不小于20兆赫茲采樣頻率采集回波信號并存放在雙端口存儲器中，最后將采集的波形數(shù)據(jù)送給工業(yè)控制計算機供處理、顯示。顯示器用于對設備系統(tǒng)實行菜單式操作和對回波信號波形實施實時監(jiān)視并顯示成像結果。打印機完成打印輸出成像結果及有關參數(shù)的功能。
開始掃描時，筒體上與電極滑塊連接的換能器單元位于筒體正下方和工件表面上，而其他單元則處于斷開狀態(tài)。此時發(fā)射電路發(fā)出激勵電脈沖，換能器單元向工件中輻射橫波。當接收電路收到來自工件的回波后，掃描控制電路發(fā)出掃描進行信號，掃描驅動電路驅動掃描架向前移動，筒體滾動到下一個換能器單元，進入新的掃描檢測循環(huán)。因此，本發(fā)明中，掃描速度應足夠小，以充分使得每個工作的換能器單元能夠接收到工件中可能存在的最遠缺陷的回波信號。
檢測過程中需要在工件表面涂抹橫波耦合劑如粘稠蜂蜜等，并施加一定的耦合壓力載荷，因此滾輪軸及筒狀支撐體的填充物、支撐導軌、掃描架等都應選用合適的材料使其具有一定的強度。
在圖4的掃描過程中，所實現(xiàn)的實際掃描區(qū)域為一系列平行排列的矩形掃描區(qū)域，這些區(qū)域給出了使用本發(fā)明的裝置進行掃描成像時的掃描覆蓋率或能達到的不漏檢缺陷的最小尺寸。
權利要求
1.一種用于掃描成像裝置的輪式掃描探頭，該探頭包括一圓筒狀支撐體(1)和嵌套在筒內(nèi)的中空輪軸(7)；其特征在于，支撐體(1)外表面等間距分布有換能器單元(2)，換能器單元(2)呈長方體，其長度方向與支撐體(1)的軸線平行；換能器單元(2)沿支撐體(1)徑向所對應的支撐體(1)的內(nèi)表面設有兩個引出電極(8)；輪軸(7)設有兩個電極滑塊(9)，且分別通過電極壓簧(10)與兩個引出電極(8)電刷式連接；兩個電極滑塊(9)各有一根電極引線(11)通過輪軸(7)的中空部分引出到輪軸(7)外部；所述換能器單元(2)由壓電塊(3)和非壓電塊(4)組成；所述壓電塊(3)和非壓電塊(4)交錯放置；換能器單元(2)的上下表面分別覆蓋有上電極(5)和下電極(6)，分別與該換能器單元(2)對應的兩個引出電極(8)連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的用于掃描成像裝置的輪式掃描探頭，其特征在于，所述支撐體(1)和輪軸(7)之間采用軸承類或直接摩擦式連接方式。
3.根據(jù)權利要求1所述的用于掃描成像裝置的輪式掃描探頭，其特征在于，所述換能器單元(2)的寬度小于等于λ/2，其厚度小于等于λ/2，其中λ等于所需發(fā)射聲波的波長。
4.根據(jù)權利要求1所述的用于掃描成像裝置的輪式掃描探頭，其特征在于，相鄰換能器單元(2)之間的距離大于等于隔離換能器單元間耦合振動需要的最小距離。
5.根據(jù)權利要求1所述的用于掃描成像裝置的輪式掃描探頭，其特征在于，所述壓電塊(3)的偏振方向沿換能器單元(2)的長度方向或者寬度方向。
6.根據(jù)權利要求1所述的用于掃描成像裝置的輪式掃描探頭，其特征在于，還包括設置在所述換能器單元(2)聲輻射面上的保護膜。
7.根據(jù)權利要求1所述的用于掃描成像裝置的輪式掃描探頭，其特征在于，還包括設置在所述換能器單元(2)背面上的背襯。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于掃描成像裝置的輪式掃描探頭。該探頭包括一圓筒狀支撐體和嵌套在筒內(nèi)的中空輪軸；支撐體外表面等間距分布有換能器單元；換能器單元沿支撐體徑向所對應的支撐體的內(nèi)表面設有兩個引出電極。輪軸設有兩個電極滑塊，且分別通過電極壓簧與兩個引出電極電刷式連接；兩個電極滑塊各有一根電極引線通過輪軸的中空部分引出到輪軸外部；換能器單元由壓電塊和非壓電塊組成；壓電塊和非壓電塊交錯放置；換能器單元的上下表面分別覆蓋有上電極和下電極，分別與該換能器單元對應的兩個引出電極連接。本發(fā)明提供的用于掃描成像裝置的輪式掃描探頭，可用于固體材料的超聲無損檢測，其中包括粘接界面的質量評價。
文檔編號G01N29/24GK1530649SQ0311958
公開日2004年9月22日 申請日期2003年3月12日 優(yōu)先權日2003年3月12日
發(fā)明者李明軒, 廉國選, 王小民, 毛捷, 楊玉瑞, 李順, 葉青 申請人:中國科學院聲學研究所