專利名稱：平面腐蝕性缺陷幾何形態(tài)陣列超聲換能器裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于超聲無損檢測技術領域。具體地說，本發(fā)明涉及一種超聲波換能器裝置，這里的換能器裝置是指與超聲檢測方法相匹配的換能器陣列裝置。
背景技術：
石油、天然氣、石化行業(yè)中運輸和存儲腐蝕性物質的容器以及船舶和飛行器等平面外殼因使用環(huán)境的影響，在其內外表面極易出現腐蝕性缺陷，從而導致壁厚變薄，另外， 在外界條件作用下，存在的缺陷可能會進一步導致應力集中和自身擴展，導致更大的安全隱患，因此，及時準確地檢測到腐蝕性缺陷的幾何形態(tài)，實現對部件可靠性和使用壽命的有效無損評估和預測具有重要的意義。對腐蝕性缺陷幾何形態(tài)參數掌握的越多越詳細，對構件的結構完整性、可靠性和壽命評估或預測得就越準確；但是，如何客觀真實和精確量化地得到平面腐蝕性缺陷的幾何形態(tài)參數，仍然是目前檢測技術難點之一。目前，能夠獲取構件內部缺陷幾何形態(tài)信息的無損檢測方法主要有射線和超聲兩大類方法；射線(含工業(yè)CT)檢測方法可以得到構件內部缺陷的尺寸、位置、形狀和方位等詳細信息，但是，這類方法的設備通常體積較大、適用于實驗室環(huán)境、使用成本高、對人身體和環(huán)境有害，在工業(yè)現場使用受到很大限制，不易檢測大型工件。超聲檢測作為一個具有使用方便、對人、生物和環(huán)境無害、使用成本低的檢測技術手段，它是以超聲波作為信息載體，在不損壞被檢測對象的前提下，檢測其內部的缺陷或者目標，實現對被檢對象的物理性能測量、組織結構分析的無損檢測方法。其檢測過程是一個信號傳輸的過程，先由輸入的電信號激勵換能器超聲超聲信號，聲波在介質中傳播，在與介質內部缺陷相互作用，最后攜帶著含有介質信息和缺陷信息的超聲波信號被換能器接收并被轉換為電信號輸出，通過進一步的分析處理，實現檢測目的，目前，以非聚焦、聚焦、陣列等多種形式的超聲波已經廣泛用于構件缺陷的無損檢測。通用的超聲檢測方法是通過對超聲波在固體中傳播時發(fā)生的透射、反射、折射和衍射等現象的分析來判斷固體中缺陷的位置和大小，這種判斷的理論基礎是當量類比法， 而缺陷的真實形狀和尺寸無法得知，更無法知道缺陷的幾何形態(tài)參數和尖銳程度。目前，國際上利用超聲方法獲得缺陷幾何尺寸信息的方法有四類散射傳播時間方法、聲強度分布方法、脈沖回波圖象法、聲全息圖方法，上述四種方法基本上都是采用單晶傳感器及其組合，信息量有限，在檢測條件良好情況下，可以較精確地給出缺陷的具體位置，但是給出缺陷的尺寸誤差很大，不能給出缺陷的形狀，國內主要開展了對TOFD方法和超聲能量穿透和衰減方法的研究，這兩種方法只能給出缺陷大致的當量尺寸，無法給出缺陷的形狀和方向信息；當前在工業(yè)生產檢測領域得以廣泛應用的超聲C掃查技術是通過控制換能器的運動，在構件不同位置激勵和接收超聲波來獲取各個點位信息，根據時間序列獲取缺陷圖像，這種方法盡管精度達到微米級，但是由于其檢測效率低、需要運動控制機構等，不能適應大構件缺陷狀況監(jiān)測的需求。
換能器陣列技術，是一種新的超聲波換能器配置方式，它不但能夠繼承傳統(tǒng)超聲檢測技術的優(yōu)點，而且能對腐蝕性缺陷的幾何形態(tài)、方向、深度等信息給予全面的檢測。相關研究和專利情況目前，大多數的超聲陣列研究，都是基于相控陣換能器的基礎上開展的；利用非相控陣換能器開陣陣列的研究，目前的研究成果不多，美國賓夕法尼亞大學的Rose教授提出了基于超聲導波SDC參數的腐蝕性缺陷成像算法，利用16個換能器構成的圓環(huán)陣列，對腐蝕性缺陷引起的構件厚度變化進行檢測，獲得了較好的檢測效果，但是該檢測方法對腐蝕性缺陷的幾何形態(tài)的檢測效果并不理想，僅實現了對均勻缺陷的檢測；北京理工大學許寒暉對非規(guī)則換能器陣列的超聲導波成像技術進行了研究，提出基于橢圓定位法的缺陷成像原理，對缺陷的定位誤差達到了 0. 4mm，但是對于缺陷幾何形態(tài)的檢測，其很難實現；中北大學的王巴召教授開展了對管狀構件的陣列超聲檢測技術研究，其采用6個換能器圍繞圓管均布，探頭直射的方式進行圓管內部人工缺陷的檢測，重構出了缺陷的位置和類型，但對位于圓管表面的缺陷，由于圓環(huán)陣列的聲場盲區(qū)的存在，其在幾何形態(tài)方面不能給予很好的解決。本實驗室許寒暉申請的用于復合材料層合板缺陷定位的超聲導波檢測技術(專利號CN 101571514A)，采用4個傳感器布置的正方形，對層合板內的缺陷位置信息進行檢測，通過聚類分析的方法對多組超聲信息處理之后獲取缺陷的位置信息，該技術采用旋轉換能器陣列的方法獲得多組位置信息，在對缺陷進行檢測過程中，僅能獲取缺陷的位置信息，檢測效率較低，不能適應遠程操作。中國專利CN 10115^46提供了一種針對醫(yī)療方面應用的柔性超聲換能器陣列及其應用裝置，該裝置能夠適應不同的表面形狀，但是該柔性換能器由于其換能器的位置不固定，因而其對缺陷的檢測性能不穩(wěn)定，同時，由于采用小直徑的探頭，其激發(fā)能量較低，不適于檢測較大范圍，再者，該陣列換能器只能與曲面實現點接觸或者面接觸，超聲傳播能量有限，不能適應平板腐蝕性缺陷幾何形態(tài)的檢測要求。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是解決以上所述的超聲檢測方法中，位置固定探頭檢測精度低、對缺陷幾何形態(tài)無法檢測，動態(tài)超聲C掃換能器位置不固定，需要增加掃查運動機構，不能適應工業(yè)生產領域對缺陷的遠程動態(tài)監(jiān)測問題，而提供的一種平面腐蝕性缺陷幾何形態(tài)陣列超聲換能器裝置，該裝置從換能器陣列入手，基于換能器激勵和接收技術，實現對換能器陣列范圍內部件的超聲波全覆蓋，克服了常規(guī)探頭配置精度低、動態(tài)掃查效率低的問題。本發(fā)明提供一種平面腐蝕性缺陷幾何形態(tài)陣列超聲換能器裝置，包括用于產生和接收超聲波的壓電超聲換能器組、用于固定壓電換能器的固定支架、壓電換能器工作的激勵和接收信號調理模塊、對壓電換能器產生和接收超聲波進行控制的多路開關。其中，壓電換能器工作的激勵和接收信號調理模塊安裝和多路開關安裝在固定壓電換能器的固定支架一側，壓電換能器組件按照一定的幾何位置關系在固定支架上形成特定的陣列裝置。用于產生激勵和接收超聲波的壓電超聲換能器主要由壓電晶片、匹配層、背襯層、 連接芯線、滑動套和預緊彈簧等組成。壓電晶片作用是在受到電信號激勵后產生振動發(fā)射超聲波(逆壓電效應)或將接收到的超聲波轉換成相應的電信號(正壓電效應)。匹配層作用是保護壓電晶片并改善晶片與被測工件之間的耦合狀況。背襯層的作用是使晶片的振動易于停止以形成窄脈沖，并用來吸收晶片背面發(fā)射的聲波。連接芯線的功用是實現檢測控制系統(tǒng)與換能器之間信號的傳輸。預緊彈簧對換能器作用到一定的預壓力，確保換能器匹配層能夠與被測平面緊密接觸。滑動套在起到固定預緊彈簧作用的同時，也能夠保證換能器在預壓過程中具有一定的滑動位移。固定壓電換能器的固定支架采用具有強度高、耐腐蝕性強的復合材料構成，其上具有與陣列換能器數量相對應的階梯孔，其中階梯孔的小直徑與換能器的直徑之間為間隙配合；滑動套筒與階梯孔的大直徑之間為過渡配合，階梯孔的幾何位置關系可以是圓形，其主要是根據換能器陣列的幾何位置相一致。壓電換能器工作的激勵和接收信號調理模塊由激勵信號調理電路和接收信號調理電路構成；其中，激勵信號調理模塊主要由D/A轉換器、電感、電容和電阻等元器件構成的濾波及放大電路組成，接收信號調理模塊由A/D轉換器、電感、電容和電阻等元器件構成的濾波及放大電路組成。壓電換能器多路開關具有高輸出驅動能力、輸出通道高電壓隔離、隔離輸出通道的D型接口，它具有一個多管腳的輸出輸入接口和多路收發(fā)控制接口。換能器陣列與多路開關之間由與換能器數量相對應的多根同軸芯線相連接。多路開關與外部終端采用電纜通過DIP插槽相連。壓電換能器采用平面壓電晶片。換能器陣列采用性能和型號統(tǒng)一的壓電換能器，其具有良好的一致性和互換性。信號調理模塊和多路開關通過螺釘連接。本發(fā)明所述的平面腐蝕性缺陷陣列超聲換能器裝置的優(yōu)點在于1.采用壓電換能器陣列技術，壓電換能器具有不需要運動，即可實現對平面腐蝕性缺陷的幾何形態(tài)、大小、方向及深度的完全檢測，檢測效率高；2.采用換能器陣列技術，可以使超聲波聲場覆蓋陣列內部的所有區(qū)域，檢測精度尚；3.本發(fā)明將換能器采用性能和型號統(tǒng)一的配置，各部分相互獨立又相互聯系，便于實現模塊化；4.本發(fā)明的實際應用簡單易行，因而在缺陷幾何形態(tài)檢測領域具有非常大的應用潛力；5.本發(fā)明采用換能器固定的檢測方式，可以適應惡劣環(huán)境下構件的動態(tài)、遠程健康狀況監(jiān)測。6.基于本發(fā)明，有利于發(fā)展新的超聲檢測方法和技術，解決原來不能實現的檢測問題，可應用于常規(guī)超聲工業(yè)無損檢測以及有特殊檢測需求的場合，實際應用價值高；
四

圖1本發(fā)明平面腐蝕性缺陷幾何形態(tài)陣列超聲換能器裝置示意圖，顯示了信號調理電路、多路開關、換能器陣列的連接關系；圖2本發(fā)明壓電換能器組件的剖面示意圖，顯示了壓電換能器晶片、套筒、預緊彈簧之間的位置關系；圖3本發(fā)明的陣列換能器裝置的幾何位置關系示意圖4本發(fā)明的固定支架的剖面示意圖，顯示了固定支架、換能器、多路開關的連接結構關系。圖中符號說明1、激勵信號調理模塊，2、多路開關，3、接收信號調理模塊，4、換能器陣列，5、連接芯線，6、滑動套，7、26、預緊彈簧、8、傳感器蓋，9、非金屬套，10、金屬外殼，11、21、背襯層， 12、22、壓電晶體片，13、23、匹配層，14、多路開關接線區(qū)，15、超聲換能器與滑動套組合，16、 17同軸芯線，18、滑動套頂端接線觸頭，19、換能器正負極引線，20、固定支架，24，多路開關控制線，25、激勵和接收信號線
五具體實施例方式本發(fā)明的具體實施方式
如下結合圖2、圖3、圖4對本發(fā)明的一種實施方式進行說明。本發(fā)明包括激勵信號調理模塊1、多路開關2、接收信號調理模塊3、壓電換能器組件(包括滑動套6、預緊彈簧、換能器殼體(8、9、10)、連接芯線5、壓電晶片12、匹配層13、背襯層11)、固定支架20、外部連接線16、多路開關控制線對、激勵和接收信號線25。參照圖2所示的位置關系，用膠將匹配層13和壓電晶體片12粘貼在一起，壓電晶體片12和匹配層的13組合安裝在換能器的最下端，背襯層11安裝在由換能器非金屬套9 和壓電晶體片12組合所封閉的密閉空腔內，超聲換能器傳感器蓋8部分深入到滑動套的里面，通過預緊彈簧7與滑動套的頂端連接在一起。單個滑動套與換能器組成的換能器組合與固定壓電換能器的固定支架20、壓電換能器工作的激勵和接收信號調理模塊(1、；3)、對壓電換能器產生和接收超聲波進行控制的多路開關2之間的連接關系如圖4所示，滑動套6通過過渡配合的方式與固定之間的階梯孔緊密結合在一起，其下端被階梯孔凸臺支撐，起到固定滑動套6上下位置的作用，超聲換能器金屬外殼10通過間隙配合的方式固定在階梯孔的小直徑部分，并且換能器本體可以在階梯孔的小直徑內上下自由運動，在滑動套內部預緊彈簧7的作用下，實現超聲換能器本體與待檢測構件的緊密接觸?？刂崎_關輸出的同軸芯線17通過滑動套頂端的接線觸頭18和滑動套內部的引線 19與超聲壓電換能器的正負兩個電極相連；壓電換能器工作的激勵信號調理模塊通過輸入接口和與外來的控制信號和驅動電源相連，激勵信號調理電路的輸出接口與多路開關相連；接收信號的調理電路通過輸出接口與外部的信號數據處理單元相連，其輸入接口與多路開關相連。從多路開關輸出的超聲激勵信號通過多路開關與換能器相連的同軸芯線與超聲換能器陣列相連；經過換能器接收的超聲電信號通過同軸芯線與多路開關接線區(qū)通過多路開關與接收信號調理電路的輸入端相連。多路開關2和壓電換能器工作的激勵和接收信號調理模塊(1、；3)通過螺釘連接的方式連接在如圖3所示的固定支架一側。多個相同的超聲換能器與滑動套的組合通過相同的連接方式形成特定陣列，構成如圖3所示的檢測腐蝕性缺陷幾何形態(tài)的陣列超聲換能器裝置。
權利要求
1.一種平面腐蝕性缺陷幾何形態(tài)陣列超聲換能器裝置，包括用于產生和接收超聲波的壓電超聲換能器組、用于固定壓電換能器的固定支架、壓電換能器工作的激勵和接收信號調理模塊、對壓電換能器產生和接收超聲波進行控制的多路開關，其特征在于，壓電換能器工作的激勵和接收信號調理模塊安裝和多路開關安裝在固定壓電換能器的固定支架一側， 壓電換能器組件按照一定的幾何位置關系固定在支架上形成特定的陣列裝置。
2.根據權利要求1所述的用于產生和接收的壓電超聲換能器，其特征在于壓電換能器本體通過預緊彈簧的連接安放在滑動套內部，壓電換能器與滑動套之間具有一定預緊力，確保所有換能器都能與待測件緊密連接。
3.根據權利要求1所述的固定支架，其特征在于該固定支架采用耐腐蝕性強、具有高強度的復合材料加工而成，其上具有與陣列換能器數量相一致的階梯孔。
4.根據權利要求1所述的平面腐蝕性缺陷幾何形態(tài)陣列超聲換能器裝置，其特征在于多路開關與壓電換能器工作的激勵和接收信號調理模塊固定在固定支架的一側，它們通過螺釘連接在一起。
5.根據權利要求1所述的平面腐蝕性缺陷幾何形態(tài)陣列超聲換能器裝置，其特征在于該裝置的換能器陣列的幾何位置關系為圓形，也可根據待檢測表面的幾何形態(tài)改變?yōu)榫匦位蚍且?guī)則幾何形式。
6.根據權利1所述的對壓電換能器產生和接收超聲波進行控制的多路開關，其特征在于該開關通過外部控制系統(tǒng)給定的信號進行相關開關的接通與切斷。
7.根據權利2所述的壓電換能器，其特征在于壓電晶體片為平面圓形晶片。
8.根據權利要求1所述的平面腐蝕性缺陷幾何形態(tài)陣列超聲換能器裝置，其特征在于該裝置能夠對任何腐蝕性缺陷的幾何形態(tài)等特征進行檢測。
9.根據權利要求1所述的平面腐蝕性缺陷幾何形態(tài)陣列超聲換能器裝置，其特征在于該裝置的換能器數量根據檢測構件的幾何外形和檢測精度要求確定。
10.根據權利要求1所述平面腐蝕性缺陷幾何形態(tài)陣列超聲換能器裝置，其特征在于 該裝置可以用于腐蝕性缺陷的遠程實時健康監(jiān)測。全文摘要
本發(fā)明涉及一種平面腐蝕性缺陷幾何形態(tài)陣列超聲換能器裝置，包括用于產生和接收超聲波的壓電超聲換能器組、用于固定壓電換能器的固定支架、壓電換能器工作的激勵和接收信號調理模塊、對壓電換能器產生和接收超聲波進行控制的多路開關，其中，壓電換能器組件按照一定的幾何位置關系固定在支架上形成特定的陣列裝置，壓電換能器通過滑動套與預緊彈簧與固定支架柔性連接，實現各換能器與待測件之間緊密接觸。本發(fā)明的優(yōu)點在于換能器固定即可實現對缺陷的幾何形態(tài)的檢測，檢測效率高；聲場能夠覆蓋陣列內部的所有區(qū)域，檢測精度高；采用性能和型號統(tǒng)一的換能器配置，便于實現模塊化；能夠應用于常規(guī)超聲工業(yè)無損檢測以及有特殊檢測需求的場合，應用廣泛。
文檔編號G01N29/26GK102507748SQ20111036038
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月15日 優(yōu)先權日2011年11月15日
發(fā)明者劉釗, 周世圓, 孟凡武, 宋文濤, 徐春廣, 曹現東, 李喜朋, 潘勤學, 肖定國, 趙新玉, 郝娟 申請人:北京理工大學