專利名稱：一種入射角可調的周向導波換能器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種無損探傷換能器，尤其是涉及一種入射角可調的周向超聲導
波換能器，在較小的接觸面上實現對多種規(guī)格電站鍋爐小徑管整根管子的超聲波檢測。
背景技術：
現有的超聲導波換能器的組成結構主要有2種(l) 一種為單個換能器結構。包括 壓電晶片和圓柱形有機玻璃聲楔塊，其工作原理為在圓柱形有機玻璃聲楔塊的一端設置探 頭超聲導波反射圓錐面，采用與被檢管道的內徑相適配的外徑，其本質是橫波探傷。每個換 能器只能適用于某一固定規(guī)格的管子檢測，且有較大的檢測盲區(qū)。(2) —種為換能器陣列， 采用多個換能器組成陣列。其優(yōu)點是可以發(fā)射多種模式的超聲導波，但只適用于管徑較大 的壓力管道的檢測。 省煤器、水冷壁、過熱器和再熱器等受熱面管子(簡稱"鍋爐四管")，是電站鍋爐 非常重要的高溫承壓部件，70%左右的機組非正常停運原因是鍋爐四管的泄漏，因此對受 熱面進行檢驗是電力行業(yè)保證機組安全可靠運行的重要手段。受熱面管的特點是小徑薄 壁，在組成管屏時，由于其管間距很小，其可以放置檢測傳感器的面積很小，超聲傳感器只 能在1/3圓周移動，因此在安裝現場利用普通的超聲傳感器很難對受熱面管屏進行全面的 檢驗。

實用新型內容本實用新型的目的，就是提供一種入射角可調、在較小的接觸面上實現對多種規(guī) 格小徑薄壁管整根管子無損探傷的周向超聲導波換能器。 為實現上述目的，本實用新型的入射角可調的周向導波換能器，其特征是包括 —壓電晶片滑移塊，由接有換能器信號線的壓電晶片上表面粘結有背襯阻尼塊、 下表面粘結有有機玻璃塊構成，有機玻璃塊的下表面為內凹圓柱面，背襯阻尼塊上設有旋 鈕或手柄； —透聲鍥塊，上表面為與壓電晶片滑移塊下表面的內凹圓柱面適應的圓柱面，上 表面沿軸向剖分一半為光滑面，另一半設置有聲陷阱； —匹配塊，其頂面與透聲鍥塊底面為可拆連接，底面為與被檢測管子外表面配合 的圓柱面，該圓柱底面與透聲鍥塊的圓柱上表面軸線同向，且其最高點為透聲鍥塊圓柱的 圓心，保證超聲波在傳入被檢管子前，在有機玻璃內為直線傳播，并且其入射點正好落在匹 配塊圓弧內表面的最高點； —外殼，殼面上開有長形孔，讓壓電晶片滑移塊的旋鈕或手柄伸出，方便用手移動 壓電晶片滑移塊沿長形孔移動。 在上述基礎上，本實用新型還可以做進一步的完善改進 所述的壓電晶片滑移塊背襯阻尼塊上從上往下設有圓柱面墊、彈性墊；使得壓電 晶片滑移塊能壓貼在透聲鍥塊上表面上。[0012] 所述的外殼殼面上的開孔為在頂面上的橫向弧形長孔；所述的背襯阻尼塊上設有
手柄穿出外殼橫向長孔，使得壓電晶片滑移塊滑移時只能在透聲鍥塊光滑面上移動。 所述的背襯阻尼塊上兩相對側面設有旋鈕穿出外殼橫向長孔。 所述的聲陷阱為表面呈鋸齒形狀或鋸齒形狀并加貼附吸聲材料。 所述的透聲鍥塊和匹配塊可做成一體。 所述的外殼由內套、上套和夾緊螺套組成。 有益效果由于本實用新型的壓電晶片滑移塊可在透聲鍥塊的圓柱表面上滑動， 透聲鍥塊與匹配塊配合，使得超聲波在傳入被檢管子前，在有機玻璃內為直線傳播，并且其 入射點正好落在匹配塊圓弧內表面的最高點，匹配塊下端面形狀與被檢管子的外周弧面相 對應。通過調節(jié)超聲波入射角度，使得入射超聲波在被測量小徑管(電站鍋爐四管為主) 的外界面上產生折射，在金屬介質內形成正多邊形的超聲波傳播通道，在無缺陷狀態(tài)下，超 聲波以正多邊形周長為單聲程在入射點回歸換能器，并被接收。實際使用中，只需本換能器 在管子外表面移動約1/5或1/4的周長，即可實現對受熱面整個周向的質量檢測。本實用 新型解決了無法在安裝現場采用超聲波技術對受熱面管屏進行全面檢測的技術難題。
以下結合附圖和具體實施例對本實用新型做進一步的詳細說明。


圖1是本實用新型的設計原理示意圖； 圖2是本實用新型實施例一的外觀立體示意圖； 圖3是圖2所示的實施例一的立體剖視示意圖； 圖4是圖2所示的實施例一的剖視示意圖； 圖5是圖2所示的實施例一的透聲鍥塊俯視示意圖； 圖6是本實用新型實施例二的主視示意圖； 圖7是圖6所示的實施例二的剖視示意圖； 圖8是圖6所示的實施例二的俯視示意圖； 圖9是圖6所示的實施例二的壓電晶片滑移塊放大示意圖。 圖中1-壓電晶片滑移塊，102-壓電晶片，103-背襯阻尼塊，104-有機玻璃塊， 105-手柄或旋鈕，106-彈性墊，107-柱面墊，2-透聲鍥塊，201-聲陷阱，3-匹配塊，301-連 接件，4-外殼，401-橫向長孔，402-內套，403-上套，404-夾緊螺套，5-被測鋼管。
具體實施方式圖l所示為本實用新型的設計原理，利用換能器內附有壓電晶片的有機玻璃鍥 塊，在很寬范圍內調節(jié)超聲波入射角度，并與匹配塊的共同作用，使得入射超聲波在被測量 小徑管(電站鍋爐四管為主)的外界面上產生折射，在金屬介質內形成正多邊形的超聲波 傳播通道，在無缺陷狀態(tài)下，超聲波以正多邊形周長為單聲程在入射點回歸換能器，并被接 收。 從圖2至圖5可看到，本實用新型的入射角可調的周向導波換能器實施例一，包 括 —壓電晶片滑移塊1，由接有換能器信號線的壓電晶片102上表面粘結有背襯阻
4尼塊103、下表面粘結有有機玻璃塊104構成，有機玻璃塊104的下表面為內凹圓柱面，背襯 阻尼塊上設有手柄105。 —透聲鍥塊2，上表面為與壓電晶片滑移塊下表面的內凹圓柱面適應的圓柱面，上 表面沿軸向剖分一半為光滑面，另一半設置有聲陷阱201，參見圖5，本實施例的聲陷阱為 表面呈鋸齒形狀。 —匹配塊3，本實施例的匹配塊3與透聲鍥塊2做成了一體，匹配塊3底面為與被 檢測管子5外表面配合的圓柱面，該底面與透聲鍥塊上表面為同向不同軸的圓柱面，且兩 軸軸線距離等于被檢測管子半徑，也即該底面與透聲鍥塊上表面同向，且其最高點為透聲 鍥塊圓柱的圓心，如圖4所示，這樣就能保證超聲波在傳入被檢管子前，在有機玻璃內為直 線傳播，并且其入射點正好落在匹配塊3的內凹圓柱面的最高點。 —外殼4，由圓柱形的內套402、上套403和夾緊螺套404組成，內套、上套安裝在 做成了一體的匹配塊3與透聲鍥塊2外，上套夾在內套和上套中，上套頂面上開有橫向弧形 長孔401。 在壓電晶片滑移塊背襯阻尼塊上從上往下設有圓柱面墊107、彈性墊106 ;手柄 105穿出圓柱面墊107、彈性墊106，使得壓電晶片滑移塊能壓貼在透聲鍥塊上表面上。 背襯阻尼塊上的手柄105最后穿出外殼橫向長孔，使得用手移動壓電晶片滑移塊 時只能在透聲鍥塊光滑面上橫向移動，調節(jié)入射角。 圖6至圖9所示的本實用新型的實施例二，與前例不同之處在于外殼4為圓柱殼 加前后封口的端面，殼面上的開孔為開在兩端面的對應橫向弧形長孔；背襯阻尼塊上兩相 對側面設有旋鈕穿出外殼橫向長孔。 透聲鍥塊一半為光滑面，另一半設置有聲陷阱，目的是防止超聲波部分聲能在透 聲鍥塊和匹配塊邊界(入射點)上反射后，在有機玻璃內多次反射，返回到晶片被接受，加 大發(fā)射脈沖的寬度，形成固定的干擾雜波。聲陷阱采用鋸齒形狀，還可以在鋸齒面上貼附吸 聲材料等方法，保證通過聲陷阱吸收掉這部分聲能； 有機玻璃下表面內凹圓柱面的半徑必須與透聲鍥塊的一致，在應用中，可以通過 調節(jié)旋紐，使壓電晶片滑移塊1在透聲鍥塊2的弧面滑動，從而調節(jié)超聲波束的入射角度。 匹配塊3的圓柱面與透聲鍥塊配合，保證壓電晶片發(fā)射的聲脈沖到被檢管子的入 射點在匹配塊內弧面的最高點，同時也保證在入射角調節(jié)時超聲波在入射被檢管子前在匹 配塊3與透聲鍥塊中的聲程始終為一固定值(透聲鍥塊的圓弧半徑)。 選擇適合的壓電材料，可保證換能器的高靈敏度和寬帶，選取合適的背襯以及聲 阻抗相近的前匹配層來保證換能器的窄脈沖，以獲得高的分辨率。 換能器的頻率決定于晶片的厚度，為了制作合適頻率的換能器，必須調整晶片的 厚度。把低頻的厚晶片手工研磨至合適的厚度，其依據是使壓電晶片厚度為半波長。研磨 合適后再在晶片的兩面鍍上銀層作電極。 背襯阻尼塊的聲阻抗對換能器的帶寬及脈沖寬度有著至關重要的作用。假設粘接 層厚度為零，當壓電晶片的聲阻抗和背襯聲阻抗相等時，壓電晶片的背向輻射全部傳播到 背襯，背襯把晶片的背向輻射全部吸收，此時換能器的發(fā)射脈沖最窄。 背襯制作時，把鎢粉和環(huán)氧樹脂按一定的比例配好后，在不凝固的情況下，澆注到 有外殼的晶片背面。澆注時，在背襯和晶片的接觸層不能有氣泡，邊澆注邊加熱，使氣泡串出。澆注完成后，把半成品探頭放在烘箱里，恒溫8(TC烘烤3-4小時。 換能器采用環(huán)氧樹脂粘接，由于環(huán)氧樹脂的聲阻抗很低，與晶片、保護膜及背襯的 聲阻抗相差很大，其厚度對換能器的性能有很大影響。當粘接層厚度達到波長的1/400左 右時，其影響大致可忽略。 透聲鍥塊與匹配塊配合，保證超聲波在傳入被檢工件前，在有機玻璃內為直線傳 播，并且其入射點正好落在匹配塊圓弧內表面的最高點。 匹配塊主要根據被檢測管子的曲率進行設計制作，匹配塊非單一結構，可根 據電站管的典型規(guī)格受熱面(水冷壁、省煤器、過熱器、再熱器等各種小徑管)規(guī)格 (①51-①63. 5)，設計成系列的方便更換的結構。 匹配塊一面與被檢測管子弧面可以完全吻合；另外一面與換能器聲透層可以方便 地安裝和拆卸。 聲阻抗要求。采用與換能器透聲材料相同的有機玻璃。 匹配塊兩側設有螺栓連接結構，它與換能器金屬外殼上的螺栓結構配合，方便其 在應用中拆裝。
權利要求一種入射角可調的周向導波換能器，其特征是包括一壓電晶片滑移塊，由接有換能器信號線的壓電晶片上表面粘結有背襯阻尼塊、下表面粘結有有機玻璃塊構成，有機玻璃塊的下表面為內凹圓柱面，背襯阻尼塊上設有旋鈕或手柄；一透聲鍥塊，上表面為與壓電晶片滑移塊下表面的內凹圓柱面適應的圓柱面，上表面沿軸向剖分一半為光滑面，另一半設置有聲陷阱；一匹配塊，其頂面與透聲鍥塊底面為可拆連接，底面為與被檢測管子外表面配合的圓柱面，該底面與透聲鍥塊上表面同向，且其最高點為透聲鍥塊圓柱的圓心，保證超聲波在傳入被檢管子前，在有機玻璃內為直線傳播，并且其入射點正好落在匹配塊圓弧內表面的最高點；所述的有機玻璃塊、透聲鍥塊和匹配塊采用同質有機玻璃；一外殼，殼面上開有長形孔，讓壓電晶片滑移塊的旋鈕或手柄伸出，方便用手移動壓電晶片滑移塊沿長形孔移動。
2. 根據權利要求1所述的入射角可調的周向導波換能器，其特征是所述的壓電晶片滑移塊背襯阻尼塊上從上往下設有圓柱面墊、彈性墊；使得壓電晶片滑移塊能壓貼在透聲鍥塊上表面上。
3. 根據權利要求2所述的入射角可調的周向導波換能器，其特征是所述的外殼殼面上的開孔為在頂面上的橫向弧形長孔；所述的背襯阻尼塊上設有手柄穿出外殼橫向長孔，使得壓電晶片滑移塊滑移時只能在透聲鍥塊光滑面上移動。
4. 根據權利要求2所述的入射角可調的周向導波換能器，其特征是所述的背襯阻尼塊上兩相對側面設有旋鈕穿出外殼橫向長孔。
5. 根據權利要求3或4所述的入射角可調的周向導波換能器，其特征是所述的聲陷阱為表面呈鋸齒形狀或鋸齒形狀并加貼附吸聲材料。
6. 根據權利要求5所述的入射角可調的周向導波換能器，其特征是所述的透聲鍥塊和匹配塊可做成一體。
7. 根據權利要求6所述的入射角可調的周向導波換能器，其特征是所述的外殼由內套、上套和夾緊螺套組成。
專利摘要一種入射角可調的周向超聲導波換能器，在較小的接觸面上實現對多種規(guī)格電站鍋爐小徑管整根管子的超聲波檢測。本換能器的壓電晶片粘接固定在滑動塊上，滑動塊可以沿著透聲鍥塊的弧面移動，透聲鍥塊與匹配塊配合，使得超聲波在傳入被檢管子前，在有機玻璃內為直線傳播，并且其入射點正好落在匹配塊圓弧內表面的對稱點。通過調節(jié)超聲波入射角度，使得入射超聲波在被測量小徑管的外界面上產生折射，在金屬介質內形成正多邊形的超聲波傳播通道，在無缺陷狀態(tài)下，超聲波以正多邊形周長為單聲程在入射點回歸換能器，并被接收。本實用新型解決了無法在安裝現場采用超聲波技術對受熱面管屏進行全面檢測的技術難題。
文檔編號G01N29/22GK201497732SQ200920061610
公開日2010年6月2日 申請日期2009年7月31日 優(yōu)先權日2009年7月31日
發(fā)明者盧方龍, 張春雷, 胡平, 馬慶增 申請人:廣東電網公司電力科學研究院