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(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超聲無損檢測技術(shù)領(lǐng)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(shù)：
石油、天然氣、石化行業(yè)中運(yùn)輸和存儲腐蝕性物質(zhì)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(nèi)外表面極易出現(xiàn)腐蝕性缺陷，從而導(dǎo)致壁厚變薄，另外， 在外界條件作用下，存在的缺陷可能會進(jìn)一步導(dǎo)致應(yīng)力集中和自身擴(kuò)展，導(dǎo)致更大的安全隱患，因此，及時(shí)準(zhǔn)確地檢測到腐蝕性缺陷的幾何形態(tài)，實(shí)現(xiàn)對部件可靠性和使用壽命的有效無損評估和預(yù)測具有重要的意義。對腐蝕性缺陷幾何形態(tài)參數(shù)掌握的越多越詳細(xì)，對構(gòu)件的結(jié)構(gòu)完整性、可靠性和壽命評估或預(yù)測得就越準(zhǔn)確；但是，如何客觀真實(shí)和精確量化地得到平面腐蝕性缺陷的幾何形態(tài)參數(shù)，仍然是目前檢測技術(shù)難點(diǎn)之一。目前，能夠獲取構(gòu)件內(nèi)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(gòu)件內(nèi)部缺陷的尺寸、位置、形狀和方位等詳細(xì)信息，但是，這類方法的設(shè)備通常體積較大、適用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境、使用成本高、對人身體和環(huán)境有害，在工業(yè)現(xiàn)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(shù)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(nèi)部的缺陷或者目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對被檢對象的物理性能測量、組織結(jié)構(gòu)分析的無損檢測方法。其檢測過程是一個信號傳輸?shù)倪^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(zhì)中傳播，在與介質(zhì)內(nèi)部缺陷相互作用，最后攜帶著含有介質(zhì)信息和缺陷信息的超聲波信號被換能器接收并被轉(zhuǎn)換為電信號輸出，通過進(jìn)一步的分析處理，實(shí)現(xiàn)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(jīng)廣泛用于構(gòu)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(shí)發(fā)生的透射、反射、折射和衍射等現(xiàn)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(chǔ)是當(dāng)量類比法， 而缺陷的真實(shí)形狀和尺寸無法得知，更無法知道缺陷的幾何形態(tài)參數(shù)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(shí)間方法、聲強(qiáng)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(nèi)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(dāng)量尺寸，無法給出缺陷的形狀和方向信息；當(dāng)前在工業(yè)生產(chǎn)檢測領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用的超聲C掃查技術(shù)是通過控制換能器的運(yùn)動，在構(gòu)件不同位置激勵和接收超聲波來獲取各個點(diǎn)位信息，根據(jù)時(shí)間序列獲取缺陷圖像，這種方法盡管精度達(dá)到微米級，但是由于其檢測效率低、需要運(yùn)動控制機(jī)構(gòu)等，不能適應(yīng)大構(gòu)件缺陷狀況監(jiān)測的需求。
換能器陣列技術(shù)，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(shù)的優(yōu)點(diǎn)，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(guān)研究和專利情況目前，大多數(shù)的超聲陣列研究，都是基于相控陣換能器的基礎(chǔ)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(xué)的Rose教授提出了基于超聲導(dǎo)波SDC參數(shù)的腐蝕性缺陷成像算法，利用16個換能器構(gòu)成的圓環(huán)陣列，對腐蝕性缺陷引起的構(gòu)件厚度變化進(jìn)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(shí)現(xiàn)了對均勻缺陷的檢測；北京理工大學(xué)許寒暉對非規(guī)則換能器陣列的超聲導(dǎo)波成像技術(shù)進(jìn)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(dá)到了 0. 4mm，但是對于缺陷幾何形態(tài)的檢測，其很難實(shí)現(xiàn)；中北大學(xué)的王巴召教授開展了對管狀構(gòu)件的陣列超聲檢測技術(shù)研究，其采用6個換能器圍繞圓管均布，探頭直射的方式進(jìn)行圓管內(nèi)部人工缺陷的檢測，重構(gòu)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(shí)驗(yàn)室許寒暉申請的用于復(fù)合材料層合板缺陷定位的超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)(專利號CN 101571514A)，采用4個傳感器布置的正方形，對層合板內(nèi)的缺陷位置信息進(jìn)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(shù)采用旋轉(zhuǎn)換能器陣列的方法獲得多組位置信息，在對缺陷進(jìn)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(yīng)遠(yuǎn)程操作。中國專利CN 10115^46提供了一種針對醫(yī)療方面應(yīng)用的柔性超聲換能器陣列及其應(yīng)用裝置，該裝置能夠適應(yīng)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(shí)，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(shí)現(xiàn)點(diǎn)接觸或者面接觸，超聲傳播能量有限，不能適應(yīng)平板腐蝕性缺陷幾何形態(tài)的檢測要求。

發(fā)明內(nèi)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(yùn)動機(jī)構(gòu)，不能適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)θ毕莸倪h(yuǎn)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(shù)，實(shí)現(xiàn)對換能器陣列范圍內(nèi)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(chǎn)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(diào)理模塊、對壓電換能器產(chǎn)生和接收超聲波進(jìn)行控制的多路開關(guān)。其中，壓電換能器工作的激勵和接收信號調(diào)理模塊安裝和多路開關(guān)安裝在固定壓電換能器的固定支架一側(cè)，壓電換能器組件按照一定的幾何位置關(guān)系在固定支架上形成特定的陣列裝置。用于產(chǎn)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(yù)緊彈簧等組成。壓電晶片作用是在受到電信號激勵后產(chǎn)生振動發(fā)射超聲波(逆壓電效應(yīng))或?qū)⒔邮盏降某暡ㄞD(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(正壓電效應(yīng))。匹配層作用是保護(hù)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(shí)現(xiàn)檢測控制系統(tǒng)與換能器之間信號的傳輸。預(yù)緊彈簧對換能器作用到一定的預(yù)壓力，確保換能器匹配層能夠與被測平面緊密接觸?；瑒犹自谄鸬焦潭A(yù)緊彈簧作用的同時(shí)，也能夠保證換能器在預(yù)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(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)的復(fù)合材料構(gòu)成，其上具有與陣列換能器數(shù)量相對應(yīng)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(guān)系可以是圓形，其主要是根據(jù)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(diào)理模塊由激勵信號調(diào)理電路和接收信號調(diào)理電路構(gòu)成；其中，激勵信號調(diào)理模塊主要由D/A轉(zhuǎn)換器、電感、電容和電阻等元器件構(gòu)成的濾波及放大電路組成，接收信號調(diào)理模塊由A/D轉(zhuǎn)換器、電感、電容和電阻等元器件構(gòu)成的濾波及放大電路組成。壓電換能器多路開關(guān)具有高輸出驅(qū)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(guān)之間由與換能器數(shù)量相對應(yīng)的多根同軸芯線相連接。多路開關(guān)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(diào)理模塊和多路開關(guān)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(diǎn)在于1.采用壓電換能器陣列技術(shù)，壓電換能器具有不需要運(yùn)動，即可實(shí)現(xiàn)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(shù)，可以使超聲波聲場覆蓋陣列內(nèi)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(dú)立又相互聯(lián)系，便于實(shí)現(xiàn)模塊化；4.本發(fā)明的實(shí)際應(yīng)用簡單易行，因而在缺陷幾何形態(tài)檢測領(lǐng)域具有非常大的應(yīng)用潛力；5.本發(fā)明采用換能器固定的檢測方式，可以適應(yīng)惡劣環(huán)境下構(gòu)件的動態(tài)、遠(yuǎn)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(shù)，解決原來不能實(shí)現(xiàn)的檢測問題，可應(yīng)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(shí)際應(yīng)用價(jià)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(diào)理電路、多路開關(guān)、換能器陣列的連接關(guān)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(yù)緊彈簧之間的位置關(guān)系；圖3本發(fā)明的陣列換能器裝置的幾何位置關(guān)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(guān)的連接結(jié)構(gòu)關(guān)系。圖中符號說明1、激勵信號調(diào)理模塊，2、多路開關(guān)，3、接收信號調(diào)理模塊，4、換能器陣列，5、連接芯線，6、滑動套，7、26、預(yù)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(guān)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(fù)極引線，20、固定支架，24，多路開關(guān)控制線，25、激勵和接收信號線
五具體實(shí)施例方式本發(fā)明的具體實(shí)施方式
如下結(jié)合圖2、圖3、圖4對本發(fā)明的一種實(shí)施方式進(jìn)行說明。本發(fā)明包括激勵信號調(diào)理模塊1、多路開關(guān)2、接收信號調(diào)理模塊3、壓電換能器組件(包括滑動套6、預(yù)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(guān)控制線對、激勵和接收信號線25。參照圖2所示的位置關(guān)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(nèi)，超聲換能器傳感器蓋8部分深入到滑動套的里面，通過預(yù)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(diào)理模塊(1、；3)、對壓電換能器產(chǎn)生和接收超聲波進(jìn)行控制的多路開關(guān)2之間的連接關(guān)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(jié)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(nèi)上下自由運(yùn)動，在滑動套內(nèi)部預(yù)緊彈簧7的作用下，實(shí)現(xiàn)超聲換能器本體與待檢測構(gòu)件的緊密接觸?？刂崎_關(guān)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(nèi)部的引線 19與超聲壓電換能器的正負(fù)兩個電極相連；壓電換能器工作的激勵信號調(diào)理模塊通過輸入接口和與外來的控制信號和驅(qū)動電源相連，激勵信號調(diào)理電路的輸出接口與多路開關(guān)相連；接收信號的調(diào)理電路通過輸出接口與外部的信號數(shù)據(jù)處理單元相連，其輸入接口與多路開關(guān)相連。從多路開關(guān)輸出的超聲激勵信號通過多路開關(guān)與換能器相連的同軸芯線與超聲換能器陣列相連；經(jīng)過換能器接收的超聲電信號通過同軸芯線與多路開關(guān)接線區(qū)通過多路開關(guān)與接收信號調(diào)理電路的輸入端相連。多路開關(guān)2和壓電換能器工作的激勵和接收信號調(diào)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(cè)。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(gòu)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(quán)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(chǎn)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(diào)理模塊、對壓電換能器產(chǎn)生和接收超聲波進(jìn)行控制的多路開關(guān)，其特征在于，壓電換能器工作的激勵和接收信號調(diào)理模塊安裝和多路開關(guān)安裝在固定壓電換能器的固定支架一側(cè)， 壓電換能器組件按照一定的幾何位置關(guān)系固定在支架上形成特定的陣列裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于產(chǎn)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(yù)緊彈簧的連接安放在滑動套內(nèi)部，壓電換能器與滑動套之間具有一定預(yù)緊力，確保所有換能器都能與待測件緊密連接。
3.根據(jù)權(quán)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(qiáng)、具有高強(qiáng)度的復(fù)合材料加工而成，其上具有與陣列換能器數(shù)量相一致的階梯孔。
4.根據(jù)權(quán)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(guān)與壓電換能器工作的激勵和接收信號調(diào)理模塊固定在固定支架的一側(cè)，它們通過螺釘連接在一起。
5.根據(jù)權(quán)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(guān)系為圓形，也可根據(jù)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(jù)權(quán)利1所述的對壓電換能器產(chǎn)生和接收超聲波進(jìn)行控制的多路開關(guān)，其特征在于該開關(guān)通過外部控制系統(tǒng)給定的信號進(jìn)行相關(guān)開關(guān)的接通與切斷。
7.根據(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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?qū)θ魏胃g性缺陷的幾何形態(tài)等特征進(jìn)行檢測。
9.根據(jù)權(quán)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(shù)量根據(jù)檢測構(gòu)件的幾何外形和檢測精度要求確定。
10.根據(jù)權(quán)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(yuǎn)程實(shí)時(shí)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(chǎn)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(diào)理模塊、對壓電換能器產(chǎn)生和接收超聲波進(jìn)行控制的多路開關(guān)，其中，壓電換能器組件按照一定的幾何位置關(guān)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(yù)緊彈簧與固定支架柔性連接，實(shí)現(xiàn)各換能器與待測件之間緊密接觸。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于換能器固定即可實(shí)現(xiàn)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(nèi)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(shí)現(xiàn)模塊化；能夠應(yīng)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(yīng)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(quán)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(xiàn)東, 李喜朋, 潘勤學(xué), 肖定國, 趙新玉, 郝娟 申請人:北京理工大學(xué)