CN102608221B - 用于复合材料检测的超声探头的换能传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于复合材料结构无损检测技术，涉及一种用于复合材料检测的超声探头的换能传感器。其特征在于，所说的声透镜[3]由环氧树脂制造；所说的压电晶体[2]由压电单晶体材料制造；所说的声阻尼块[4]的材料由钨粉、氧化硅纳米颗粒和环氧树脂混合组成；所说的声阻尼块[4]与压电晶体[2]按一定的体积比制造。本发明提出了一种高分辨率无盲区的用于复合材料检测的超声探头的换能传感器，提高了复合材料缺陷检测的能力，以及对复合材料中相近铺层缺陷的定量识别和深度定位能力。

Description

用于复合材料检测的超声探头的换能传感器

技术领域

本发明属于复合材料结构无损检测技术，涉及一种用于复合材料检测的超声探头的换能传感器。

背景技术

随着复合材料等在航空、航天、民航、交通、建筑、电力等工业领域的广泛应用，基于复合材料等结构设计和结构制造的许多关键工程结构、复杂结构不断在工程上得到装机应用，一般采用超声方法对复合材料结构件进行缺陷检测。目前的一种用于复合材料检测的超声探头的换能传感器结构参见图1，它由壳体1、压电晶体2、声透镜3、声阻尼块4、插座5、负电极引线6和正电极引线7组成；壳体1是一个非金属材料制造的圆筒，在圆筒的外表面有一个沿壳体1轴向伸展的引线槽1a，在引线槽1a的槽底、靠近壳体1下端的位置有一个与壳体1内孔贯通的穿线孔1b，声透镜3是单面凹透镜，声透镜3镶嵌在壳体1的下端口内，声透镜3的外圆周面与壳体1的内圆周面粘接为整体，声透镜3的凹面朝下；压电晶体2位于声透镜3的上面，压电晶体2的下表面与声透镜3的上表面贴合并粘接，负电极引线6的下端与压电晶体2的下表面焊接，负电极引线6从上述壳体1的穿线孔1b进入引线槽1a，负电极引线6的上端从引线槽1a的上槽口穿出后与插座5的一个接线端焊接，正电极引线7的下端与压电晶体2上表面的中心焊接，正电极引线7的上端从壳体1的上端口伸出后与插座5的另一个接线端焊接，在壳体1内、压电晶体2的上面灌注有声阻尼块4。所说的声透镜3一般由聚苯乙烯或者石英制造；所说的压电晶体2一般由PZT压电陶瓷材料制造；所说的声阻尼块4的材料配方与改性一般不公开；所说的声阻尼块4与压电晶体2的体积比配方一般不公开。目前的超声换能传感器的缺点是：产生的超声脉冲波为一个由多个脉冲周期组成的多周脉冲声波信号，进而使超声检测表面盲区显著增加，一般在2mm左右，使分辨率降低，而且阻尼特性不稳定。而单层复合材料铺层的厚度一般约0.13mm，当缺陷位于距离复合材料表面1～2mm厚以内时，来自缺陷的反射声波信号被淹没在来自被检测复合材料表面的声波反射信号中而无法识别，导致复合材料缺陷不能检出；同时对复合材料中相近铺层缺陷的定量识别和深度定位困难。

发明内容

本发明的目的是：提出一种高分辨率无盲区的用于复合材料检测的超声探头的换能传感器，以提高复合材料缺陷检测的能力，以及对复合材料中相近铺层缺陷的定量识别和深度定位能力。

本发明的技术方案是：用于复合材料检测的超声探头的换能传感器，它由壳体1、压电晶体2、声透镜3、声阻尼块4、插座5、负电极引线6和正电极引线7组成；壳体1是一个非金属材料制造的圆筒，在圆筒的外表面有一个沿壳体1轴向伸展的引线槽1a，在引线槽1a的槽底、靠近壳体1下端的位置有一个与壳体1内孔贯通的穿线孔1b，声透镜3是单面凹透镜，声透镜3镶嵌在壳体1的下端口内，声透镜3的外圆周面与壳体1的内圆周面粘接为整体，声透镜3的凹面朝下；压电晶体2位于声透镜3的上面，压电晶体2的下表面与声透镜3的上表面贴合并粘接，负电极引线6的下端与压电晶体2的下表面焊接，负电极引线6从上述壳体1的穿线孔1b进入引线槽1a，负电极引线6的上端从引线槽1a的上槽口穿出后与插座5的一个接线端焊接，正电极引线7的下端与压电晶体2上表面的中心焊接，正电极引线7的上端从壳体1的上端口伸出后与插座5的另一个接线端焊接，在壳体1内、压电晶体2的上面灌注有声阻尼块4；其特征在于，

(1)所说的声透镜3由环氧树脂制造；

(2)所说的压电晶体2由单晶压电材料制造；

(3)所说的声阻尼块[4]由下述材料制造：该材料由钨粉、环氧树脂和氧化硅纳米颗粒混合组成，环氧树脂的重量占材料重量的25％～50％，氧化硅纳米颗粒的重量占材料重量的1-2％，余量为钨粉；钨粉的纯度不小于99％，钨粉的粒度不小于200目；

(4)所说的声阻尼块[4]与压电晶体[2]的体积比为6×10⁴～12×10⁴。

本发明的优点是：提出了一种高分辨率无盲区的用于复合材料检测的超声探头的换能传感器，提高了复合材料缺陷检测的能力，以及对复合材料中相近铺层缺陷的定量识别和深度定位能力。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是壳体1的轴侧结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细说明。参见图1，用于复合材料检测的超声探头的换能传感器，它由壳体1、压电晶体2、声透镜3、声阻尼块4、插座5、负电极引线6和正电极引线7组成；壳体1是一个非金属材料制造的圆筒，在圆筒的外表面有一个沿壳体1轴向伸展的引线槽1a，在引线槽1a的槽底、靠近壳体1下端的位置有一个与壳体1内孔贯通的穿线孔1b，声透镜3是单面凹透镜，声透镜3镶嵌在壳体1的下端口内，声透镜3的外圆周面与壳体1的内圆周面粘接为整体，声透镜3的凹面朝下；压电晶体2位于声透镜3的上面，压电晶体2的下表面与声透镜3的上表面贴合并粘接，负电极引线6的下端与压电晶体2的下表面焊接，负电极引线6从上述壳体1的穿线孔1b进入引线槽1a，负电极引线6的上端从引线槽1a的上槽口穿出后与插座5的一个接线端焊接，正电极引线7的下端与压电晶体2上表面的中心焊接，正电极引线7的上端从壳体1的上端口伸出后与插座5的另一个接线端焊接，在壳体1内、压电晶体2的上面灌注有声阻尼块4；其特征在于，

(1)所说的声透镜3由环氧树脂制造；

(2)所说的压电晶体2由单晶压电材料制造；

(3)所说的声阻尼块[4]由下述材料制造：该材料由钨粉、环氧树脂和氧化硅纳米颗粒混合组成，环氧树脂的重量占材料重量的25％～50％，氧化硅纳米颗粒的重量占材料重量的1-2％，余量为钨粉；钨粉的纯度不小于99％，钨粉的粒度不小于200目；

(4)所说的声阻尼块[4]与压电晶体[2]的体积比为6×10⁴～12×10⁴。

本发明的工作原理是：

(1)由外部超声检测仪器，如北京航空制造工程研究所生产的FCC系列或者MUT系列复合材料超声检测仪器，通过插座5中的负电极引线6和正电极引线7，给压电晶体2施加一个激励电脉冲，压电晶体2在此激励脉冲作用下，通过压电晶体2自身的压电效应，产生超声脉冲声波，通过声阻尼块4对压电晶体2产生超声脉冲声波的时域特性进行改性，使压电晶体2产生超声脉冲声波达到单周特性，进而提高超声换能传感器的分辨率，减少超声表面检测盲区；通过声透镜3对压电晶体2产生的超声脉冲声波进行聚焦，形成聚焦脉冲声束；通过声学耦合介质，如水，将经过声透镜3聚焦后的聚焦脉冲声波传播到被检测复合材料中，进而在被检测复合材料中形成超声检测用的超声入射脉冲声波。

(2)入射脉冲声波在被检测复合材料中产生的反射声波沿着与入射声波相反的方向传播到声透镜3，再经声透镜3传播到压电晶体2，压电晶体2将该反射脉冲声波信号换能为电信号，经插座5中的负电极引线6和正电极引线7，将转换后的超声脉冲信号传送到外部超声检测仪器，如FCC系列或者MUT系列复合材料超声检测仪器，进行超声检测信号的处理和识别，进而实现复合材料的缺陷检测。由于本发明的用于复合材料检测的超声探头的换能传感器发射和接收的超声脉冲信号具有单周特性，因此：

①使超声表面检测盲区达到复合材料单个铺层的厚度，约0.13mm，即当被检测复合材料在第一个铺层界面出现了缺陷，利用本发明的用于复合材料检测的超声探头的换能传感器，都能检测该铺层的缺陷，进而实现对复合材料进行无表面检测盲区的超声检测；

②能够接收和区分被检测复合材料中相邻铺层界面产生的缺陷及其深度位置，从而极大地提高了复合材料超声检测分辨率和缺陷的深度定位准确性。

从而大大地提高了复合材料缺陷检测的能力，以及对复合材料中相近铺层缺陷的定量识别和深度定位能力。

实施例1

用于复合材料检测的超声探头的换能传感器的声透镜3选用618环氧树脂制造，压电晶体2选用单晶压电材料制造，声阻尼块4选用200目纯度为99％的钨粉、618环氧树脂和氧化硅纳米颗粒制造，环氧树脂的重量占材料重量的25％，氧化硅纳米颗粒的重量占材料重量的1％，余量为钨粉，声阻尼块4与压电晶体2的体积比为6×10⁴和12×10⁴。

实施例2

用于复合材料检测的超声探头的换能传感器的声透镜3选用618环氧树脂制造，压电晶体2选用单晶压电材料制造，声阻尼块4选用200目纯度为99％的钨粉、618环氧树脂和氧化硅纳米颗粒制造，环氧树脂的重量占材料重量的35％，氧化硅纳米颗粒的重量占材料重量的1％，余量为钨粉，声阻尼块4与压电晶体2的体积比为6×10⁴和12×10⁴。

实施例3

用于复合材料检测的超声探头的换能传感器的声透镜3选用618环氧树脂制造，压电晶体2选用单晶压电材料制造，声阻尼块4选用200目纯度为99％的钨粉、618环氧树脂和氧化硅纳米颗粒制造，环氧树脂的重量占材料重量的50％，氧化硅纳米颗粒的重量占材料重量的1％，余量为钨粉，声阻尼块4与压电晶体2的体积比为6×10⁴和12×10⁴。

采用上述3个实例设计制作了6种不同的用于复合材料检测的超声探头的换能传感器，分别与选用的FCC-B-1、FCC-D-1和MUT-1三种复合材料超声检测仪器匹配使用，对厚度在1～10mm之间的多种不同批次的实际复合材料结构进行了大量的实际测试和检测应用，检测结果表明，本发明的用于复合材料检测的超声探头的换能传感器很好地实现了复合材料高分辨率无表面盲区的缺陷超声检测，可以非常清晰地检出复合材料中向邻近铺层的缺陷，检测信号质量十分清晰，取得了非常好的实际效果。

Claims (1)

1.用于复合材料检测的超声探头的换能传感器，它由壳体[1]、压电晶体[2]、声透镜[3]、声阻尼块[4]、插座[5]、负电极引线[6]和正电极引线[7]组成；壳体[1]是一个非金属材料制造的圆筒，在圆筒的外表面有一个沿壳体[1]轴向伸展的引线槽[1a]，在引线槽[1a]的槽底、靠近壳体[1]下端的位置有一个与壳体[1]内孔贯通的穿线孔[1b]，声透镜[3]是单面凹透镜，声透镜[3]镶嵌在壳体[1]的下端口内，声透镜[3]的外圆周面与壳体[1]的内圆周面粘接为整体，声透镜[3]的凹面朝下；压电晶体[2]位于声透镜[3]的上面，压电晶体[2]的下表面与声透镜[3]的上表面贴合并粘接，负电极引线[6]的下端与压电晶体[2]的下表面焊接，负电极引线[6]从上述壳体[1]的穿线孔[1b]进入引线槽[1a]，负电极引线[6]的上端从引线槽[1a]的上槽口穿出后与插座[5]的一个接线端焊接，正电极引线[7]的下端与压电晶体[2]上表面的中心焊接，正电极引线[7]的上端从壳体[1]的上端口伸出后与插座[5]的另一个接线端焊接，在壳体[1]内、压电晶体[2]的上面灌注有声阻尼块[4]；其特征在于，

(1)所说的声透镜[3]由环氧树脂制造；

(2)所说的压电晶体[2]由压电单晶体材料制造；

(3)所说的声阻尼块[4]由下述材料制造：该材料由钨粉、环氧树脂和氧化硅纳米颗粒混合组成，环氧树脂的重量占材料重量的25％～50％，氧化硅纳米颗粒的重量占材料重量的1％～2％，余量为钨粉；钨粉的纯度不小于99％，钨粉的粒度不小于200目；

(4)所说的声阻尼块[4]与压电晶体[2]的体积比为6×10⁴～12×10⁴。

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