CN102798670A - 用于超声换能器的多部件式安装装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于超声换能器的多部件式安装装置。本发明涉及一种用于超声换能器(5)的多部件式安装装置(1，2)，其至少包括用于安装在超声测试探头的壳体(8)上的第一部件(1)，以及第二部件(2)，该第二部件(2)固持超声换能器，并且至少与超声换能器(5)成触碰式接触，优选成粘结性结合，其中，第二部件(2)由塑料制成，并且通过确切配合而连接到第一部件(1)上，并且第一部件(1)比第二部件(2)具有更大的硬度，具体而言具有更大的肖氏硬度、维氏硬度和/或洛氏硬度。

Description

用于超声换能器的多部件式安装装置

技术领域

本发明涉及用于探头壳体上或探头壳体中的超声换能器的安装装置，以及涉及用于借助于超声对测试对象进行非破坏性检查的一般的超声测试装置。

背景技术

超声检查的原理是已知的。它用来发现铸件缺陷或其它材料故障，诸如裂纹、凹穴、气泡缝等等。具体而言，检查棒材料的目的在于检查内部缺陷和审查表面缺陷，以及检查尺寸。在这种情况下，超声测试探头包括至少一个发送器，该至少一个发送器能够被电脉冲激励，以产生短的超声脉冲，超声脉冲被引导到测试对象的待检查的材料中。待检查的材料中的任何缺陷，例如裂纹、凹穴等，会导致所关注的脉冲有回声，回声反射回探头，并且由发送器接收，在这种情况下，发送器同时用作接收器；或者反射回声也能由测试探头的、设置在发送器附近的单独的接收器接收。测量原始脉冲和回声的返回脉冲之间的时延容许作出关于缺陷的浓度的结论。回声强度容许显示缺陷的大小，仅提及用于评估的这个可能性作为示例。此外，用空间解析进行缺陷确定也是可行的。具体而言，对缺陷确定的这个空间解析需要非常准确地定位产生超声的换能器。

通常，这样的换能器，例如一个或多个压电振荡器(诸如压电陶瓷元件)，设置在壳体中，壳体以各种方式设计而成，这取决于应用的情况。壳体和超声换能器(一个或多个)大体指的是超声测试探头。超声换能器以这样的方式设置在壳体中或壳体上，即，超声换能器的超声大体通过具有适当的厚度和声阻抗的耦合介质(诸如水)从换能器的发声表面进入待检查的测试对象。

例如，提供水区域，并且将其保持在超声换能器和待检查的测试对象之间，例如管道或棒。对于此目的，若干种技术是已知的，诸如使用浸入技术的检查、水坑(puddle)技术或利用引导的水射流。此外，还存在常常被称为SPS的、具有测试对象通路的密封的水室。在测试对象进入密封的水室之后，测试对象密封室入口和出口。水室装有水，以便实现测试探头和测试对象之间的耦合。此外，旋转式检查装置也是已知的。通过旋转包括测试探头的整个检查室而产生稳定的水套。将密封系统设置在入口和出口处会产生基本管状的水套，能通过该水套传送测试对象。

但是，超声或超声脉冲不仅以期望的方向而且以相反的方向发射。由于这个后侧脉冲在边界表面上反射，所以超声换能器会接收不需要的超声回声，该超声回声在对超声检查生成图像的情况下在图像中引起干扰或噪声。不会通过发声表面离开的这个声音因此必须被引导远离超声换能器，以及/或者尽可能被高效地吸收。

为了实现这一点，将超声换能器胶合到声学阻尼材料上。这个所谓的背衬材料容许在压电元件(一个或多个)的后侧上发射的超声波进入，通过吸收或扩散反射而将它们耦合出来，并且从而防止干扰。因而，适当的背衬材料展示尽可能高的超声吸收，以及在另一方面，具有适合于例如压电陶瓷的超声换能器材料的声阻抗。

为了实现测量的高空间解析，期望将换能器准确且可再现地布置或安装在壳体中，以及如果可应用的话，也将壳体准确且可再现地布置或安装在检查装置上。例如，背衬材料满足与工艺有关的要求是重要的，即经受住热工艺和机械制造工艺而没有任何损坏。为了确保换能器的恰当功能，此外，例如对于背衬、压电陶瓷、电路板、胶水等，必须确保成触碰式接触的材料的化学相容性，即所使用的材料对彼此不应具有负面影响，既对稳定性也对处理属性不应有负面影响；它们应当展示例如尺寸稳定性(即使在较高的温度处)，并且导致利用所使用的胶水有牢固的粘结性结合。

例如，已知的是提供由氧化铅组成的、用于将换能器安装在壳体上的单部件式安装装置，其中，铅材料本应进行以下两者：导致与壳体有机械连接，以及为背衬提供声学阻尼属性。由于其毒性的原因，使用氧化铅是有问题的，并且部分地甚至在法律上受到禁止。此外，使用不牢固地交联(cross-linked)的聚合物作为背衬材料也是已知的。但是，这样的背衬材料在机械处理方面通常展示不足。在对粘合剂进行机械处理、固化和干燥的期间出现较高温度的情况下，在背衬材料中会发生以热和/或机械的方式引起的应力和变形。由于这缺乏机械处理的可能性，所以提供用于在局部将换能器固定在壳体中的特殊固定协助是可行的，诸如固定凹槽。

发明内容

因此本发明的目标是提供一种用于超声换能器的安装装置，一方面，该安装装置满足需要的声学要求，诸如对不需要的声发射的阻尼和/或散射，以及另一方面，该安装装置还具有高的机械强度和良好的尺寸稳定性。

该目标由权利要求1的安装装置以及由从属权利要求的超声测试探头或超声测试装置实现。必须注意，单独在专利权利要求中引述的特征能以在技术上有意义的任何方式组合，并且能描绘本发明的其它实施例。描述具体而言连同附图额外地表征和详细说明了本发明。

本发明涉及一种用于超声换能器的多部件式安装装置。要宽泛地理解用语超声换能器，并且其包括例如单个压电陶瓷超声换能器(收发器)，以及能以相控方式受控制的成组的若干换能器(相控阵列)，诸如1.5D 2D相控阵列。此外，根据本发明的安装系统还适于具有平的发声表面的这样的换能器，以及具有弯曲的发声表面的这样的换能器。根据本发明的安装装置的特征在于其由多个部件组成，即，至少用于安装在超声测试探头的壳体上的较硬的第一部件，以及固持超声换能器且至少与超声换能器成触碰式接触的较软的第二部件。根据本发明，第一部件比第二部件具有更大的硬度，具体而言具有更大的肖氏硬度、维氏硬度和/或洛氏硬度。

要宽泛地理解用语“壳体”，而且它不需要全部或部分地封闭换能器的设计。例如，还包括板形设计。

在机械上较硬的第一部件的特征主要在于即使在机械应力下也有高形式的稳定性，而根据本发明由第一塑料制造而成的第二部件主要承担所谓的背衬的声学任务，即，吸收和/或散射换能器的不需要的声发射。

根据本发明，第一部件和第二部件通过确切配合(positive fit)而连接。因而，第二部件的“在声学上更活跃”但在机械上较不稳定的材料由第一部件稳定，由于第一部件的硬度的原因，第一部件为诸如机械加工的机械处理提供在确切位置上固持性地固定换能器所需的条件。通过确切配合而在两个部件之间进行连接会提供稳固的连接。此外，第二部件的塑料材料提供关于通常用来将压电陶瓷安装在第二部件上的粘合剂的特别良好的化学相容性。此外，第二部件的热膨胀系数是所使用的压电陶瓷的量级，使得避免相互连接部中的应力。选择一方面适于化学相容性而另一方面适于声学要求的第一塑料是本领域技术人员的职责。

优选地，第一部件基本由金属和/或陶瓷材料和/或第二塑料制造而成，第二塑料比第一塑料具有更大的硬度，具体而言具有更大的肖氏硬度。更优选地，第一部件完全由金属材料制成。

根据另一个优选实施例，第二部件以这样的方式构造而成，即，当安装装置安装在超声测试探头的壳体上时，第二部件与壳体不形成接触区域，以便防止在壳体和第二部件之间有直接的声学耦合。

例如通过舌槽连接，能实现第一部件和第二部件之间的确切配合式连接。优选地，在这种情况下，在第二部件上形成凹槽。

为了使第二部件实现有效的声学阻尼和/或散射作用，第一部件以这样的方式构造而成，即，第一部件与超声换能器不具有接触区域。

所使用的第一塑料为例如由硬质塑料(duroplastic)构成的模制材料。也称为硬质聚合物(duromers)的硬质塑料材料是由可固化的树脂制造而成的塑料。用硬质塑料模制而成的材料为第二部件提供需要的尺寸稳定性。

优选地，第一塑料优选地包括至少一种环氧树脂，更优选地双酚A环氧树脂。例如，这是以商品名“Araldit CY 221”销售的树脂，已经对其添加以商品名“Araldit 956”销售的环氧树脂作为硬化剂。

第二部件的树脂基质能包含由具有低的玻璃转变温度的聚合物构成的精细地分散的相。由于这个聚合物相，第二部件的阻尼属性得到相当大的改进，同时保持良好的尺寸稳定性。优选地，对树脂基质添加在室温处交联的硅橡胶(RTV)。阻尼作用能归因于聚合物相和硅橡胶的表面上的散射作用和反射，并且因此，能明确地调节声学阻尼作用。因为除了树脂基质中的聚合物相或硅橡胶的比例和粒度之外，在树脂基质和聚合物相或橡胶之间的相互作用也确定阻尼作用的质量。

大体上，根据本发明的第二部件具有足够的声阻抗，即，适合于换能器材料的声阻抗。阻抗有利地能由适当的颗粒形材料调节，即与塑料相比具有高的密度的材料，优选以相对于总材料的高达50体积％的比例将该材料添加到第二部件的材料中。密度优选≥3.5g/cm³，具体而言≥5g/cm³的这个添加物优选是无机填料，诸如三氧化钨，特别优选地三氧化二铋Bi₂O₃。能使用的其它添加物为例如氧化铝、铅-锆-钛酸盐。原则上，如果允许添加物导电的话，则能使用诸如铜、银和钨的金属粉末来提高声阻抗。为了避免沉淀，具体而言在粘性低的树脂混合物的情况下，可添加本质上已知的添加物，诸如高热所产生的硅酸。

优选地，填料的颗粒分布具有这样的D 50值，即，该D 50值在大约或刚好1μm至大约或刚好100μm的范围中，优选在大约或刚好10μm至50μm的范围中，优选在大约或刚好20μm至大约或刚好30μm的范围中，例如为大约或刚好25μm。

优选地，第二部件通过包覆式模制(overmold)在第一部件上而连接到第一部件上。例如，第一部件插入到成形模型的阴模中，并且部分地与第二部件的塑料材料进行包覆式模制。

根据一个优选实施例，第一部件包括用于安装第二部件的至少一个开口。因而在第一部件和第二部件之间实现特别耐用的连接。因而，具体而言，实现这样的情况，即，尽管在塑料中形成破裂和/或裂纹，第一部件与第二部件也不发生分离。

优选地，第二部件和第一部件构造成呈至少环节段形状。例如，第一部件和第二部件以这样的方式构造而成，即由内半径限定的第一部件的内部边界表面在由外半径限定的第二部件的外部边界表面的附近。

本发明进一步涉及一种超声测试探头，其包括前面描述的有利实施例中的一个中的至少一个超声换能器、壳体和多部件式安装装置。如上面提到的那样，要宽泛地理解用语超声换能器，并且其包括例如单压电陶瓷超声换能器(收发器)，以及能以相控的方式控制的成组的若干换能器(相控阵列)，诸如1.5D 2D相控阵列。此外，根据本发明的安装系统还适于具有平的发声表面的这样的换能器，以及具有弯曲的发声表面的这样的换能器。根据本发明的安装装置的特征在于由多个部件组成，即，至少用于安装在超声测试探头的壳体上的较硬的、特别优选为金属的第一部件，以及固持超声换能器且与超声换能器至少成触碰式接触的第二部件。要宽泛地理解用语“壳体”，并且其不需要全部或部分地封闭换能器的设计。例如，还包括板形设计的壳体。

为了在局部以可靠且可再现的方式固定安装装置，并且从而固定超声换能器，壳体和第一部件形成配合部，例如干涉配合部。例如，在壳体上提供导引销，在意图将安装装置安装在壳体上的情况下，导引销以确切配合的方式接合安装装置的第一部件的导引凹槽。通过机械加工将导引凹槽例如插入到第一部件的较硬的材料中。

优选地，换能器(一个或多个)限定面向待检查的测试对象的弯曲的或平的发声表面，并且第二部件优选地设置在换能器或多个换能器的、与发声表面相反的边界表面附近。例如，换能器胶合到这个第二部件上。

本发明进一步涉及用于对例如管道的测试对象进行超声检查的超声测试装置，其包括：上面描述的实施例中的一个中的至少一个超声测试探头、评估单元和用于在该至少一个测试探头和测试对象之间产生相对运动的器件。超声测试装置能包括用于在检查步骤期间和检查步骤之间中在测试探头和测试对象之间产生相对运动的器件。根据本发明，能使用各种技术来在测试对象和测试探头之间进行声学耦合：浸入技术、水坑技术或利用引导水射流。根据本发明，以下也是可行的：常常被称为SPS的、具有测试对象通路的密封的水室。在测试对象进入密封的水室之后，测试对象密封室入口和出口。水室装有水，以便在测试探头和测试对象之间实现耦合。此外，旋转式检查装置也是已知的。通过旋转包括测试探头的整个检查室来产生稳定的水套。将密封系统设置在入口和出口处会产生基本管状的水套，能通过该水套而传送测试对象。

附图说明

参照附图更加详细地阐明了本发明以及技术环境。必须注意，图描绘了本发明的特别优选的实施例，但本发明不限于此。图示意性地显示了：

图1显示了根据本发明的、具有管状测试对象的测试探头的示意图；

图2显示了沿着图1的截线AA得到的截面图；

图3显示了沿着图1的截线BB得到的截面图。

具体实施方式

图1是根据本发明的测试探头10的实施例的示意图。根据本发明的测试探头10用来借助超声对测试对象(在这种情况下，管道9)进行非破坏性检查。半环形状的超声换能器5通过双部件式安装装置1、2连接到壳体8上，仅部分地描绘了壳体8。半环形状的超声换能器5胶合到第二部件2上，第二部件2能够良好吸收由于其弯曲形状而在胶合期间需要的沿径向起作用的接触力。安装装置1、2包括通过确切配合而连接的两个同心地设置的半环形状的部件1、2：外部金属部件1和内部部件2。内部部件2由包括Araldit CY 221和Araldit HY 956作为硬化剂的环氧树脂成分制造而成。环氧树脂成分包括作为填料的氧化铋粉末(D50＝25μm)以及玻璃纤维和在室温处交联的硅橡胶的研磨过的且筛过的混合物。重量比为60∶12∶500∶30。通过将第一部件1插入到阴模和树脂中来实现在第一部件1和第二部件2之间的确切配合式连接，在硬化之前，树脂是可流动的，树脂被引入到模子中，以便在硬化之后形成第二部件2。在该过程中，第二部件2封闭形成于第一部件1上的环形凸出部4，并且穿透形成于凸出部4中的开口3。因而，部件1和部件2形成确切的舌槽连接，其中，第一部件1的凸出部4嵌到第二部件2的凹槽中。在机械上可处理的第一部件1用来安装在壳体8上，在这种情况下，仅部分地显示了壳体8。壳体8上的安装部包括形成于第一部件1上的凹槽6b的配合部，壳体上的凸出部6a闩锁到凹槽6b中。因而实现了在局部将安装装置1、2以及从而换能器5可再现地固定在壳体8上。第二部件2以这样的方式构造而成，即，在将第一部件1安装在壳体8上之后，第二部件2与壳体8形成间隙11，并且如图2显示的那样不与壳体8形成接触区域。

Claims (15)

1.一种用于超声换能器(5)的多部件式安装装置(1，2)，至少包括用于安装在超声测试探头的壳体(8)上的第一部件(1)，以及第二部件(2)，所述第二部件(2)固持所述超声换能器，并且至少与所述超声换能器(5)成触碰式接触，优选成粘结性结合，其中，所述第二部件(2)由第一塑料制成，并且通过确切配合而连接到所述第一部件(1)，并且所述第一部件(1)比所述第二部件(2)具有更大的硬度，具体而言具有更大的肖氏硬度、维氏硬度和/或洛氏硬度。

2.根据前一项权利要求所述的多部件式安装装置(1，2)，其特征在于，所述第一部件基本由金属和/或陶瓷材料和/或第二塑料制成，所述第二塑料比所述第一塑料具有更大的硬度，具体而言具有更大的肖氏硬度。

3.根据前述权利要求中的任一项所述的多部件式安装装置(1，2)，其特征在于，所述第二部件(2)以这样的方式构造而成，即，当所述安装装置(1，2)安装在所述超声测试探头的所述壳体(8)上时，所述第二部件(2)不与所述壳体(8)形成接触区域。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的多部件式安装装置(1，2)，其特征在于，所述第一部件(1)以这样的方式构造而成，即，所述第一部件(1)与所述超声换能器(5)不具有接触区域。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的多部件式安装装置(1，2)，其特征在于，所述第一塑料包括环氧树脂，优选双酚A环氧树脂，例如以商品名Araldit CY 221销售的树脂。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的多部件式安装装置(1，2)，其特征在于，所述第一塑料包括至少一种颗粒形填料。

7.根据前一权利要求所述的多部件式安装装置(1，2)，其特征在于，所述填料的颗粒分布具有这样的D50值，即，所述D50值在大约或刚好1μm至大约或刚好100μm的范围中，优选在大约或刚好10μm至50μm的范围中，更优选地在大约或刚好20μm至大约或刚好30μm的范围中，例如为大约或刚好25μm。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的多部件式安装装置(1，2)，其特征在于，所述第二部件(2)通过包覆式模制在所述第一部件(1)上而连接到所述第一部件(1)上。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的多部件式安装装置(1，2)，其特征在于，所述第一部件(1)包括用于安装所述第二部件(2)的至少一个开口(3)。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的多部件式安装装置(1，2)，其特征在于，所述第二部件(2)和所述第一部件(1)构造成呈至少环节段形状。

11.一种超声测试探头(10)，其包括根据权利要求1至10中的任一项所述的至少一个超声换能器(5)、壳体(8)和多部件式安装装置(1，2)。

12.根据前一项权利要求所述的超声测试探头(10)，其特征在于，所述壳体(8)和所述第一部件(1)形成配合部(6a，6b)，例如干涉配合部。

13.根据前两项权利要求中的任一项所述的超声测试探头(10)，其特征在于，所述超声测试探头(10)包括收发器(5)或相控阵列。

14.根据前述权利要求11至13中的任一项所述的超声测试探头(10)，其特征在于，所述换能器(一个或多个)(5)限定面向待检查的测试对象(9)的弯曲的或平的发声表面，并且所述第二部件(2)设置在所述换能器(5)或多个换能器的与所述发声表面相反的边界表面(7)附近，例如胶合到所述边界表面(7)上。

15.一种用于对诸管道的测试对象进行超声检查的超声测试装置，包括：根据前述权利要求11至14中的任一项所述的至少一个超声测试探头、评估单元，以及用于在所述至少一个测试探头和所述测试对象之间产生相对运动的器件。

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