CN103278570A - 一种用于金属材料检测的超声相控线阵换能器及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于金属材料检测的超声相控线阵换能器及制作方法，每个阵元由单个压电纤维复合材料通过具有导电和粘性的基体材料连接而成，垂直于阵元排列方向的每个阵元的侧面设置有与OPFC阻抗相匹配的金属电极层；所述的OPFC驱动/传感阵元（2）为具有正交异性性能的压电纤维复合材料。本发明具有正交异性特性，在工程应用中能减少侧面底面等反射干扰信号的影响，一定程度上增强了特定方向应力波激发与接收的能力，谐振频率为1.62MHz，适用于金属结构无损检测领域的应用。
Description
所属技术领域
本发明属于金属材料损伤检测领域，具体涉及一种用于超声相控阵扫描成像装置的线阵换能器技术。
背景技术
超声相控阵损伤检测技术始于20世纪60年代，由美国Conoco公司的Crawford等人率先提出[1]，他们利用超声相控阵技术控制声束检测管道中缺陷，但是直到90年代，由于相关技术与理论的发展未能足以将此思想形成到一定的技术平台，该技术还仅局限于实验室，尚未引起人们的注意。随着计算机技术的发展和信号处理技术的运用[2]，超声相控阵技术逐渐成为超声检测技术领域中一个新的技术热点。超声相控阵技术在早期主要应用于医疗领域[3]，如医学超声成像，一方面是由于超声波在医学应用中频率高（通常为5-10 MHz），波长短，能量较大，采用相控延时可聚焦成很细的定位声束，完全可抵达人体内部深处，另一方面，人体组织里只有骨骼能够传播横波，因此，医学超声应用基本采用纵波，易通过获得的反映组织信息实现超声成像，人体组织声阻抗相差不大，可利用不同组织间声阻抗差异来形成声波的反射、散射来识别不同软组织及各器官的形态与性质。
上世纪90年代以前，由于缺乏对多晶片探头进行快速激发所需的计算能力以及处理扫查产生的大量数据文件进行处理的能力，且对超声相控阵相关的理论研究和实践探索还不够透彻，一些关键的数字控制和信号处理技术尚未突破等，尚未形成足以支持数字化高性能超声相控阵对结构损伤检测系统研发的综合技术基础，因此，该技术在工业无损检测中的应用受限。1998年，相关文献报道了表面波及板波的专用相控阵换能器[4]，2000年以来，超声相控阵检测技术在国外得到了一定的发展并已开始应用于工业检测中，在超声相控阵检测中的金属焊缝检测方面形成了专利[5,6]，专利[5]中采用相控阵斜探头进行了单一方向的相控聚焦，专利[6]中采用转换开关激励多个驱动器形成阵列来监测金属焊缝缺陷，相关的研究涉及航空工业及核工业领域，如对汽轮机叶片根部和涡轮圆盘的相控阵检测[7]，核电站和航空材料的相控阵检测等[8]。2005年，加拿大的R/D TECH公司推出了商用超声相控阵扫描检测仪，其超声相控阵探头采用普通压电陶瓷线性阵列，容纳晶片60个，扫查角度配置为40°～70°，该仪器已经获得美国通用航空公司的认定；法国原子能委员会CAE研制了一套基于VXI总线的相控阵扫描聚焦系统，该系统可与多个常规阵列换能器相连[9]。在超声相控阵检测技术发展的同时，相控阵换能器性能的改进也得到了提高，2009年，美国的J.Ritter等采用压电复合晶体组成16阵元的线性阵列换能器，扫查角度范围为0°到70°，但这种换能器仅对铁介质检测较敏感[10]。同时，美国麻省理工大学的无损评价实验室成功地研制了用于混凝土评价的相控阵超声扫描装置，该装置可以初步探测出混凝土中钢筋的位置和走向，使得该技术的研究范围进一步扩大，但当时也仅用于检测最大粒径16mm的混凝土中较大尺度的损伤(20 mm×10 mm)缺陷[11]。2011年，美国、日本等国开始将超声相控阵检测技术应用于复杂焊接件损伤成像和光测成像中[12-14]。近年来，国外一些知名公司推出了便携式的相控阵仪器，可以实现现场动态波束控制、电子扫描和实时成像等功能[15-17]，如R-D tech、GE、Siemens公司等。超声相控阵检测领域逐步扩大。在超声相控阵检测技术诸多应用中，如能够使超声相控阵驱动器具备正交各向异性性能，预计将会更有效提高激发对信噪比，如能够预设精细可控强度信号补偿机制等措施，相控阵驱动器的抗干扰性能、检测精度的改进等，诸项功能的实现将对超声相控阵成像分辨率有着重要的影响。
在工程结构无损检测领域，由于相控阵检测控制系统的复杂性及成本费用高等因素使其应用受限，国产的商品化仪器还处于实验研究阶段，仅局限于借鉴和应用国外超声检测的现有设备进行工程检测。近年来，许多研究机构将国外超声相控阵设备应用于电力、钢轨等设施的检测中。2006年西气东输工程采用了国外进口的超声相控阵检测设备对天然气管道40多万个焊口进行全自动超声检测，大大提高了工作效率和缺陷检出率[18]。在仪器及测试系统研制方面，2002年以来，周琦、李新育等人先后研究了检测管道焊缝的超声相控阵检测相关技术[19,20]，但其换能器采用了普通压电陶瓷片阵列，不具备有效抗边界反射干扰波的功能。2003年清华大学施克仁教授的研究团队、鲍晓宇博士等设计实现了16通道超声相控阵检测实验系统[21,22]，研究了相控发射延时控制，进行了超声相控阵检测的基本试验，并且于近年开始了自适应聚焦、提高检测分辨率和柔性阵列相控阵相关技术方面的研究[23,24]；其它研究单位，如上海交通大学、天津大学等都在超声相控阵检测方面进行了理论和实验方面的探索，分析了影响阵列换能器的影响因素[25-27]；2007年电子测试技术国防科技重点实验室研究了基于复杂可编程逻辑器件（CPLD）的16通道相控阵发射系统的实现方法[28]。2008年中国科学院声学利用凹面线性相控阵聚焦对管材质量进行了扫描成像[29]。2009年中国航空综合技术研究所利用Focus32超声相控阵水浸系统环形阵列对铝合金盘件进行了分辨力影响因素分析[30]。2012年底，广州多浦乐电子科技有限公司通过“超声相控阵检测技术的研发”科学技术成果鉴定会，自主研发出新一代Phascan系列超声相控阵检测设备，相控阵换能器阵元数达128，阵元中心距 0.8mm，角度精度为0.1mm，延时精度达2.5ns,可实现复合材料分层、脱粘，焊缝、起落架等的检测。国内在该领域的研究工作大多局限于声场理论及相关技术的探讨以及超声相控阵检测实验系统构建。在超声相控阵成像检测中，要获得分辨率高的超声聚焦和清晰图像，声场分布特性的改善主要取决于驱动器的性能。
现有超声相控线阵换能器中驱动电压高，尚未见具有正交异性性能，能有效降低被测构件侧面干扰信号影响的超声相控阵换能器的报道，从而影响最终的信噪比和成像分辨率。
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本发明的目的在于提供一种用于金属材料检测的超声相控线阵换能器及制作方法，提高损伤检测信噪比及成像分辨率。
为了解决以上问题，本发明采用的技术方案如下：
一种用于金属材料检测的超声相控线阵换能器，包括位于最底端的保护层（1）、固定于保护层（1）上表面的8个以上OPFC驱动/传感阵元（2）、填充各阵元间隙的环氧树脂（3）、固定于OPFC驱动/传感阵元（2）上表面的背衬层（4）；每个OPFC驱动/传感阵元（2）上有一对正负级导线（5）与阵元电极相连，导线的另一端穿过背衬层（4）引出，整个换能器为密封连接，保证整体压电性能，其特征在于：每个阵元由单个压电纤维复合材料通过具有导电和粘性的基体材料连接而成，垂直于阵元排列方向的每个阵元的侧面设置有与OPFC阻抗相匹配的金属电极层；所述的OPFC驱动/传感阵元（2）为具有正交异性性能的压电纤维复合材料元件。
所述背衬层由钨粉和环氧树脂混合而成，与所述换能器阻抗匹配特性相近的背衬层中钨粉质量含量占85%，环氧树脂含量占15%。
所述阵元间距d≤λ/2，λ为波长，每个阵元沿阵元排列方向的尺度为阵元宽度a，单个阵元宽度a为a<d≤λ/2，阵元数n≥8。
一种制备所述的用于金属材料检测的超声相控线阵换能器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：取一束平行排列的纤维，将环氧树脂和固化剂的混合物在浇铸入纤维簇中，持续抽真空1小时；将试样放入烘箱缓慢升温至140℃固化12小时；将固化后的试样打磨平整，用无水乙醇清洗干净以后，采用丝网印刷两面金属电极，120℃固化30分钟；将成功制作的压电纤维复合材料元件进行极化；所述极化条件为在120℃恒温硅油中加4kV电压, 持续极化30分种。
将单个阵元在同一平面等间距排列整齐，灌注环氧树脂充满整个阵元间隙，阵元粘贴于保护层上后焊接导线，浇铸10mm厚的钨粉与环氧树脂混合物背衬层。
伸缩型OPFC元件由直径为250μs的压电纤维，环氧树脂和金属电极按照特殊的结构形式组成，其电极位于面内，需要用金属材料将电极引出，外围需要用环氧树脂聚合物起到固定驱动元件和改善驱动元件特性的作用。本发明采用的压电材料选用已极化好的压电纤维复合材料，它具有对高频应力波响应好的特性。因此选用排列-浇铸和割模-浇铸相结合的方法。利用排列-浇铸法的排列特性可以较好地调整驱动元件内部压电相的结构；利用割模-浇铸法的制模特性可以很好地控制传感元件的各相尺寸，其切割特性能一次性制作出多片性能一致的驱动器和传感器。叉指式电极的制作是器件制作是否成功至关重要的一项程序，本发明根据前期设计的叉指式电极形状和尺寸，采用了丝网印刷来制作金属电极。
本发明具有有益效果。本发明通过设计能产生高频纵波的压电纤维复合材料阵元，形成具有正交异性功能的一种用于金属材料损伤检测的超声相控线阵换能器，减少被测金属结构侧面及底面反射信号的干扰，提高损伤检测信噪比及成像分辨率。
附图说明
图1加工叉指式电极流程；
图2伸缩型OPFC驱动/传感元件；
图3 OPFC元件电场分布；
图4 OPFC超声相控线阵换能器结构图。
图中：1 保护层、2阵元、3 环氧树脂、4 背衬层、5 正负级导线。
具体实施方式
为了更好地理解本发明的技术方案，以下结合附图和实例对本发明作进一步的详细描述，实例所采用的技术参数不构成对本发明的限定。
金属电极制备工艺流程如图1，丝网印刷法制作的电极更平滑、均匀，导电性好，制作精度高，丝网印刷法简单，效率高，并可批量生产，因此发明选用丝网印刷电极法应用于OPFC驱动/传感器件制备工艺中。制备的厚度伸缩型OPFC驱动/传感元件如图2所示。图3为OPFC电场分布图，w为电极间距，s为电极间隙，t为复合材料厚度。电场沿分支电极中心线对称，在电极区域，x方向的场强较低，尤其是电极正下方，电场微弱，且方向向外，该区域称为“死区”，在电极与电极之间的电场可看作近似均匀，此时产生的变形才直趋向均匀、线性。不管是极化电场还是工作电场，分支电极的宽度w、电极间隙s及压电纤维直径φ对压电纤维复合材料驱动器的电极分布有很大影响。图4为用于金属材料检测的OPFC超声相控线阵换能器示意图。
OPFC超声相控线阵换能器的制备过程如下：
1. 将已经复合的n个压电纤维复合材料沿一平台排列整齐，n≥8，阵元间距d为0.6mm，阵元宽a为0.4mm，将环氧树脂加热到熔融状态，在阵元间隙中浇铸、固化，以保证环氧树脂和压电纤维复合材料致密融合；
2. 待完全固化后，即常温固化24小时后，将已经融合排列整齐的n个阵元沿极化方向切割成型，即形成OPFC相控阵元；
3．制作的保护层需最大限度地投射超声波，减少能量损失，本发明采用石英玻璃，从理论上能起到阻抗匹配的作用，保护层厚度应尽可能小，取1mm。
4. 将压电复合材料相控阵元粘贴在已切割好的保护层上，焊接导线，每一阵元引出两根导线作为阵元正负极，因此，共需焊接2n根导线；
5. 为了进一步消除从背面及侧面的反射干扰杂波，增加频宽，还需制作背衬层，采用钨粉与环氧树脂的混合料，钨粉占85%，环氧树脂占15%，浇铸厚度为10mm，浇铸前增加有机玻璃作为模板。最终完成了OPFC超声相控线阵换能器的制作。
超声相控阵驱动/传感器件的性能对损伤检测结果的影响很大，阵元设计直接影响超声相控阵检测的性能和成像质量，均匀线阵的主要参数包括：阵元间距、阵元宽度和阵元数。通常N比较大，在声束可偏转的范围内，不出现栅瓣的条件可近似表示为
PFC阵元间距d应满足上式，其中，激励波的波长λ的选择，即频率f的选择与被测结构中损伤的尺度有关。随着频率的降低，最佳阵元间距d将增大，当f=5 MHz，N=16时，
mm。
当d<λ/2时，阵元宽度对声束的影响非常小，尤其是偏转角度较小时，随着a的增大，主瓣声压增加，这有利于提高检测对比度分辨力。因此，在确认阵元宽度时，首先必须满中条件a<d≤d max，以确保栅瓣的消除，在此条件下，再选择尽量宽的阵元，使得阵列偏转方向上的幅值增强，提高检测信噪比。
增加相控阵元数可增加主瓣幅值，抑制旁瓣，主瓣宽度也得到抑制，提高成像分辨率，但是通道数增加也会增加系统的复杂性，结合本发明激发与接收模块研制的实验条件，选择n=16，此时旁瓣压制效果较好。
经理论分析超声相控阵检测的极限方位分辨率可表示为
式中a为PFC超声相控阵驱动/传感器件中的阵元宽度。可见，a越小，方位分辨率越高，但在满足a<d≤λ/2时，为提高检测信噪比，a尺寸应与d靠近。因此，为提高方位分辨率，在满足a<d≤λ/2情况下，需减小阵元间隙，提高工作频率。综合以上分析，得出用于金属结构检测的压电复合材料驱动/传感器件的最终的阵元参数确定如表1所示。对于金属材料的结构损伤检测，将PFC应用于超声相控阵驱动器时，其几何参数如表2所示。
表1阵元参数表
表2 压电纤维复合材料的几何参数
超声相控阵元间支撑基体为同类型环氧树脂材料，PFC元件阵列镶嵌在支撑结构体内，厚度为0.4mm，保护层采用0.7mm的石英玻璃片，保护层的声阻抗与压电复合材料声阻抗
和检测构件的声阻抗
相匹配，其最佳的关系是
，从而获得声能的最佳透射。在形成的16阵列Ag层宽度上焊接导线作为控制线路，焊接完1根应检测其极性是否连通，以免产生短路；将OPFC阵列背面声辐射面上浇筑背衬层4，背衬层厚度为10mm，制备的PFC超声相控线阵换能器，具有正交异性比高，灵敏度好，频带宽的优点，能通过机油等耦合剂直接与被测金属构件耦合，在实际的金属材料损伤检测技术中具有广泛的用途。
Claims (5)
1.一种用于金属材料检测的超声相控线阵换能器，包括位于最底端的保护层（1）、固定于保护层（1）上表面的8个以上OPFC驱动/传感阵元（2）、填充各阵元间隙的环氧树脂（3）、固定于OPFC驱动/传感阵元（2）上表面的背衬层（4）；每个OPFC驱动/传感阵元（2）上有一对正负级导线（5）与阵元电极相连，导线的另一端穿过背衬层（4）引出，整个换能器为密封连接，保证整体压电性能，其特征在于：每个阵元由单个压电纤维复合材料通过具有导电和粘性的基体材料连接而成，垂直于阵元排列方向的每个阵元的侧面设置有与OPFC阻抗相匹配的金属电极层；所述的OPFC驱动/传感阵元（2）为具有正交异性性能的压电纤维复合材料元件。
2. 一种如权利要求1所述的用于金属材料检测的超声相控线阵换能器，其特征在于：背衬层由钨粉和环氧树脂混合而成，与所述换能器阻抗匹配特性相近的背衬层中钨粉质量含量占85%，环氧树脂含量占15%。
3. 一种如权利要求1所述的用于金属材料检测的超声相控阵换能器，其特征在于：阵元间距d≤λ/2，λ为波长，每个阵元沿阵元排列方向的尺度为阵元宽度a，单个阵元宽度a为a<d≤λ/2，阵元数n≥8。
4. 一种制备如权利要求1所述的用于金属材料检测的超声相控线阵换能器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：取一束平行排列的纤维，将环氧树脂和固化剂的混合物在浇铸入纤维簇中，持续抽真空1小时；将试样放入烘箱缓慢升温至140℃固化12小时；将固化后的试样打磨平整，用无水乙醇清洗干净以后，采用丝网印刷两面金属电极，120℃固化30分钟；将成功制作的压电纤维复合材料元件进行极化；所述极化条件为在120℃恒温硅油中加4kV电压, 持续极化30分种。
5. 一种如权利要求4所述的用于金属材料检测的超声相控线阵换能器的制备方法，其特征在于：将单个阵元在同一平面等间距排列整齐，灌注环氧树脂充满整个阵元间隙，阵元粘贴于保护层上后焊接导线，浇铸10mm厚的钨粉与环氧树脂混合物背衬层。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
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