CN103308259A - 一种叠层复合结构超声波探头 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种多层复合结构的超声波探头，它涉及压电振子制造方法及超声波探头安装方法。本发明解决了平板式压电振子的电压灵敏度较低，扑捉管路泄漏产生的超声波能力弱；频带特性窄等问题，通过安装外壳结构变化，即可增宽压电振子的水平波束指向性，也可缩小垂直方向接收角。本发明的制造方法由以下工步组成：PZT基材料-掺杂铈锰酸铅-研磨混料-加入溶剂与分散剂-研磨混料-加入塑性剂与粘接剂-研磨混料-制成料浆-过筛滤出粗大颗粒-除气-流延成膜-素坯干燥-半球壳模具成型-高温烧结-印刷电极浆料-烘干去除有机溶剂-叠层-高温烧结-研磨整形-高温高压极化-互联电极-形成压电振子-组装装配-形成超声波探头。用本发明制造出的超声波探头可用于检测管路泄漏产生的超声波，定位超声波发射源位置，并易于超声波检测及定位仪表连接。
Description
(一)技术领域
本发明涉及到一种在超声波泄漏检测装置中用于超声波接收器的超声波探头，进而涉及到这种超声波探头的制造方法。
(二)背景技术
在超声波探头中，作为用于对超声波进行接受的超声波换能器，主要以PZT(锆钛酸铅：Pb(lead)zirconate titanate)为代表的压电陶瓷、及以PVDF(聚偏二氟乙烯：polyvinyliden difluoride)为代表的高分子压电材料等压电体的两端形成电极的压电振子。
当向这种压电振子施加超声波激励时，压电体接受超声波而产生伸缩振动，通过正压电效应，将机械能转换为电能，在压电体电极两侧产生一电信号。该电信号作为超声波的检测信号使用。
超声波泄漏检测装置中使用的超声波探头将接受到来自泄漏源产生的超声波，根据超声波探头检测到信号强弱比较，来定位泄漏源位置。实际使用情况，可通过改变压电陶瓷振子的长度和直径来改变接收器的谐振频率和垂直方向接收角；接收器的水平波束指向性可通过改变外壳的设计来改变。
作为相关技术，日本国专利申请公开JP-P2003-70096A中公开了使用具有细微构造的复合压电体的超声波探头，在该复合压电体中，在树脂层表面一定方向上排列有多个细线状烧结压电体而成的复合片材，使各细线状烧结压电体位于树脂层之间的方式层叠多个并成一体化。
日本国专利申请公开JP-P2003-174698A中公开了高频带的超声波振动对应的复合压电体的制造方法。在该制造方法中，形成单位复合片材，并通过层叠该复合片材而形成复合压电体。单位复合片材的制造方法包括以下步骤：准备在板状压电体的一个表面上形成有树脂层的复合板，对复合板的板状压电体，不完全断开树脂层地形成多个槽，从而有板状压电体形成多个细线状压电体的步骤。
日本国专利申请公开JP-P2003-189395A中公开了一种复合压电体的制造方法。可低成本制造电阻抗小的复合压电体，复合压电体具有细微的、纵横比高的多个柱状压电体。该制造方法中包括以下步骤，在树脂层上准备将向一个方向延伸的多个压电体及多个导电体交互配置而成的复合板的步骤；对复合板的板状压电体，形成在与压电体的长边方向相交的方向上延伸的多个槽，从而在树脂层上形成多个柱状压电体、及横切多个柱状压电体而延伸的多个内部导电体的步骤。
但是，随着压电振子的细微化，振子的电阻抗上升。收发的超声波的频带中的振子的电阻抗与超声波泄漏检测装置主体的接受电路的电阻抗或连接电缆的特性阻抗相比较大时，检测信号的传递特性下降。而且，加上振子尺寸变小，接收时的灵敏度下降。为了弥补这种灵敏度下降，使振子为层叠构造，串联各层振子，从而提高压电振子电压灵敏度；若并联各层振子，可提高压电振子电荷灵敏度。
本发明方法的有益效果是，根据需要可以制作层叠构造的压电振子，层叠构造的压电振子又可以制成半球壳状。半球壳状压电陶瓷结构可以利用多种规格的凸凹半球型模具挤压成型，高温烧结形成具有较高d33系数的压电陶瓷半球壳单体，在烧成的压电陶瓷半球壳单体的凸凹面上印刷电极浆料，叠层成多层结构，高温烧成浆料，形成半球壳型叠层结构一体化。这种多层复合结构的叠层压电振子具有相对较低的电阻抗，频带特性好。通过装配结构变化，可以改善水平波束指向性，增强超声波探测方位能力；也可实现缩小垂直方向接收角，使压电振子制作的超声波探头具有良好的定位功能。
(三)发明内容
本发明的目的是为了解决超声波探头存在的以下问题：(1)压电振子灵敏度较低，扑捉管路泄漏产生的超声波能力弱；(2)频带特性窄，难以适应各种材料的管材破损形状所产生的不同频段的超声波(3)通过变化外壳安装结构，即可增宽压电振子的水平波束指向性，也可缩小垂直方向接收角。
本发明的目的是这样实现的：
a、采用锆钛酸铅(PZT)基材料，掺杂铈锰酸铅，形成改性PZT压电陶瓷粉体；
b、在Pb(Mn1/3Ce2/3)O3-PZT体系压电陶瓷粉体中加入溶剂与分散剂，用研磨或超声波分散的方法混匀后，加入塑性剂与粘接剂，再混合均匀，形成料浆；
c、料浆通过过筛、除气后，在流延机上成膜，素坯干燥；
d、将流延膜在凸凹半球壳型模具上挤压成型；
e、高温烧结形成高致密度、高强度的压电陶瓷瓷坯，固型；
f、在半球型瓷坯内外表面上印刷电极浆料，烘干；
g、将印好电极的瓷坯进行叠层，烧结，形成带有导电厚膜电极的一体化半球壳体；
h、利用研磨机对半球壳体整形，形成规范结构尺寸；
i、将半球壳体放在高温及高压电场中极化，使电畴按极化电场方向取向排列；
j、互联电极，形成叠层复合结构压电振子；
k、将压电振子装配在特定结构中，引出电极，形成超声波探头；
本发明还可以包括这样一些特征：
1、所述的锆钛酸铅基材料掺杂铈锰酸铅，形成Pb(Mn1/3Ce2/3)O3-PZT压电陶瓷体系。
2、所述的高温烧结形成瓷坯，烧结温度在950-1250℃，形成高致密度和高强度的压电陶瓷；
3、所述的流延膜在凸凹半球壳型模具上挤压成型，可以采用等静压成型方法、气压成型方法或油压成型方法；
4、所述的带有导电厚膜电极的一体化半球壳体，是指半球型瓷坯之间靠导电电极连接；
(四)附图说明
图1为叠层复合结构压电振子制造工艺方框流程图
图2为半球壳形压电振子示意图
图3为带安装结构的超声波探头示意图
(五)具体实施方式
参照附图1，表示叠层复合结构压电振子超声波探头制造工艺方框流程图，该流程概括起来为：PZT基材料-掺杂铈锰酸铅-研磨混料-加入溶剂与分散剂-研磨混料-加入塑性剂与粘接剂-研磨混料-制成料浆-过筛滤出粗大颗粒-除气-流延成膜-素坯干燥-半球壳模具成型-高温烧结-印刷电极浆料-烘干去除有机溶剂-叠层-烧结-研磨整形-高温高压极化-互联电极-形成压电振子-组装装配-形成超声波探头。
附图2A表示的3层半球壳形压电振子包括电极1、压电陶瓷半球壳单体2、电极3、压电陶瓷半球壳单体4、电极5、压电陶瓷半球壳单体6、电极7。压电陶瓷半球壳单体2与压电陶瓷半球壳单体4通过电极3连接、压电陶瓷半球壳单体4与压电陶瓷半球壳单体6通过电极5连接。附图2B表示的4层压电陶瓷半球壳单体的压电振子。
附图3A表示的压电振子凸面向外的带有结构的超声波探头，超声波探头包括结构壳体8、压电振子9；附图3B表示的压电振子凹面向外的带有结构的超声波探头，超声波探头包括结构壳体10、压电振子11。
具体实施方式如下：
a、采用锆钛酸铅(PZT)基材料，掺杂铈锰酸铅，形成Pb(Mn1/3Ce2/3)O3-PZT压电陶瓷体系；
b、在Pb(Mn1/3Ce2/3)O3-PZT体系压电陶瓷粉体中加入溶剂与分散剂，溶剂可以采用无水乙醇和丁酮的二元恒沸混合物，分散剂可以采用磷酸三乙酯，用研磨罐在球磨机上混均，也可用超声波分散的方法混匀。
c、加入塑性剂与粘接剂，增塑剂可选用聚乙烯醇缩丁醛，聚乙二醇和邻苯二甲酸二乙酯做增塑剂，用研磨罐在球磨机上混均，也可用超声波分散的方法混匀，形成料浆；
d、料浆过筛，筛网网孔为200目(也可大于或小于200目)，过滤出大颗粒；e、料浆过筛后除气后，可在真空罐中进行，小于1×10-3Pa真空度，出气24h以上。
f、流延成膜，在流延机上成膜，成膜厚度0.2mm～1.5mm，素坯膜干燥采用自然干燥；
g、将流延膜在不同尺寸的凸凹半球壳型模具上挤压成型，可以采用油压或气压压力机，也可放入等静压机内挤压成型，成型压力在0.1Mpa～12MP之间，形成可叠层的不同尺寸的半球壳生瓷坯；
h、高温烧结形成高致密度、高强度的压电陶瓷瓷坯，烧结温度950～1250℃，如图2A的压电陶瓷半球壳单体2、压电陶瓷半球壳单体4、压电陶瓷半球壳单体6；
i、在半球型瓷坯内外表面上印刷电极浆料，电极浆料可以是金浆、银浆、银钯浆，烘干温度70～120℃，如图2A的电极1、电极3、电极5、电极7；
j、将印好电极的瓷坯进行叠层，可以是3层、4层、5层等多层，叠层后烧结，烧结温度600～900℃，形成一体化半球壳体，如图2A的3层叠层复合结构、如图2B的4层叠层复合结构；
k、利用研磨机对半球壳体整形，形成规范半球壳尺寸；
l、将半球壳体放在电场中高温、高压极化，极化温度150～170℃，极化电场3500～6500V/mm，极化时间30-60min；
m、连接电极，电极引出可以是并联，也可以是串联，形成叠层复合结构压电振子；
n、将压电振子装配在金属(或非金属)结构中，形成超声波探头。如图3A，可以使压电振子凸面向外，改善水平波束指向性，增强超声波探测方位能力；如图3B，使压电振子凹面向外，实现缩小垂直方向接收角，使压电振子制作的超声波探头具有良好的定位功能。
Claims (4)
1.一种叠层复合结构的超声波探头，它涉及压电振子制造方法及超声波接收器安装方法。其特征在于以下工步：PZT基材料-掺杂铈锰酸铅-研磨混料-加入溶剂与分散剂-研磨混料-加入塑性剂与粘接剂-研磨混料-制成料浆-过筛滤出粗大颗粒-除气-流延成膜-素坯干燥-半球壳模具成型-高温烧结-印刷电极浆料-烘干去除有机溶剂-叠层-烧结-研磨整形-高温高压极化-互联电极-形成压电振子-组装装配-形成超声波接受器；
2.根据权利要求1所述的叠层复合结构的超声波探头，其特征在于将掺杂铈锰酸铅的PZT材料流延成膜后的干燥素坯，利用模具挤压成半球壳型；
3.根据权利要求1所述的叠层复合结构的超声波探头，其特征在于半球型瓷坯内外表面上印刷电极浆料，将瓷坯进行叠层，高温烧结，利用电极将各层瓷体连接形成一体化叠层半球壳压电振子；
4.根据权利要求1所述的叠层复合结构的超声波探头，其特征在于叠层半球壳压电振子装配在金属(或非金属)结构中，可以使压电振子凸面向外，也可使压电振子凹面向外，亦可以多个叠层半球壳压电振子安装成阵列结构使用。
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
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