CN103344708A - 一种用于混凝土材料检测的超声相控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混凝土材料检测的超声相控阵换能器及制作方法，每个阵元包括四层PZT片和基体材料，垂直于阵元排列方向的每个阵元的侧面设有金属电极层；阵元为具有正交异性性能的压电复合材料；先采用切割机对整块PZT片按45°方向切割，按极性相反用导电胶粘贴，灌注非导电环氧树脂，待固化后打磨光滑至出现电极，在垂直于阵元排列方向的每个阵元的侧面印刷金属电极层，沿阵元长度方向切割得到单个阵元；将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。本发明正交异性比高，灵敏度好，频带宽，可应用于混凝土材料损伤检测。
Description
技术领域
本发明属于混凝土材料检测领域，具体涉及一种用于混凝土结构无损检测的超声相控阵换能器，是一种用于超声相控阵扫描成像装置的阵换能器。
背景技术
超声相控阵检测可以高速、全方位和多角度地对工程结构进行损伤检测，在不移动或少移动换能器的情况下对结构及材料的损伤进行快速的扫查和损伤信号的接收，能解决复杂空间限制的结构损伤检测问题，是一种先进的超声检测技术。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]，用于实验室内管道外壁的检测，但尚未引起人们的注意，随着计算机技术的发展和信号叠加处理技术的运用，超声相控阵技术又成为超声检测中一个新的技术热点。该技术在早期主要应用于医疗领域，如医学超声成像[2]，而在工业无损检测中的应用受限。21世纪逐步涉及工业，美国的J.Ritter [3]、意大利的Erhard[4]、美国的Spain[5]等人分别采用复合晶体组成线阵检测检测核电站和航空材料焊缝、汽轮机叶片，但最多16阵元的复合晶体，扫描角度为70°，对铁电介质检测敏感；05年加拿大的R/D TECH公司推出了超声相控阵扫描检测仪，采用压电陶瓷线阵，晶片60个, 商业化应用广，但价格昂贵，反射干扰信号影响大[6]；08年美国南卡罗莱纳州大学研制二维压电晶片阵列用于导波检测[7]，实现了360°全方位检测，但其检测换能器采用各向同性的圆形压电陶瓷片，存在检测盲区。
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仪器，采用普通压电陶瓷片阵列，形成了相关专利[8-9]，检测中引入国外采用美国PIM06型超声相控阵成像设备；2003年清华大学施克仁教授等设计实现了16通道超声相控阵检测实验系统,采用PZT自制线阵换能器[10]；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[11]，检测中均采用单一压电相控阵换能器，不具备正交异性特性；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[12]，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16 mm的混凝土中较大尺度的损伤(20 mm×10 mm)缺陷[13]。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[14-16]。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[17]，如R-D tech、GE、Siemens公司等。超声相控阵检测领域逐步扩大。但仅用于对国外普通商用设备分辨力分析。国内外的在超声相控阵换能器研究大多局限于声场理论及相关技术的探讨，国内借鉴和应用国外现有超声相控阵设备检测较多，而鲜见具有正交异性性能的压电复合材料超声相控阵换能器方面的研究。
传统的超声相控阵损伤检测所采用的换能器是由普通的PZT阵列换能器组成，先天带有脆性，驱动/传感性能可设计性差、力电参数不合理等缺陷。现有的超声相控阵换能器不具有正交异性特性，对于由构件界面反射等导致的干扰信号无选择性滤波功能，直接影响损伤检测结果和成像清晰度，不能很地应用于混凝土结构损伤检测成像。
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发明内容
本发明的目的在于一种用于混凝土材料检测的超声相控阵换能器及制作方法，形成具有正交异性功能，减少被测混凝土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。
为了解决以上问题，本发明采用的技术方案如下：
一种用于混凝土材料检测的超声相控阵换能器，包括位于最底端的保护层（2）、固定于保护层（2）上表面的8个以上用压电复合材料制备的驱动/传感阵元（1）、固定于驱动/传感阵元（1）上表面的背衬层（3）；每个驱动/传感阵元（1）上有一对正负级导线（4）与阵元电极相连，导线的另一端穿过背衬层（3）引出，整个换能器为密封连接，保证整体压电性能，其特征是：每个阵元由上下四层PZT片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PZT片阻抗相匹配的金属电极层；阵元为具有正交异性性能的压电复合材料。
背衬层由钨粉和环氧树脂混合而成，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混凝土材料检测的超声相控阵换能器的制作方法，其特征在于包括以下步骤：先采用切割机对整块PZT片按45°方向切割，形成倾斜角，按极性相反用具有导电和粘性的基体材料粘贴，在所形成的小三角区域内灌注非导电环氧树脂，待固化后打磨光滑至出现电极，在垂直于阵元排列方向的每个阵元的侧面印刷有与PZT片阻抗相匹配的金属电极层，沿阵元长度方向切割得到单个阵元；将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。
待背衬层固化后沿阵元排列方向整体切割整齐，保证每个阵元性能一致。
压电复合材料是由压电相材料与非压电相材料按照一定的连通方式组成而形成的具有压电效应的复合材料，通过设计及复合工艺提高PZT和聚合物在力学性能和介电性能上的优势。先采用切割机对整块PZT片按45°方向切割，形成倾斜角，以便复合后引出电极；根据最佳正交异性性能计算所需复合长度及PZT片数，通过具有导电和粘性的基体材料排列已经极化的PZT，其中相邻PZT片极化方向相反；在粘贴好的PZT片所形成的小三角区域内灌注调配好的聚合物—环氧树脂，待固化后打磨光滑至出现电极，从而形成叉指式电极；在表面采用丝网印刷金属电极，以保证均匀性，将电极引至PZT侧面，金属电极用于连接导线及保护压电复合材料的作用；当需要将单一片状压电复合材料元件用于结构声表面波检测时，可将复合好的块状压电复合材料按所需厚度切割。
有益效果：本发明由于采用具有正交异性性能的压电复合材料做阵元，制作该超声相控阵换能器的材料都是性能比较稳定的现有材料，整个工艺流程几乎都是一个冷加工过程，对各种材料没有热性能影响，因此，制作的该换能器性能比较稳定。因压电复合材料特有的正交异性特性，本发明显著提高了该换能器的测量灵敏度，能消除被测混凝土构件侧面反射干扰信号，该换能器可作为混凝土材料损伤检测的超声相控阵驱动和传感功能合二为一的器件。
附图说明
图1 结构尺寸参数对相控指向性的影响。
图2正交异性压电复合材料结构示意图。
图3 压电复合材料超声相控阵换能器结构图。
图中：1 阵元、2保护层、3背衬层、4正负极导线。
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。
如图1所示，本发明中，当阵元数和阵元宽度一定时，随着超声相控阵换能器阵元间距的增大，主瓣宽度愈尖锐，图中λ为19mm，但栅瓣也随之增大，为提高横向分辨力，应最小化主瓣宽度，消除栅瓣及旁瓣的影响，当阵元间距12.7mm时效果较好，但不出现栅瓣条件为d≤λ/2=9.5mm； ，阵元宽度主要影响相控阵换能器的旁瓣和主瓣声压，应满足a与d靠近，可见当增大时，指向性愈来愈尖锐，但不能大于
，此时旁瓣和栅瓣压制较好；阵元数增加可增加主瓣幅值，抑制旁瓣，主瓣宽度也同时得到抑制，增加压电复合材料相控阵元数有利于提高超声相控阵换能器品质，但是通道数增加也会增加系统的复杂性，可结合发射与接收模块通道数及被测工况来综合选择。 如图2所示，本发明中压电复合材料相控阵元由PZT片1、环氧导电胶2、环氧树脂3和金属电极4组成。PZT片厚为0.7mm，宽8.5mm，中心频率200kHz，PZT片切割角度为45度角，即形成图中的小三角区域，一个阵元需4片PZT片；采用的导电胶需导电性能较好，粘贴PZT片采用并联方式联结；浇铸环氧树脂绝缘层时须将三角凹槽中多余的导电胶清除干净，避免短路。将三角凹槽中溢出的环氧树脂打磨光滑，直到均匀露出环氧导电胶2，因此，环氧导电胶既可作粘结材料，也可作为叉指式电极；再在其表面通过同类型导电胶印刷与复合好的压电复合材料等面积的金属电极层引出正负电极，制备的压电复合材料元件可单独作为驱动器或传感器使用，其谐振频率为106kHz，具有正交异性功能，减少被测构件的侧面反射信号。当压电复合材料元件作为单一驱动/传感功能时可在金属电极表面粘贴一层薄的环氧树脂再切割。
本发明如图3所示，由压电复合材料制作的驱动/ 传感阵元1，保护层2，背衬层3正负极导线4构成。阵元宽度a、间距d、阵元数n及排列方式取决于声场主瓣、旁瓣、栅瓣的指向性，输出能量的综合平衡，经优化设计，本发明实例中超声相控阵换能器阵元宽取8.5mm，阵元间距为9.5mm，阵元数为16，此时达到较好的指向性，减少了旁瓣和栅瓣的影响，阵元间支撑基体为环氧树脂材料，压电复合材料元件阵列镶嵌在支撑结构体内，厚度为2.8mm，保护层采用1mm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阵列金属电极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；将正交异性压电复合材料阵列背面声辐射面上浇筑背衬层3，背衬层厚度为10mm，背衬层材料中钨粉和环氧树脂的质量比为8.5：1.5，即钨粉占85%，环氧树脂占15%，此时，背衬层的密度为5868 kg/m3，纵波波速为2433m/s，因此其声阻抗率为14.28 kg·m-2·s-1 ，与压电复合材料阵元声阻抗匹配较好，经测试压电复合材料阵元声阻抗为13.81 kg·m-2·s-1。
Claims (5)
1.一种用于混凝土材料检测的超声相控阵换能器，包括位于最底端的保护层（2）、固定于保护层（2）上表面的8个以上用压电复合材料制备的驱动/传感阵元（1）、固定于驱动/传感阵元（1）上表面的背衬层（3）；每个驱动/传感阵元（1）上有一对正负级导线（4）与阵元电极相连，导线的另一端穿过背衬层（3）引出，整个换能器为密封连接，保证整体压电性能，其特征是：每个阵元由上下四层PZT片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PZT片阻抗相匹配的金属电极层；阵元为具有正交异性性能的压电复合材料。
2.一种如权利要求1所述的用于混凝土材料检测的超声相控阵换能器，其特征在于：背衬层由钨粉和环氧树脂混合而成，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所述的用于混凝土材料检测的超声相控阵换能器，其特征在于：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。
4.一种制备如权利要求1所述的用于混凝土材料检测的超声相控阵换能器的制作方法，其特征在于包括以下步骤：先采用切割机对整块PZT片按45°方向切割，形成倾斜角，按极性相反用具有导电和粘性的基体材料粘贴，在所形成的小三角区域内灌注非导电环氧树脂，待固化后打磨光滑至出现电极，在垂直于阵元排列方向的每个阵元的侧面印刷有与PZT片阻抗相匹配的金属电极层，沿阵元长度方向切割得到单个阵元；将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。
5.一种如权利要求4所述的用于混凝土材料检测的超声相控阵换能器的制作方法，其特征在于：待背衬层固化后沿阵元排列方向整体切割整齐，保证每个阵元性能一致。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
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