CN104755921B - 用于物体的接触式测量的超声波探头及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于物体的接触式测量的超声波探头及其制造方法。根据本发明，该超声波探头包括牢固地固定至基底(10)的第一面(12)的超声传感器，所述基底(10)的相对面(11)限定测量表面，所述测量表面具有这样的形状，所述形状为待测量物体表面的压印，以使得当物体表面与所述测量表面接触时紧密贴合后者。

Description

用于物体的接触式测量的超声波探头及其制造方法
发明背景
发明领域
本发明涉及用于接触式测量物体的超声波探头及其制造方法。该超声测量探头特别适用于具有复杂几何形状的物体的无损检测，所述物体例如某些机械部件。
本发明特别适用于在航空、太空、汽车和轨道运输领域等中的无损检测。
技术背景
已知检测结构，尤其是由复合材料制成的结构，以无损地检测这些结构中的可能的表面和/或体内缺陷。
因此，已知超声测量系统，这些系统具有允许直接在制造现场检测结构的优点。
然而，需要手动(通常由专业人士进行)或自动地移动超声测量系统。然后使用定向和定位装置以确定被测量的结构部分。
此外，在结构具有复杂的几何形状的情况下，可能需要使用不同超声测量频率进行多次扫描。
这些操作对于操作人员来说是耗时的、繁琐的，并且是昂贵的。
此外，某些结构，尤其是在航空领域中，必须整体检测，其并非总能使用穿透式超声检测方法。具体地，该类型的检测技术可能无法接近结构的某些区域。
本发明的目的是通过提供用于物体(如机械部件或结构部件)的无损检测的超声测量系统，来克服这些各种各样的缺点，所述测量系统具有简单的设计和操作模式，并允许在单次扫描中测量具有复杂几何形状的物体的至少一部分。
本发明的另一个目的是用于制造这样的超声测量系统的特别简单和灵活的方法。
发明简述
为此，本发明涉及用于接触式测量物体的超声波探头，所述物体具有不规则表面。
根据本发明，该超声波探头包括牢固地固定到基底的第一面的超声传感器，该基底的相对面限定测量表面，该测量表面具有这样的形状，所述形状为待测量物体的表面的压印，以便于当物体表面与所述测量表面接触时紧密贴合后者的表面。
因此，该超声波探头有助于脉冲反射波超声检测的领域，其中一个且同一传感器用于发射超声波并接收由待分析的物体反射的超声波，该传感器是位置编码的。
词语“物体的不规则表面”是指物体的该表面包含至少一个角。因此，物体的该表面可以具有L、V或甚至U形。借助反例，待测量的物体的该表面不是严格的平坦表面或圆柱体的外表面，后者是规则的。
有利地，该超声波探头的测量表面覆盖待测量的物体的整个表面的至少一半，从而使其可能在单次扫描中测量物体的部分，所述物体的部分的外表面与探头的测量表面接触。
当然，测量表面具有这样的形状，所述形状为仅在制造公差内的待测量物体表面的压印，应理解的是，将相对于待测量物体应具有的理论侧面来限定所述表面。
有利地，所述基底具有均匀的厚度。
在该超声波探头的多个实施方案中，本发明还涉及以下特征，其必须独立地或以其技术上可能的组合进行考虑：
-该探头包括耦合元件，所述耦合元件用于确保所述物体与所述探头之间的声阻抗的匹配，所述耦合元件包括限定其中放置液体耦合介质的内部体积的包层，如膜。
优选地，该液体耦合介质为水或耦合凝胶。
仅以说明的方式，该超声耦合凝胶为水性凝胶，其包括多元醇，如METALSCAN,rueDésiréGilot,71100Saint-Rémy以名称耦合剂UT 5出售的那些。
有利地，该壳体具有基本上等于水的声阻抗的声阻抗，后者为1.5×106Pa.s/m。以非限定性实例的方式，该包层具有等于水的声阻抗的15％以内的声阻抗。
优选地，所述耦合元件具有小于或等于3mm的厚度。
除了待测量的物体和超声波探头之间的声阻抗的匹配以外，所述耦合元件还确保待测量物体的表面与超声波探头的测量表面的配合或顺应，从而抵消可能的偏差，特别是与物体的制造公差相关的偏差。
-所述超声传感器形成牢固地固定至该基底的一排压电陶瓷传感器。
优选地，所述基底为金属基底或由聚酰亚胺或石墨/环氧树脂复合材料制成的基底。
仅以说明的方式，所述金属基底特别地由铝、钢、不锈钢、钛、镍或铜制成。
-该探头包括电子装置，所述电子装置用于处理超声传感器当接收超声波时传送的电信号。
本发明还涉及制造用于物体的接触式超声检测的超声波探头的方法，其中进行至少以下步骤：
a)提供载体，所述载体具有限定所述探头的测量表面的内表面和光滑的外表面，所述载体经成形以使该内表面为待测量物体的表面的压印，以便于当物体接触该内表面时紧密贴合后者的表面；
b)将陶瓷粉末混合在溶胶凝胶溶液中以形成均匀的分散体；
c)使用薄膜沉积法将含有所述均匀的分散体的涂层沉积在所述载体的外表面上；
d)在高于或等于100℃的温度T下烘烤由此形成的所述涂层一段时间T，以在所述外表面上形成压电陶瓷涂层；
e)任选地重复步骤b)、c)和d)以形成包括至少两个陶瓷涂层的压电陶瓷块；和
f)在所述涂层或所述压电陶瓷块的外表面上形成至少一个电极以限定传感器。
有利地，在步骤c)中，含有所述分散体的所述涂层均匀地沉积以在所述载体上获得均匀的陶瓷涂层厚度。
此外，含有所述分散体的第一涂层沉积在载体的非粗糙外表面上，在步骤d)中实施的烘烤每个陶瓷涂层的至少100℃的烘烤温度确保涂层或陶瓷块的最终厚度是均匀的。
在步骤f)之前，将由此形成的所述涂层或所述压电陶瓷块极化。该极化可以通过电晕放电法获得。
以举例的方式，在步骤f)中，该电极可以由银金属化浆料形成。
在该制造方法的各种实施方案中，本发明还涉及以下特征，其必须独立地或以其技术上可能的组合进行考虑：
-用于确保所述物体和所述探头之间的声阻抗的匹配的耦合元件放置在由基底的内表面限定的所述测量表面上，所述耦合元件包括包层，所述包层限定其中放置液体耦合介质的内部体积。
优选地，该液体耦合介质为水或耦合凝胶。
-在步骤f)中，在所述涂层或所述压电陶瓷块的表面上制备多个电极，以形成一排压电传感器。
优选地，这些传感器等距离地间隔。
-所述陶瓷粉末保持在按所述溶液重量计30％至50％的范围内。
该陶瓷粉末有利地选自BIT(铋钛复合材料)、二氧化硅、氧化铝、碳化硅等。
FERROPERM PIEZOCERAMICS,DK-3490以名称Pz23出售的PZT陶瓷粉末特别适用于本发明。
-所述薄膜沉积法为溅射沉积法。
-在步骤f)后，将每个所述传感器连接于电子装置，所述电子装置用于处理这些传感器当接收到超声波时传送的信号。
-在步骤f)之前，控制所述至少一个陶瓷涂层的厚度以使如此获得的陶瓷块与所述探头的测量频率对应。
-所述物体具有不规则表面，所述载体的内表面经成形以使该内表面为待测量的物体的不规则表面的压印。
本发明还涉及用于通过超声进行部件的无损检测的设备。
根据本发明，该设备包括两个如上所述的超声测量探头，所述探头用于紧密贴合该部件的至少一个相对面，这些探头中的至少一个是可移动的，以使这些探头可以远离彼此移动，以安置或移动待测量的部件，以及朝向彼此移动，以完全覆盖该部件的表面以在单次扫描或甚至在单次通过中对其进行无损检测。
以举例的方式，因此该设备包括用于输送待测量的部件和/或夹持该部件以将其放置在所述超声测量探头之一的测量表面上的装置，以及用于相对于接收待测量部件的超声测量探头移动另外的超声测量探头的装置。
该无损检测方法可以整合到部件生产线中，从而确保这些部件的简单和快速的在线检测。
附图说明
本发明的其他特别的优点、目的和特征通过以举例的方式关于附图给出的以下完全非限定性的描述将变得显而易见，其中：
-图1示意性地显示了根据本发明的一个具体实施方案的接触式超声测量探头的分解图；和
-图2显示了在飞机结构部件的无损检测中实施本发明的一种方法。
本发明实施方案的详述
首先，应注意的是附图不是成比例的。
为了清楚起见，图1示意性地显示了根据本发明的一个具体实施方案的接触式超声测量探头的各个组成元件的分解图。
该测量探头包括基底10，在此处由金属如铝制成，该基底10经成形以使其内表面11为在制造公差内的待测量机械部件部分的外表面的压印。
因此，当具有复杂几何形状的机械部件的该部分与由此成形的基底10的内表面11直接接触放置时，其外表面紧密贴合基底10的内表面11以在制造公差内。以说明的方式，基底10可以通过深冲来成形。
包括多个压电陶瓷层的压电陶瓷块13结合至该基底10的外表面12，所述层连续地形成。
这些各个层中的每一个是由用于通过溅射PZT溶胶凝胶溶液来沉积的方法获得的，其中压电(PZT)陶瓷粉末已均匀地分散，包含的粉末的颗粒的大小通常为1至80μm，由此均匀沉积的涂层借助热空气源如热风枪，在至少100℃的温度下烘烤。
有利地，PZT溶胶凝胶溶液充当这样的试剂，其使陶瓷粉末结合于涂层所沉积的相应的表面。
块13的每个陶瓷涂层的厚度通常为1μm至20μm，等于或基本上等于整个该块的该压电陶瓷块的总厚度被限定，以使超声波探头在中心频率处起作用，包括的中心频率通常为1至30MHz(高频率)或通常为20至50kHz(低频率)。
在该压电陶瓷块13的外表面上放置了一组电极14，这些电极14任选地有规律地间隔。在电极14和基底10之间的陶瓷块13的厚度限定了超声传感器。
该超声波探头的每个传感器通过电缆16连接到提供电力的多通道电子装置17。连接到多通道电子装置17的中央处理器(未显示)处理由所述超声波探头的超声传感器测量的结果。
图2显示了在飞机的结构部件18的无损检测中实施本发明的一种方法。
该结构部件18是弯曲的，以使其具有在两个平法兰之间的圆形部分19。用于检测该结构部件18的质量的接触式超声测量系统20具有测量表面，所述测量表面是该结构部件18的外表面的压印，以便于当部件的该外表面与该测量表面接触时，与后者的表面紧密贴合。
由限定其中放置水的内部体积的包层如膜构成的耦合元件21插入该外表面和系统20的测量表面之间。该耦合元件21用于确保该部件和测量系统20之间的声阻抗的匹配。

Claims (14)

1.一种用于接触式测量物体的超声波探头，所述物体具有不规则表面，其特征在于，所述超声波探头包括牢固地固定至该超声波探头的基底(10)的第一面的超声传感器，所述基底(10)的第一面的相对面(11)限定测量表面，所述测量表面(11)具有的形状，所述形状为待测量物体表面的压印，以使得当物体表面与所述测量表面(11)接触时与待测量物体表面的形状紧密配合。
2.如权利要求1所述的探头，其特征在于，所述探头包括耦合元件(21)，所述耦合元件(21)用于确保所述物体与所述探头之间的声阻抗的匹配，所述耦合元件(21)包括包层，所述包层限定其中放置液体耦合介质的内部体积。
3.如权利要求1所述的探头，其特征在于，所述超声传感器形成牢固地固定至所述基底(10)的一排压电陶瓷传感器。
4.如权利要求1至3中任一项所述的探头，其特征在于，所述探头包括电子装置(17)，其用于处理超声传感器当接收超声波时传送的电信号。
5.一种制造用于物体的接触式超声检测的超声波探头的方法，其中进行至少以下步骤：
a)提供载体(10)，所述载体(10)具有限定所述探头的测量表面的内表面(11)和光滑的外表面，所述载体(10)经成形以使该内表面(11)为待测量物体的表面的压印，以使得当物体接触该内表面时与待测量物体表面的形状紧密配合；
b)将陶瓷粉末混合在溶胶凝胶溶液中以形成均匀的分散体；
c)使用薄膜沉积法将含有所述均匀的分散体的涂层沉积在所述载体(10)的外表面(12)上；
d)在高于或等于100℃的温度下烘烤由此形成的所述涂层一段时间，以在所述外表面(12)上形成压电陶瓷涂层；
e)任选地重复步骤b)、c)和d)以形成包括至少两个陶瓷涂层的压电陶瓷块(13)；和
f)在所述涂层或所述压电陶瓷块(13)的外表面上形成至少一个电极(14)以限定传感器。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，用于确保所述物体和所述探头之间的声阻抗的匹配的耦合元件(21)放置在由基底的内表面(11)限定的所述测量表面上，所述耦合元件(21)包括包层，所述包层限定其中放置液体耦合介质的内部体积。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述液体耦合介质为水或耦合凝胶。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在步骤f)中，在所述涂层或所述压电陶瓷块(13)的表面上制备多个电极(14)，以形成一排压电传感器。
9.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述陶瓷粉末保持在按所述溶液重量计30％至50％的范围内。
10.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述薄膜沉积法为溅射沉积法。
11.如权利要求5至10中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤f)后，将每个所述传感器连接于电子装置(17)，所述电子装置(17)用于处理这些传感器当接收超声波时传送的信号。
12.如权利要求5至10中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤f)之前，控制至少一个所述陶瓷涂层的厚度以使如此获得的压电陶瓷块(13)与所述探头的测量频率对应。
13.如权利要求5至10中任一项所述的方法，其特征在于，所述物体具有不规则表面，所述载体的内表面(11)经成形以使该内表面(11)为待测量物体的不规则表面的压印。
14.一种用于通过超声进行部件的无损检测的设备，其特征在于，其包括：
-两个如权利要求1至4中任一项所述的超声波探头或通过如权利要求5至13中任一项所述的制造方法获得的超声波探头，所述探头被构造成与待测量部件部分的外表面紧密贴合，
-这些探头中的至少一个是可移动的，以使这些探头可以远离彼此移动，以安置或移动所述部件，以及朝向彼此移动，以完全覆盖所述部件的表面以在单次测量中对其进行无损检测。
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