CN106353408B - 一种压电超声直探头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种压电超声直探头，所述压电超声直探头由纵波直探头和横波直探头组成，所述压电超声直探头包括匹配层（1）、压电晶片（2）、阻尼块（3）、外壳（4）以及探头接插件（5）。本发明为纵横波一体式结构，即同一超声探头上，即可直接发射接收纵波信号，也可直接发射接收横波信号，其中，能量弱、杂波多的模式转换方式产生横波除外；二者即可同时发收，也可分时发收；二者的频率可相同，也可不同；纵波和横波的声场分布可控可调，以满足不同领域的特殊检测需求。本发明实现了纵横波的一体化，在实际使用过程中无需更换纵波探头和横波探头，在使用上方便便捷，同时本发明具有高准确性和良好的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声无损检测类，具体涉及一种可实现垂直发射和接收超声纵波和横波的一体式压电超声直探头。
背景技术
目前，在超声无损检测领域，纵波和横波是最常用的检测波形，超声探头正是发射和接收检测波形的核心部件。传统的超声探头仅能产生纵波，或者依靠纵波在界面处的模式转换产生横波，斜入射到工件表面。由于该类探头无法实现纵横波的一体化，不能保证在相同耦合条件下垂直发射和接收超声纵波和横波，无法满足某些领域的检测需求。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的压电超声直探头在实际使用过程中不能保证在相同耦合条件下垂直发射和接收超声纵波和横波，无法实现纵横波的一体化并且不能满足某些领域的检测需求。
为实现上述目的，本发明提供了一种压电超声直探头，其特征在于，压电超声直探头主要由纵波直探头和横波直探头组成，纵波直探头和横波直探头分别包括匹配层、压电晶片、阻尼块、外壳以及探头接插件。
匹配层，用于实现超声直探头和工件之间的声阻抗匹配，能够将探头辐射的声波能量利用率得到提升，以及对压电晶片进行保护，避免在工作环境中受到污染或者破坏。其中，决定匹配层性能的两个关键因素是特性声阻抗和厚度。
压电晶片与匹配层贴合，用于将电能转换为声能；压电晶片在发射超声波时，在电脉冲激励下压电晶片产生振动，辐射超声波；压电晶片在接收超声波时，当接收的超声波作用于压电晶片时，压电晶片受迫振动引起的形变转换成相应的电信号。
阻尼块与压电晶片贴合，用于吸收压电晶片发射的超声波，以防止杂波过多干扰压电超声直探头的信号采集；以及产生阻尼作用，使压电超声直探头发射超声波脉冲后尽快停止振动。
接插件的作用是引出压电晶片的正负极，用于压电探头和设备进行信号连接。
其中，压电晶片采用纵波晶片和横波晶片，纵波晶片发射和接收超声纵波，横波晶片发射和接收超声横波。纵波晶片和横波晶片按照检测需求组合两者的位置。纵波晶片和所述横波晶片按照检测需求组合两者的位置包括左右平行式、前后同轴式和内嵌包含式，纵波晶片和横波晶片按照的组合形式对应的声场分布形式为左右平行式声场、前后同轴式声场和内嵌包含式声场，但不局限于这几种形式。
该探头可垂直发射和接收超声纵波和横波，根据需要控制其在被检工件中的声场分布，包括左右平行式、前后同轴式、内嵌包含式等多种分布形式，纵波部分和横波部分是双通道相互独立的，可分时激励也可同时激励，满足某些特殊检测领域的非常规检测需求。
其中，某些特殊领域包括应力测量领域，在此领域中要求精确测量材料的纵横波声速。目前是分别用纵波探头和横波探头进行测量，由于要更换探头，使得耦合效果有差异，造成较大的测量误差。为解决类似问题，本发明提供了一种将纵横波探头合二为一的压电超声直探头。
另外，在非线性声学领域，要分析材料缺陷的非线性效应，其中纵波和横波对材料微裂纹作用后的散射声场，就需要这样的纵横波一体式的压电超声直探头，尤其是前后同轴式的压电超声直探头，这种探头可以控制激励时 间和相位，进行声学非线性研究，进一步提高了准确性。
本发明的有益效果是，为纵横波一体式结构，即同一超声探头上，即可发射接收纵波信号，也可直接发射接收横波信号，其中，能量弱、杂波多的模式转换方式产生横波除外；二者即可同时发收，也可分时发收；二者的频率可相同，也可不同；纵波和横波的声场分布可控可调，以满足不同领域的特殊检测需求。本发明实现了纵横波的一体化，在实际使用过程中无需更换纵波探头和横波探头，在使用上方便便捷，同时本发明具有高准确性和良好的稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种压电超声直探头结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种左右平行式压电超声直探头结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种前后同轴式压电超声直探头结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种内嵌包含式压电超声直探头结构示意图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
图1为本发明实施例提供的一种压电超声直探头结构示意图。如图1所示，压电超声直探头由纵波直探头和横波直探头组成，其中，纵波直探头和横波直探头分别包括匹配层1、压电晶片2、阻尼块3、外壳4以及探头接插件5；其中，
匹配层1，用于实现超声直探头和工件之间的声阻抗匹配，能够将探头辐射的声波能量利用率得到提升，以及对所述压电晶片进行保护，避免 在工作环境中受到污染或者破坏。其中，决定匹配层性能的两个关键因素是特性声阻抗和厚度。
压电晶片2与匹配层1贴合，用于将电能转换为声能；压电晶片2在发射超声波时，在电脉冲激励下压电晶片2产生振动，辐射超声波；压电晶片2在接收超声波时，当接收的超声波作用于压电晶片2时，压电晶片2受迫振动引起的形变转换成相应的电信号。
阻尼块3与压电晶片2贴合，用于吸收压电晶片2发射的超声波，以防止杂波过多干扰压电超声直探头的信号采集；以及产生阻尼作用，使压电超声直探头发射超声波脉冲后尽快停止振动。此外，探头的阻尼块3不传播声波，只起到吸收背向杂散声波的作用，降低噪声，提高探头信噪比。
外壳4的作用是保护内部原件，将核心部分封装。
接插件5，可以引出压电晶片2的正负极，并且用于压电超声直探头和外部设备进行信号连接。
压电超声直探头既可以发射超声波也可以接收超声波。其中，发射超声波：通过接插件5给探头的压电晶片2接电，压电晶片2在电激励作用下产生伸缩振动，根据逆压电效应，该振动在传播到匹配层1和工件中传播，即为超声波，根据振动方向和传播方向的关系可分为纵波和横波。
接收超声波：来自工件内部的反射或者散射超声波传播到匹配层1，再传播到压电晶片2表面，利用正压电效应，压电晶片2表面产生与这种振动相关的电信号，再通过接插件5进入电路系统进行信号接收。
压电晶片2采用纵波晶片和横波晶片，其中横波晶片产生横向超声波。纵波晶片发射和接收超声纵波，横波晶片发射和接收超声横波。纵波晶片和横波晶片按照检测需求组合两者的位置。
对于纵波直探头，利用厚度方向极化的1-3型压电复合材料晶片的厚度振动模式，可垂直发射纵波并入射到被测样品中。对于横波直探头，利用2-2型压电复合晶片的剪切振动模式，该种模式的振动方向和声波传播方向垂直， 接触到被检工件中可直接垂直入射横波。关于纵波部分和横波部分的组合形式，是与所需要的被检工件内部声场分布相关的，具体的实现形式，可以包括左右平行式、前后同轴式、内嵌包含式等。在每一种超声探头的分布形式中，纵波晶片与横波晶片的相互位置可以根据需要互换，隔声材料减小纵横波晶片之间的振动串扰。本发明专利包含但不限于以上三种组合形式。具体形式如图2-4。
图2为本发明实施例提供的一种左右平行式压电超声直探头结构示意图。如图2所示，左右平行式压电超声直探头包括：匹配层1、纵波晶片2＇、横波晶片2＂、阻尼块3、外壳4、隔声材料6及电极引线7。在左右平行式压电超声直探头中，其结构为探头被隔声材料6平分成左右对称结构的两部分，其中一部分按照接收超声波方向依次放置匹配层1、纵波晶片2＇、阻尼块3以及电极引线7；另一部分按照接收超声波方向依次放置匹配层1、横波晶片2＂、阻尼块3以及电极引线7。
其中，纵波晶片采用1-3型压电复合材料晶片，横波晶片2-2型压电复合材料晶片，两者都可以垂直于工件表面进行直接发射和接收纵波和横波。纵波与横波的工作频率可相同也可不同。采用左右平行式，探头接插件至少为3芯，其中2芯分别连接纵波和横波晶片的正极，1芯连接两者的负极。
左右平行式压电超声直探头既可以发射超声波也可以接收超声波。纵波部分和横波部分可分别实现纵波和横波的发射和接收。
发射超声横波的过程：通过接插件5给探头的横波晶片2＂接电，横波晶片2＂在电激励作用下产生剪切振动，根据逆压电效应，该振动在匹配层1和工件中传播，由于振动方向和传播方向垂直，即为超声横波。同理，发射超声纵波的过程：通过接插件5给探头的纵波晶片2＇接电，纵波晶片2＇在电激励作用下产生伸缩振动，根据逆压电效应，该振动在匹配层1和工件中传播，由于振动方向和传播方向相同，即为超声纵波。
接收超声横波：来自工件内部的反射或者散射超声横波传播到匹配层 1，再传播到横波晶片2＂表面，利用正压电效应，横波晶片2＂表面产生与这种振动相关的电信号，再通过接插件5进入电路系统进行信号接收。同理，接收超声纵波：来自工件内部的反射或者散射超声纵波传播到匹配层1，再传播到纵波晶片2＇表面，利用正压电效应，纵波晶片2＇表面产生与这种振动相关的电信号，再通过接插件5进入电路系统进行信号接收。
可分别设计纵横波的匹配层和阻尼块参数，使得各自满足其最佳性能要求，中间用隔声材料进行振动隔离，减小相互之间的振动串扰，提高整体信噪比，外壳统一封装并安装接插件。
左右平行式压电超声直探头可以产生平行的纵横波声场，例如在螺栓应力测量中，两种声场同时或者分时作用在螺栓内，分别测量螺栓纵横波声速，可以保证在相同耦合情况下测量的准确性和可靠性。
图3为本发明的具体实施方式提供的一种前后同轴式压电超声直探头示意图；如图3所示，前后同轴式压电超声直探头包括：匹配层1、纵波晶片2＇、横波晶片2＂、阻尼块3、外壳4、接插件5及电极引线7。在前后同轴式压电超声直探头中，其结构为按照接收超声波方向依次放置匹配层1、横波晶片2＂、匹配层1、纵波晶片2＇、阻尼块3以及电极引线7。
前后同轴式压电超声直探头既可以发射超声波也可以接收超声波。纵波部分和横波部分可分别实现纵波和横波的发射和接收。
发射超声横波：通过接插件5给探头的横波晶片2＂接电，横波晶片2＂在电激励作用下产生剪切振动，根据逆压电效应，该振动在传播到匹配层1和工件中传播，即为超声横波。同理，发射超声纵波：通过接插件5给探头的纵波晶片2＇接电，纵波晶片2＇在电激励作用下产生伸缩振动，根据逆压电效应，该振动在匹配层1和工件中传播，即为超声纵波。
接收超声横波：来自工件内部的反射或者散射超声横波传播到匹配层1，再传播横波晶片2＂表面，利用正压电效应，横波晶片2＂表面产生与这种振动相关的电信号，再通过接插件5进入电路系统进行信号接收。同理， 接收超声纵波：来自工件内部的反射或者散射超声纵波传播到匹配层1，再传播纵波晶片2＇表面，利用正压电效应，纵波晶片2＇表面产生与这种振动相关的电信号，再通过接插件5进入电路系统进行信号接收。
其中，前后同轴式超声直探头的晶片分布可以是纵波晶片在前、横波晶片在后，或者横波晶片在前、纵波晶片在后，其辐射的声场会有前后同轴的分布效果，除了可以测量材料纵横波声速进而计算其材料声学、力学性能，还能根据纵横波声速差异，通过控制纵横波的激励时间，研究材料中纵横波的相互作用，这在非线性声学研究中有研究价值。
图4为本发明的具体实施方式提供的一种内嵌包含式压电超声直探头示意图；如图4所示，内嵌包含式压电超声直探头包括：匹配层1、纵波晶片2＇、横波晶片2＂、阻尼块3、外壳4、接插件5、隔声材料6及电极引线7。在内嵌包含式压电超声直探头中，其结构为按照接收超声波方向依次放置匹配层1、横波晶片2＂，隔声材料6，纵波晶片2＇、阻尼块3以及电极引线7。其中在第二层中心位置设置横波晶片2＂，在横波晶片2＂的两侧分别设置纵波晶片2＇，在横波晶片2＂和纵波晶片2＇之间分别设置两个隔声材料6。
内嵌式压电超声直探头既可以发射超声波也可以接收超声波。纵波部分和横波部分可分别实现纵波和横波的发射和接收。
发射超声横波：通过接插件5给探头的横波晶片2＂接电，横波晶片2＂在电激励作用下产生剪切振动，根据逆压电效应，该振动在传播到匹配层1和工件中传播，即为超声横波。同理，发射超声纵波：通过接插件5给探头的纵波晶片2＇接电，纵波晶片2＇在电激励作用下产生伸缩振动，根据逆压电效应，该振动在匹配层1和工件中传播，即为超声纵波。
接收超声横波：来自工件内部的反射或者散射超声横波传播到匹配层1，再传播到横波晶片2＂表面，利用正压电效应，横波晶片2＂表面产生与这种振动相关的电信号，再通过接插件5进入电路系统进行信号接收。同 理，接收超声纵波：来自工件内部的反射或者散射超声纵波传播到匹配层1，再传播到纵波晶片2＇表面，利用正压电效应，纵波晶片2＇表面产生与这种振动相关的电信号，再通过接插件5进入电路系统进行信号接收。
纵横波晶片是内嵌式的，可纵波晶片在中心，横波晶片在外圈，或者横波晶片在中心，纵波晶片在外圈，形成内嵌包含的声场分布，也是对特定的检测对象进行纵横波干预的，应用领域在非线性声学研究中有研究价值。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种压电超声直探头，包括外壳(4)，其特征在于，所述压电超声直探头由纵波直探头和横波直探头组成，所述纵波直探头和横波直探头分别包括匹配层(1)、压电晶片(2)、阻尼块(3)以及探头接插件(5)；其中，
所述匹配层(1)，用于实现所述超声直探头和工件之间的声阻抗匹配，能够将探头辐射的声波能量利用率得到提升，以及对所述压电晶片(2)进行保护；
所述压电晶片(2)与所述匹配层(1)贴合，用于将电能转换为声能；所述压电晶片(2)在发射超声波时，在电脉冲激励下所述压电晶片(2)产生振动，辐射超声波；所述压电晶片(2)在接收超声波时，当接收的超声波作用于所述压电晶片(2)时，所述压电晶片(2)受迫振动引起的形变转换成相应的电信号；
所述阻尼块(3)与所述压电晶片(2)贴合，用于吸收所述压电晶片(2)发射的超声波，以防止杂波过多干扰所述压电超声直探头的信号采集；以及产生阻尼作用，使所述压电超声直探头发射超声波脉冲后尽快停止振动；
所述接插件(5)，用于引出所述压电晶片(2)的正负极，还用于所述压电超声直探头和外部设备进行信号连接。
2.根据权利要求1所述的压电超声直探头，其特征在于，所述压电晶片(2)由纵波晶片和横波晶片构成，其中所述横波晶片用于产生剪切振动的超声横波。
3.根据权利要求2所述的压电超声直探头，其特征在于，所述横波晶片为发射-接收压电晶片，所述纵波晶片为发射-接收晶片，所述纵波晶片和所述横波晶片按照检测需求组合两者的位置。
4.根据权利要求3所述的压电超声直探头，其特征在于，所述纵波晶片和所述横波晶片按照检测需求组合两者的位置包括左右平行式、前后同轴式和内嵌包含式。
5.根据权利要求4所述的压电超声直探头，所述左右平行式为：所述压电超声直探头被隔声材料(6)平分成左右对称结构的两部分，其中第一部分按照接收超声波方位依次放置所述匹配层(1)、所述纵波晶片(2＇)、所述阻尼块(3)以及电极引线(7)；第二部分按照接收超声波方向依次放置所述匹配层(1)、所述横波晶片(2＂)、所述阻尼块(3)以及电极引线(7)。
6.根据权利要求4所述的压电超声直探头，所述的压电超声直探头还包括电极引线(7)，所述前后同轴式为：所述压电超声直探头按照接收超声波方向依次放置所述匹配层(1)、所述横波晶片(2＂)、所述匹配层(1)、所述纵波晶片(2＇)、所述阻尼块(3)以及所述电极引线(7)。
7.根据权利要求4所述的压电超声直探头，所述的压电超声直探头还包括隔声材料(6)及电极引线(7)，所述内嵌包含式为：所述压电超声直探头按照接收超声波方向依次放置所述匹配层(1)、所述横波晶片(2＂)，所述隔声材料(6)，所述纵波晶片(2＇)、所述阻尼块(3)以及所述电极引线(7)。
8.根据权利要求4所述的压电超声直探头，所述的压电超声直探头还包括隔声材料(6)，所述内嵌包含式为：所述横波晶片(2＂)位于横波晶片(2＂)、纵波晶片(2＇)、隔声材料(6)三者所在层的中心，在所述横波晶片(2＂)的两侧分别设置所述纵波晶片(2＇)，在所述横波晶片(2＂)和所述纵波晶片(2＇)之间分别设置两个所述隔声材料(6)。
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