CN106680377B - 一种用于复合材料结构筋条区检测的超声阵列换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于无损检测技术领域，涉及一种用于复合材料筋条区检测的超声阵列换能器。本发明针对复合材料结构筋条结构连接区几何特点，基于超声反射原理，通过构建超声阵列晶元和超声波传播途径，发明了一种超声线性阵列换能器，克服了传统超声检测方法复合材料结构筋条区根部存在几何不接近区造成的检测盲区大和检测效率低等不足。实际检测效果表明，采用本发明中的超声阵列换能器，明显提高了超声对复合材料结构筋条区检测的可达性，显著减少了超声对复合材料结构筋条区几何检测盲区，进而提高了复合材料结构筋条区检测的可达性、缺陷检出率，检测效率提高10倍以上，取得了很好的实际检测效果。
Description
技术领域
本发明属于无损检测技术领域，涉及一种用于复合材料结构筋条区检测的超声阵列换能器。
背景技术
复合材料结构加强筋条区是复合材料承力结构的重要组成部分，起到载荷传递和承力作用，这种复合材料结构形式目前已在航空航天、交通等工业领域应用广泛。为了保证筋条区与复合材料蒙皮之间的胶接质量，通常需要对复合材料结构筋条部位进行可靠地无损检测。目前是基于超声方法进行复合材料结构筋条部位的无损检测，利用超声换能器发射/接收超声波，实现材料结构筋条部位的检测：一种是采用单晶元的超声换能器，其主要不足是，(1)属点扫描，检测效率低；(2)超声换能器自身结构会在复合材料结构筋条区根部位置造成几何不接近区，进而造成检测盲区、易出现缺陷漏检。为了改善其中的检测效率低的不足，另一种方法是，设计采用超声相控阵换能器，但其主要不足是：(1)普通的超声相控阵换能器自身结构同样会在复合材料结构筋条区的根部位置造成几何不接近区，进而造成检测盲区、易出现缺陷漏检，因其结构直尺比单晶元探头更大，造成的几何检测盲区可能会更大；(2)由于复合材料连接区筋条部位在检测工序，呈现立式摆放位置，普通超声相控阵换能器需要与复合材料连接区筋条部位的底边和立边接触耦合，由此造成手动扫描效果受到影响，进而容易引起声学耦合不良，造成检测信号不稳定，容易漏检。而采用一些专门的超声自动扫描系统移动超声换能器，实现复合材料结构筋条区的自动扫描检测，则：(1)需要根据不同的材料结构筋条部位的几何特点，设计不同的扫描检测系统，成本非常高、技术难度大；(2)因自动扫描机构复杂和场地环境条件的限制，实现起来较困难；(3)对检测场地要求高，需要占用较大的专用检测场地；(4)检测结果的核实实时性不好：(5)不适合工序间的材料结构筋条部位的检测。
发明内容
本发明的目的是针对复合材料结构筋条区的超声检测，提出一种用于复合材料筋条区立边和底边部位检测的超声阵列换能器，实现复合材料结构筋条区的超声覆盖检测，减少复合材料结构筋条区根部的几何检测盲区，改善超声对复合材料结构筋条区根部的可检性和可达性，提高复合材料结构筋条区的检测效率和检测结果的可靠性。本发明的技术解决方案是，
超声阵列换能器包括线超声阵列传感器单元、超声透射镜、超声反射镜，
1)超声阵列换能器的结构组成
超声传感器单元由线阵列压电晶元、匹配层、外壳、连接座、连接线、阻尼块、封盖组成，
线阵列压电晶元由N个长L×宽W的压电晶元组成，这里，ei为线阵列压电晶元中的第i个压电晶元，i＝1,2,...,N，其中每个压电晶元ei的负极共地，每个压电晶元ei的正极彼此电器隔离，
外壳为一长方体加工而成，在此长方体内部加工有左右贯通内长方孔，在此长方体下端前后外侧加工有均布的2个小凸台，每个凸台中加工有一贯穿通孔，在外壳上端面的中心位置加工有2个螺纹孔，
匹配层为一透射材料制成的矩形薄片，与外壳的贯通内长方孔间隙配合，
阻尼块由环氧树脂和阻尼材料混合而成，
封盖外形尺寸与外壳的外形尺寸匹配，在封盖的端面上加工有2个通孔，此2个通孔的位置与外壳上端面的中心位置2个螺纹孔相匹配，在封盖的中心位置加工有一插座连接孔，
超声透射镜由一矩形透声材料块加工成，此矩形透声材料块一个端面加工为45°的斜切面，矩形透声材料块的其它端面均为矩形平面，所有端面研磨抛光，超声透射镜斜切面的两侧面靠近矩形平面的位置上加工有两个均布的带有小螺纹孔的小凸台，此小凸台中的小螺纹孔与外壳下端前后外侧均布的2个小凸台上的贯穿通孔同轴和位置匹配，在超声透射镜靠近斜切面位置的前后两侧加工有两个45°小斜凸台，小斜凸台中加工有45°的小通孔，
超声反射镜由一矩形高声反射材料块加工成，此矩形高声反射材料块的一个端面加工为45°的斜切面，且斜切面研磨抛光后，再镀上声反射层，矩形高声反射材料块的其它面均为矩形平面，且此矩形平面研磨抛光，在超声反射镜45°的斜切面一侧的前后两侧加工有两45°小凸台，此小凸台中加工有小螺纹孔，此螺纹孔与超声透射镜45°斜切面位置的前后两侧两个45°的小通孔同轴和位置匹配；
2)超声阵列换能器的结构连接装配
将负极连接线的一端与线阵列压电晶元的共地端连接，将线阵列压电晶元与匹配层通过环氧树脂胶接，将正极连接线的一端与线阵列压电晶元中的每个电晶元ei的上端正极连接，将连接好的线阵列压电晶元、匹配层及连接线一起置于外壳的下端长方内孔中，通过树脂使匹配层与外壳的长方内孔的周围预粘接固定，并使树脂匹配层下端面与外壳下端面齐平，然后，将配备好的阻尼块从外壳的上端长方内孔开口处进行灌封，封装完毕，将连接座与封盖安装固定，将线阵列压电晶元中的各正、负极连接线的另一端与连接座中的相应端子连接，将封盖与外壳上端通过螺纹连接，完成了上述装配后，对匹配层再次进行研磨后，将超声透射镜上端面与匹配层的下端面保持声学接触耦合，并由螺钉通过外壳两小凸台中的小通孔将超声透射镜上端前后两侧小凸台中的螺纹孔连接锁紧，将超声反射镜上端斜面与超声透射镜下端斜面保持声学接触耦合，并由螺钉通过超声透射镜中的斜切面位置的前后两侧45°小斜凸台中的小通孔与超声反射镜中的45°的斜切面一侧的前后两侧45°小凸台中的小螺纹孔连接锁紧，至此完成了超声阵列换能器的工艺制备和组装。
所述的超声传感器单元中的线阵列压电晶元由N个长L×宽W的压电晶元组成，W的取值范围为1.5mm-3.0mm之间。
根据被检测复合材料结构筋条区的材料和厚度不同，阻尼块中的环氧树脂与阻尼材料按1:1～1:3之间的重量比例进行混合。
所述的超声传感器单元中的线阵列压电晶元的频率取值范围为5.0MHz-10.0MHz之间。
所述的超声阵列换能器中的超声透射镜选用低声衰减的非金属材料制成，超声反射镜的材料选择按式选择。
其中，式(2)为：ρ2υ2≥6ρ1υ1；
这里，ρ1，υ1——分别为超声透射镜的密度和声速，
ρ2，υ2——分别为超声反射镜的密度和声速。
所述的超声阵列换能器中的超声传感器单元中的线阵列压电晶元采用并行方式工作或通过电子延时实现相控制方式工作，用于不同检测效率条件下的复合材料筋条区的快速超声可视化检测。
所述的超声阵列换能器中的超声传感器单元由个压电晶元构成，N根据被检测复合材料筋条区底边或立边的宽度w按下式确定其最小整数值：
所述的一种用于检测复合材料结构筋条区的超声阵列换能器进行测试的方法是，将组装完成后的超声阵列换能器与超声阵列单元进行连接，使超声透射镜的斜切面与复合材料测试试样表面声学接触耦合，依次接通线阵列压电晶元中的每个压电晶元ei，压电晶元ei产生的入射声波和反射声波沿路径传播，观察其来自复合材料测试试样中的底面回波信号根据的有无和大小判别每个电晶元ei是否工作正常，并记录每个来自每个压电晶元ei的的幅值分贝值dBi。
本发明具有的优点和有益效果，本发明针对复合材料结构筋条结构连接区几何特点，基于超声反射原理，通过构建超声阵列晶元和超声波传播途径，发明了一种超声线性阵列换能器，克服了传统超声检测方法复合材料结构筋条区根部存在几何不接近区造成的检测盲区大和检测效率低等不足。实际检测效果表明，采用本发明中的超声阵列换能器，明显提高了超声对复合材料结构筋条区检测的可达性，显著减少了超声对复合材料结构筋条区几何检测盲区，进而提高了复合材料结构筋条区检测的可达性、缺陷检出率，检测效率提高10倍以上，取得了很好的实际检测效果。本发明还具有如下特点，
(1)本发明针对复合材料结构中的筋条区几何特点，基于超声反射原理，通过构建超声阵列晶元、超声反射镜和透射镜，改变超声波传播路径，实现被检测复合材料结构筋条区及其根部位置的超声波的发射/接收，从而克服了因换能器结构造成的复合材料结构中不同筋条区根部几何不接近区引起的检测盲区和漏检等不足，显著改善了超声对复合材料结构中的筋条区的可检性和可达性，大大地提高了缺陷检出率和检测可靠性。
(2)本发明提出了一种超声线性阵列换能器及其接触耦合方式，明显提高了检测效率，综合检测效率比传统单晶元检测方法提高10倍以上。
(3)采用本发明提出的超声线性阵列换能器及其接触耦合方式，检测信号稳定，便于手动扫查，显著改善了手动扫查检测过程中的舒适度和耦合效果，也降低了缺陷漏检率。
(4)采用本发明的超声线性阵列换能器，通过选择不同的超声波入射面，可以用于不同制造工序阶段的复合材料结构筋条区底边和立边部位的有效检测，适用性强，检测成本低，易于实现复合材料结构筋条连接部位底边的快速可视化检测，从而为复合材料结构筋条连接部位工艺改进和产品质量控制提供了十分重要的超声快速可视化检测用换能器。
附图说明
图1是本发明中的用于复合材料结构筋条区底边检测的超声阵列换能器结构图；
图2是本发明中的用于复合材料结构连接区立边检测的超声阵列换能器结构图。
图3是本发明的一种用于复合材料结构连接区检测的超声阵列换能器三维示意图。
具体实施方式
1.用于检测复合材料结构筋条区的超声阵列换能器包括线超声阵列传感器单元1、超声透射镜2、超声反射镜3，
1)超声阵列换能器的结构组成
超声传感器单元1由线阵列压电晶元1A、匹配层1B、外壳1C、连接座1D、连接线1E、阻尼块1F、封盖1G组成，如图1所示，
线阵列压电晶元1A由N个长L×宽W的压电晶元组成，这里，ei为线阵列压电晶元1A中的第i个压电晶元，i＝1,2,...,N，其中每个压电晶元ei的负极共地，每个压电晶元ei的正极彼此电器隔离，
外壳1C为一长方体加工而成，在此长方体内部加工有左右贯通内长方孔，在此长方体下端前后外侧加工有均布的2个小凸台1H，每个凸台1H中加工有一贯穿通孔，在外壳1C上端面的中心位置加工有2个螺纹孔，
匹配层1B为一透射材料制成的矩形薄片，与外壳1C的贯通内长方孔间隙配合，
阻尼块1F由环氧树脂和阻尼材料混合而成，
封盖1G外形尺寸与外壳1C的外形尺寸匹配，在封盖1G的端面上加工有2个通孔，此2个通孔的位置与外壳1C上端面的中心位置2个螺纹孔相匹配，在封盖1G的中心位置加工有一插座连接孔，
超声透射镜2由一矩形透声材料块加工成，此矩形透声材料块一个端面加工为45°的斜切面，矩形透声材料块的其它端面均为矩形平面，所有端面研磨抛光，超声透射镜2斜切面的两侧面靠近矩形平面的位置上加工有两个均布的带有小螺纹孔的小凸台，如图3所示，此小凸台中的小螺纹孔与外壳1C下端前后外侧均布的2个小凸台1H上的贯穿通孔同轴和位置匹配，在超声透射镜2靠近斜切面位置的前后两侧加工有两个45°小斜凸台，小斜凸台中加工有45°的小通孔，根据被检测复合材料筋条区的底边和立边位置，选择超声透射镜2中的45°的斜切面的方向，如图1和如图2所示，用于复合材料筋条区中不同底边和立边位置的超声检测，
超声反射镜3由一矩形高声反射材料块加工成，此矩形高声反射材料块的一个端面加工为45°的斜切面，且斜切面研磨抛光后，再镀上声反射层，矩形高声反射材料块的其它面均为矩形平面，且此矩形平面研磨抛光，在超声反射镜345°的斜切面一侧的前后两侧加工有两45°小凸台，此小凸台中加工有小螺纹孔，此螺纹孔与超声透射镜2的45°斜切面位置的前后两侧两个45°的小通孔同轴和位置匹配，可根据被检测复合材料筋条区的底边和立边位置，超声反射镜3中的45°的斜切面的选择与超声透射镜2中的45°的斜切面匹配，如图1和如图2所示，用于复合材料筋条区中不同底边和立边位置的超声检测；
2)超声阵列换能器的结构连接装配
将负极连接线的一端与线阵列压电晶元1A的共地端连接，将线阵列压电晶元1A与匹配层1B通过环氧树脂胶接，将正极连接线的一端与线阵列压电晶元1A中的每个电晶元ei的上端正极连接，将连接好的线阵列压电晶元1A、匹配层1B及连接线一起置于外壳1C的下端长方内孔中，通过树脂使匹配层1B与外壳1C的长方内孔的周围预粘接固定，并使树脂匹配层1B下端面与外壳1C下端面齐平，然后，将配备好的阻尼块1F从外壳1C的上端长方内孔开口处进行灌封，封装完毕，将连接座1D与封盖1G安装固定，将线阵列压电晶元1A中的各正、负极连接线1E的另一端与连接座1D中的相应端子连接，将封盖1G与外壳1C上端通过螺纹连接，完成了上述装配后，对匹配层1B再次进行研磨后，将超声透射镜2上端面与匹配层1B的下端面保持声学接触耦合，并由螺钉通过外壳1C两小凸台1H中的小通孔将超声透射镜2上端前后两侧小凸台中的螺纹孔连接锁紧，将超声反射镜3上端斜面与超声透射镜2下端斜面保持声学接触耦合，并由螺钉通过超声透射镜2中的斜切面位置的前后两侧45°小斜凸台中的小通孔与超声反射镜3中的45°的斜切面一侧的前后两侧45°小凸台中的小螺纹孔连接锁紧，至此完成了超声阵列换能器的工艺制备和组装。
用于检测复合材料结构筋条区的超声阵列换能器中的超声传感器单元1中的线阵列压电晶元1A由N个长L×宽W的压电晶元组成，W的取值范围为1.5mm-3.0mm之间。
根据被检测复合材料结构筋条区的材料和厚度不同，阻尼块1F中的环氧树脂与阻尼材料按1:1～1:3之间的重量比例进行混合。
超声传感器单元1中的线阵列压电晶元1A的频率取值范围为5.0MHz-10.0MHz之间。
超声透射镜2选用低声衰减的非金属材料制成，超声反射镜3的材料选择按式(2)选择。
ρ2υ2≥6ρ1υ1 (2)
这里，ρ1，υ1——分别为超声透射镜2的密度和声速，
ρ2，υ2——分别为超声反射镜3的密度和声速，
超声传感器单元1中的线阵列压电晶元1A采用并行方式工作或通过电子延时实现相控制方式工作，用于不同检测效率条件下的复合材料筋条区的快速超声可视化检测。
超声传感器单元(1)由个压电晶元构成，N根据被检测复合材料筋条区底边或立边的宽度w按下式确定其最小整数值：
将组装完成后的超声阵列换能器与超声阵列单元进行连接，使超声透射镜2的斜切面与复合材料测试试样表面声学接触耦合，依次接通线阵列压电晶元1A中的每个压电晶元ei，压电晶元ei产生的入射声波和反射声波沿路径1M传播，观察其来自复合材料测试试样中的底面回波信号根据的有无和大小判别每个电晶元ei是否工作正常，并记录每个来自每个压电晶元ei的的幅值分贝值dBi，然后根据dBi值判别每个电晶元ei是否工作正常。
实施例
采用本发明专利，将超声阵列换能器与中航复合材料有限责任公司的超声阵列单元匹配使用，对不同复合材料结构筋条部位底边、立边进行了系列的实际检测应用，其中，选择5.0MHz、7.5MHz和10MHz频率，压电晶元的宽度分别为1.0mm、1.5mm和3.0mm，复合材料结构筋条连接部位的底边的高度分别为30mm、50mm、60mm，采用接触耦合，手动扫查方式，带筋条的复合材料结构大小在200×300mm—500×2500mm不等，系列的实际检测结果表明，采用本发明专利的超声阵列换能器，可检测出复合材料结构筋条部位底边中的Ф3mm缺陷和Ф6mm的分层及胶层气孔以及筋条区的结构变化等，可视化成像质量非常清晰，取得了很好的实际检测效果。
Claims (8)
1.一种用于检测复合材料结构筋条区的超声阵列换能器，其特征是，超声阵列换能器包括线超声阵列传感器单元(1)、超声透射镜(2)、超声反射镜(3)，
1)超声阵列换能器的结构组成
超声传感器单元(1)由线阵列压电晶元(1A)、匹配层(1B)、外壳(1C)、连接座(1D)、连接线(1E)、阻尼块(1F)、封盖(1G)组成，
线阵列压电晶元(1A)由N个长L×宽W的压电晶元组成，这里，ei为线阵列压电晶元(1A)中的第i个压电晶元，i＝1,2,...,N，其中每个压电晶元ei的负极共地，每个压电晶元ei的正极彼此电器隔离，
外壳(1C)为一长方体加工而成，在此长方体内部加工有左右贯通内长方孔，在此长方体下端前后外侧加工有均布的2个小凸台(1H)，每个凸台(1H)中加工有一贯穿通孔，在外壳(1C)上端面的中心位置加工有2个螺纹孔，
匹配层(1B)为一透射材料制成的矩形薄片，与外壳(1C)的贯通内长方孔间隙配合，
阻尼块(1F)由环氧树脂和阻尼材料混合而成，
封盖(1G)外形尺寸与外壳(1C)的外形尺寸匹配，在封盖(1G)的端面上加工有2个通孔，此2个通孔的位置与外壳(1C)上端面的中心位置2个螺纹孔相匹配，在封盖(1G)的中心位置加工有一插座连接孔，
超声透射镜(2)由一矩形透声材料块加工成，此矩形透声材料块一个端面加工为45°的斜切面，矩形透声材料块的其它端面均为矩形平面，所有端面研磨抛光，超声透射镜(2)斜切面的两侧面靠近矩形平面的位置上加工有两个均布的带有小螺纹孔的小凸台，此小凸台中的小螺纹孔与外壳(1C)下端前后外侧均布的2个小凸台(1H)上的贯穿通孔同轴和位置匹配，在超声透射镜(2)靠近斜切面位置的前后两侧加工有两个45°小斜凸台，小斜凸台中加工有45°的小通孔，
超声反射镜(3)由一矩形高声反射材料块加工成，此矩形高声反射材料块的一个端面加工为45°的斜切面，且斜切面研磨抛光后，再镀上声反射层，矩形高声反射材料块的其它面均为矩形平面，且此矩形平面研磨抛光，在超声反射镜(3)45°的斜切面一侧的前后两侧加工有两45°小凸台，此小凸台中加工有小螺纹孔，此螺纹孔与超声透射镜(2)45°斜切面位置的前后两侧两个45°的小通孔同轴和位置匹配；
2)超声阵列换能器的结构连接装配
将负极连接线的一端与线阵列压电晶元(1A)的共地端连接，将线阵列压电晶元(1A)与匹配层(1B)通过环氧树脂胶接，将正极连接线的一端与线阵列压电晶元(1A)中的每个电晶元ei的上端正极连接，将连接好的线阵列压电晶元(1A)、匹配层(1B)及连接线一起置于外壳(1C)的下端长方内孔中，通过树脂使匹配层(1B)与外壳(1C)的长方内孔的周围预粘接固定，并使树脂匹配层(1B)下端面与外壳(1C)下端面齐平，然后，将配备好的阻尼块(1F)从外壳(1C)的上端长方内孔开口处进行灌封，封装完毕，将连接座(1D)与封盖(1G)安装固定，将线阵列压电晶元(1A)中的各正、负极连接线(1E)的另一端与连接座(1D)中的相应端子连接，将封盖(1G)与外壳(1C)上端通过螺纹连接，完成了上述装配后，对匹配层(1B)再次进行研磨后，将超声透射镜(2)上端面与匹配层(1B)的下端面保持声学接触耦合，并由螺钉通过外壳(1C)两小凸台(1H)中的小通孔将超声透射镜(2)上端前后两侧小凸台中的螺纹孔连接锁紧，将超声反射镜(3)上端斜面与超声透射镜(2)下端斜面保持声学接触耦合，并由螺钉通过超声透射镜(2)中的斜切面位置的前后两侧45°小斜凸台中的小通孔与超声反射镜(3)中的45°的斜切面一侧的前后两侧45°小凸台中的小螺纹孔连接锁紧，至此完成了超声阵列换能器的工艺制备和组装。
2.根据权利要求1所述的一种用于检测复合材料结构筋条区的超声阵列换能器，其特征是，超声传感器单元(1)中的线阵列压电晶元(1A)由N个长L×宽W的压电晶元组成，W的取值范围为1.5mm-3.0mm之间。
3.根据权利要求1所述的一种用于检测复合材料结构筋条区的超声阵列换能器，其特征是，根据被检测复合材料结构筋条区的材料和厚度不同，阻尼块(1F)中的环氧树脂与阻尼材料按1:1～1:3之间的重量比例进行混合。
4.根据权利要求1所述的一种用于检测复合材料结构筋条区的超声阵列换能器，其特征是，超声传感器单元(1)中的线阵列压电晶元(1A)的频率取值范围为5.0MHz-10.0MHz之间。
5.根据权利要求1所述的一种用于检测复合材料结构筋条区的超声阵列换能器，其特征是，超声透射镜(2)选用低声衰减的非金属材料制成，超声反射镜(3)的材料选择按式(2)选择；
其中，式(2)为：ρ2υ2≥6ρ1υ1；
这里，ρ1，υ1——分别为超声透射镜(2)的密度和声速，
ρ2，υ2——分别为超声反射镜(3)的密度和声速。
6.根据权利要求1所述的一种用于检测复合材料结构筋条区的超声阵列换能器，其特征是，超声传感器单元(1)中的线阵列压电晶元(1A)采用并行方式工作或通过电子延时实现相控制方式工作，用于不同检测效率条件下的复合材料筋条区的快速超声可视化检测。
7.根据权利要求1所述的一种用于检测复合材料结构筋条区的超声阵列换能器，其特征是，超声传感器单元(1)由个压电晶元构成，N根据被检测复合材料筋条区底边或立边的宽度w按下式确定其最小整数值：
8.一种利用权利要求1所述的一种用于检测复合材料结构筋条区的超声阵列换能器进行测试的方法，其特征是，将组装完成后的超声阵列换能器与超声阵列单元进行连接，使超声透射镜(2)的斜切面与复合材料测试试样表面声学接触耦合，依次接通线阵列压电晶元(1A)中的每个压电晶元ei，压电晶元ei产生的入射声波和反射声波沿路径(1M)传播，观察其来自复合材料测试试样中的底面回波信号根据的有无和大小判别每个电晶元ei是否工作正常，并记录每个来自每个压电晶元ei的的幅值分贝值dBi。
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