CN107884478A - 一种用于手动检测的高分辨超声探头 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种用于手动检测的高分辨超声探头，用于检测复合材料和金属材料近表面的缺陷，本发明的超声探头包括超声换能器、延迟块和延迟块固定环，其中，超声换能器进一步包括探头外壳、压电晶片、声阻尼块，所述的声阻尼块由钨粉、环氧树脂和固化剂按比例配成，且固化后上端保持一定的角度；且声阻尼块与压电晶片的高度满足一定比例关系，压电晶片的负极表面的中心上焊接有负极导线，并且延迟块的纵剖面的形状为楔形，与被检件的材料相同或声阻抗相近，高度与被检件的声速和检测厚度满足一定的数学关系式，本发明首先通过设计特定组成、尺寸、形状的声阻尼块，设计探头内部特殊的焊接方式以及设计特定材料、尺寸、形状的延迟块，提高了探头对复合材料和金属材料近表面缺陷的检测能力，减少了检测盲区，提高了检测的准确性和可靠性。
Description
技术领域
本发明属于无损检测技术领域，具体涉及一种用于手动检测的高分辨超声探头。
背景技术
超声探头已广泛应用于金属材料和复合材料的手动检测。目前，超声探头检测存在以下缺点：超声探头检测材料时，首先，会由于始波的作用使得靠近始波的一段检测深度为检测盲区，其次，超声探头产生的超声波信号为多个周期的脉冲信号，即为宽脉冲，会使检测盲区增大。一般的超声探头在检测复合材料(CFRP)时的表面盲区大于2mm，在检测金属材料(钢)时的表面盲区大于4mm，即复合材料近表面小于2mm和金属材料近表面小于4mm的深度范围内的缺陷无法检出，会大大地降低超声检测的准确性和可靠性，严重影响产品使用安全。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术不足，提出一种用于手动检测的高分辨超声探头，本发明所提供的超声探头能大幅度提高金属材料和复合材料近表面缺陷的检测能力，减少检测盲区，其检测具有很高的准确性和可靠性。
本发明的技术解决方案：一种用于手动检测的高分辨超声探头，包括超声换能器，延迟块和延迟块固定环，其中，超声换能器和延迟块通过延迟块固定环固定，所述超声换能器包括探头外壳，设置在探头外壳上端的插座以及设置在探头外壳内的封装胶、声阻尼块和压电晶片，所述压电晶片设置在探头外壳下端口，所述声阻尼块浇注于压电晶片的正极表面，由钨粉和环氧树脂体系制成，其浇注于压电晶片的正极表面且中心高度与压电晶片的高度比为50-100:1，且所述声阻尼块上端与水平面之间的角度不小于30°，所述封装胶设置在声阻尼块之上；
进一步地，所述的钨粉的粒度不小于400目，钨粉含量占总重量的65-80％，所述环氧树脂体系包括环氧树脂和固化剂；
进一步地，所述压电晶片的负极表面浇注有晶片保护膜，其厚度小于0.2mm；
进一步地，所述的压电晶片的负极表面的中心上焊接有负极导线，且导线两端焊接于探头外壳的内表面；
进一步地，所述的声阻尼块具有声阻尼块外壳，所述的声阻尼块外壳通过封装胶和凸台设计固定于探头外壳上，所述的探头外壳内部高出声阻尼块外壳的部位和插座的负极通过一负极导线连接；
进一步地，所述的压电晶片的外圆周面与声阻尼块外壳的内圆周面粘接为整体；且压电晶片的正极表面中心焊接正极导线，所述正极导线的另一端与插座的正极连接；
进一步地，所述的延迟块的纵剖面形状为楔形，且与被检测件的材料相同或声阻抗差值小于10％，且高度满足：
高度>(被检测件检测厚度/被检测件的声速)*延迟块的声速；
本发明与现有技术相比具有以下特点及优点：
本发明首先通过设计特定组成、尺寸、形状的声阻尼块，保证了探头良好的声阻尼效果且不会形成杂波，使得探头产生的超声波脉冲信号宽度小于1.5周，保证了探头在检测时良好的近表面分辨率；此外，本发明通过设计探头内部特殊的焊接方式和较小厚度晶片保护膜，保证了对声场较小的影响；通过设计特定材料、尺寸、形状的延迟块，利用延迟块的延时作用，使得探头始波与材料表面的反射波分开，并利用延迟块材料的声阻抗与被检测材料接近的特点，使得延迟块与材料表面的界面反射波较低，进一步提高了探头的近表面分辨率。
本发明所提供的一种用于手动检测的高分辨超声探头，极大提高了对复合材料和金属材料近表面缺陷的检测能力，减少了检测盲区，提高了超声手动检测的准确性和可靠性。
附图说明
图1-(1)、(2)、(3)、(4)为本发明的高分辨超声探头组装前的各个部分结构示意图，其中，图1-(1)为探头的超声换能器，图1-(2)为图1-(1)的仰视图，图1-(3)为探头的延迟块固定环，图1-(4)为探头的延迟块，
图2为本发明的高分辨超声探头组装后的结构示意图。
图中，1—插座、2-1和2-2—负极导线、3—正极导线、4—封装胶、5—探头外壳、6—声阻尼块外壳、7—声阻尼块、8—压电晶片、9—晶片保护膜、10—延迟块固定环、11—延迟块、a和b—细牙螺纹。
具体实施方式
下面参照附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或者更多个其他附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。
参见图1和2，按照图1和2所示，一种用于手动检测的高分辨超声探头，包括超声换能器1-(1)、延迟块11和延迟块固定环10，所述的超声换能器1-(1)进一步由插座1、负极导线2-1和2-2、正极导线3、封装胶4、探头外壳5、声阻尼块外壳6、声阻尼块7、压电晶片8和晶片保护膜9组成，其中，声阻尼块外壳6通过封装胶4和凸台设计固定于探头外壳5上，将负极导线2-2的一端与探头外壳5内部高出阻尼块外壳6的部位焊接，另一端与插座1负极焊接；所述的压电晶片8外圆周面与声阻尼块外壳6的内圆周面粘接为整体，在压电晶片8正极表面上浇注有声阻尼块7，且正极表面中心焊接正极导线3，正极导线另一端与插座1的正极连接；所述的压电晶片8负极表面与阻尼块外壳6下表面对齐，将负极导线2-1焊接在压电晶片8负极表面的中心上，且导线两端焊接在探头外壳5内表面，此外，压电晶片8负极表面还浇注有晶片保护膜9，所述的延迟块11通过延迟块固定环10的细牙螺纹b和探头外壳5的细牙螺纹a固定在晶片保护膜9表面，保证延迟块11在检测过程中的稳定性，且延迟块11和晶片保护膜9之间采用机油耦合。
进一步地，
所述的插座1为lemo类型的插座，保证探头连接线易于插拔；
所述的探头外壳5的材料为导电良好的铝合金或铜合金；
所述的压电晶片8由压电陶瓷制造，谐振频率为10MHz；
所述的声阻尼块7组成如下：粒度不小于400目钨粉、618环氧树脂和T-31固化剂，其中，钨粉含量占总重量的65-80％，所述618环氧树脂和T-31固化剂的重量比为3：1，保证良好的声阻尼效果，使产生的超声波脉冲的周次小于1.5周；并且声阻尼块7固化后上端与水平面之间的角度不小于30°，保证入射到阻尼块上端的超声波不会反射至压电晶片8形成杂波；
进一步地，所述的声阻尼块7中心的高度与压电晶片8的高度比为50-100:1，保证良好的声阻尼效果；
所述的晶片保护膜9由环氧树脂与固化剂浇注而成，厚度小于0.2mm，保证对超声波的传播影响较小；
所述的负极导线2-1紧贴压电晶片8负极表面，且直径小于0.05mm，保证焊点和负极导线对声场的影响较小；
所述的延迟块固定环10的外表面设置有网纹，增加摩擦力，便于更换延迟块和手持；
所述的延迟块11与被检测件的材料相同或声阻抗差值小于10％，保证检测时延迟块与材料表面的界面反射波较低，提高近表面分辨率，且延迟块11的高度满足：高度>(被检件检测厚度/被检件的声速)*延迟块的声速，保证延迟块的反射信号不会影响检测信号，延迟块11的纵剖面形状为楔形，保证能够便于检测探头难以接触的部位。
本发明的工作原理为：
超声检测仪的发射电路发出一个激励电脉冲，经过探头连接线，再通过插座1中的正极导线3和负极导线2-2、探头外壳5、负极导线2-1传导至压电晶片8上，压电晶片8通过逆压电效应和声阻尼块7的阻尼作用产生宽度小于1.5周的超声波脉冲信号，超声波脉冲信号通过晶片保护膜9、延迟块11和耦合介质入射至被检测材料中。入射超声波脉冲在被检材料中遇到缺陷会产生反射超声波脉冲，反射超声波脉冲沿着入射超声波脉冲相反的方向传播到耦合介质、延迟块11、晶片保护膜9，再传播至压电晶片8，压电晶片8通过压电效应将反射超声波脉冲转化为电脉冲，电脉冲通过负极导线2-1、探头外壳5、负极导线2-2和正极导线3传导至超声仪的接收电路，经过超声检测仪的处理、显示，实现金属材料和复合材料近表面缺陷的检测。
实施例1
根据本发明所提供的超声探头，其中，采用声阻尼块7组成：粒度为400目的钨粉占总重量的75％，剩下的为618环氧树脂和T-31固化剂，618环氧树脂和T-31固化剂的重量比为3：1，阻尼块固化后上端与水平面之间的角度为30°；声阻尼块7中心的高度与压电晶片8的高度比为60:1；晶片保护膜9的厚度为0.1mm，负极导线2-1的直径为0.02mm；
本发明的高分辨超声探头近表面分辨率满足公式：l＝nc/2f，
式中：n—超声波脉冲的周次；c—材料声速；f—探头频率
本实施例中高分辨超声探头f＝10MHz，n＝1，一般的碳纤维树脂基复合材料声速c≈3000m/s，金属钢的声速c≈6000m/s，代入公式得，检测碳纤维复合材料的分辨率＝0.15mm，检测金属的分辨率＝0.3mm。
采用本发明的频率为10MHz的高分辨超声探头分别与NDTS90、Sonotest450P、USN60、CTS9009超声检测仪匹配使用，对多批次碳纤维树脂基复合材料构件进行实际检测，结果表明，本发明的探头可实现该种材料近表面无盲区手动检测；对多批次的钛合金和合金钢构件进行实际检测，结果表明，本发明的探头可实现该种材料近表面盲区小于0.3mm的手动检测。
本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。
Claims (9)
1.一种用于手动检测的高分辨超声探头，包括超声换能器，延迟块和延迟块固定环，所述超声换能器和延迟块通过延迟块固定环固定，所述超声换能器包括探头外壳，设置在探头外壳上端的插座以及设置在探头外壳内的封装胶、声阻尼块和压电晶片，其特征在于：所述压电晶片设置在探头外壳下端口，所述声阻尼块由钨粉、环氧树脂体系制成，其浇注于压电晶片的正极表面且中心高度与压电晶片的高度比为50-100:1，且所述声阻尼块上端与水平面之间的角度不小于30°，所述封装胶设置在声阻尼块之上。
2.根据权利要求1所述的一种用于手动检测的高分辨超声探头，其特征在于：所述钨粉的粒度不小于400目，且所述钨粉的含量占总重量的65-80％。
3.根据权利要求2所述的一种用于手动检测的高分辨超声探头，其特征在于：所述环氧树脂固化体系包括环氧树脂和固化剂。
4.根据权利要求1所述的一种用于手动检测的高分辨超声探头，其特征在于：所述压电晶片的负极表面浇注有晶片保护膜，其厚度小于0.2mm。
5.根据权利要求4所述的一种用于手动检测的高分辨超声探头，其特征在于：所述压电晶片的负极表面的中心上焊接有负极导线，且导线两端焊接于探头外壳的内表面。
6.根据权利要求1所述的一种用于手动检测的高分辨超声探头，其特征在于：所述声阻尼块具有声阻尼块外壳，所述外壳通过封装胶和凸台设计固定于探头外壳上。
7.根据权利要求6所述的一种用于手动检测的高分辨超声探头，其特征在于：所述探头外壳内部高出声阻尼块外壳的部位和插座的负极通过负极导线连接。
8.根据权利要求6所述的一种用于手动检测的高分辨超声探头，其特征在于：所述压电晶片的外圆周面与声阻尼块外壳的内圆周面粘接为整体，且压电晶片的正极表面中心焊接正极导线，正极导线的另一端与插座的正极连接。
9.根据权利要求1所述的一种用于手动检测的高分辨超声探头，其特征在于：所述延迟块的纵剖面形状为楔形，且与被检测件的材料相同或声阻抗差值小于10％，其高度满足：
高度>(被检测件检测厚度/被检测件的声速)*延迟块的声速。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180406 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |