CN110361455B - 一种软膜超声波探头及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种软膜超声波探头及其制备方法。具体的，所述软膜超声波探头包括保护膜和软膜，所述软膜设置在所述保护膜上，所述软膜的底面和所述保护膜的表面相适应，所述软膜的外表面为弧面。本发明的软膜超声波探头能够与待检测面的良好贴合，从而解决耦合不良、超声波穿透能量不足、信噪比差的问题，可以有效提高探头的检测稳定性，提高检测效率。

Description

一种软膜超声波探头及其制备方法

技术领域

本发明涉及检测技术领域，特别是指一种软膜超声波探头及其制备方法。

背景技术

单晶探头是超声波检测中一种应用最为广泛的探头，其制造成本低，技术状态成熟，应用灵活便捷，操作相对简单。普通单晶探头适用于平面被检面，并且在检测时，需要借助耦合剂保障探头和被检面的良好接触。然而，在实际工程检测过程中，工件的被检面通常带有一定弧度，导致压电晶片表面和产品被检表面不能良好贴合，由于弧度的存在，耦合剂也难以填充探头和被检面之间的空隙，导致耦合状态差，声波衰减大，甚至没有回波。

工程技术人员研发了在探头前端加水膜的方式应对曲面产品的检测，这些形状各异、加工复杂的水膜探头虽然满足了工程上对于曲面产品检测的要求，但是用于兜水的薄膜和探头不是一体，更换探头需更换薄膜和相应配件，薄膜易破损，导致价格昂贵、适用范围窄、使用稳定性低。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种软膜超声波探头及其制备方法，有效解决曲面产品接触式超声波检测时耦合不良、稳定性差的问题。

基于上述目的本发明提供的一种软膜超声波探头，包括保护膜和软膜，所述软膜设置在所述保护膜上，所述软膜的底面和所述保护膜的表面相适应，所述软膜的外表面为弧面。

进一步的，所述软膜的声阻抗小于待检测面的声阻抗。

进一步的，所述弧面的曲率与待检测面曲率相适应。

进一步的，所述弧面为球冠。

本发明还提供一种软膜超声波探头的制备方法，，所述制备方法包括如下步骤：将配置的软膜溶液置于保护膜上；旋转所述保护膜至所述软膜溶液覆盖所述保护膜，降低速度使旋转产生的惯性小于所述软膜溶液自身的阻力；旋转停止后静置，所述软膜溶液凝固成软膜，最后得软膜超声波探头。

进一步的，降低后的速度小于等于所述软膜溶液能够流动的旋转速度的1/2。

进一步的，利用传感器检测获取所述保护膜边缘的软膜溶液信息，根据软膜溶液信息发出控制信号降低旋转速度。

进一步的，根据所述软膜的声阻抗小于待检测面的声阻抗，确定所述软膜溶液的成分及各成分的比例。

进一步的，所述软膜溶液包括乙烯基硅油和含氧硅油。

进一步的，根据待检测面的曲率以及保护膜的半径，确定所述软膜溶液的体积。

从上面所述可以看出，本发明提供的软膜超声波探头，通过在保护模上设置外表面为弧面的软膜，借助软膜保障探头与待检测面的良好贴合，从而解决耦合不良、超声波穿透能量不足、信噪比差的问题，可以有效提高探头的检测稳定性，提高检测效率。另外，软膜固定成型在保护膜上，形成软膜探头，不会脱落、偏离、损坏，具有稳定可靠结实耐用的优点。

本发明提供的软膜超声波探头的制备方法，通过旋转实现软膜溶液的流动、静置实现软膜溶液的凝固即可得到软膜超声波探头，工艺简单快捷、无需外加辅助装置、成本低廉。

特别是，当超声波探头已经确定后，可以根据待检测面的需求，通过简单的旋转凝固即可将超声波探头改造成软膜超声波探头，灵活方便，且能保证软膜的曲率与所述待检测面的曲率相适应，提高检测稳定性和监测效率。在工业使用过程中，具有广泛的适用性，降低企业检测成本。

附图说明

图1为本发明提供的一种超声波探头结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种软膜超声波探头结构示意图；

图3为采用普通超声波探头检测铝制球罐容器时得到的检测信号图；

图4为本发明实施例1提供的软膜超声探头检测铝制球罐容器时得到的检测信号图；

图5为采用普通超声波探头检测钢环时得到的检测信号图；

图6为本发明实施例2提供的软膜超声探头检测钢环时得到的检测信号图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

参见图1所示超声波探头，其包括保护膜1、压电晶片2、吸声材料3、外壳4和接头5，外壳4内沿径向依次设置吸声材料3、压电晶片2和保护膜1，所述保护膜1通过外壳4一侧端部的通孔露出，外壳4另一侧端部设置有接头5。图2为本发明提供的一种软膜超声波探头，所述软膜超声波探头还包括软膜6，所述软膜6设置在所述保护膜1上，所述软膜6的底面和所述保护膜1的表面相适应，所述软膜6的外表面为弧面。通过在保护模1上设置外表面为弧面的软膜6，保障软膜超声波探头与待检测面的良好贴合，从而解决耦合不良、超声波穿透能量不足、信噪比差的问题，可以有效提高探头的检测稳定性，提高检测效率。另外，软膜固定成型在保护膜上，形成软膜探头，不会脱落、偏离、损坏，具有稳定可靠结实耐用的优点。可以在任意场合、任意环境下使用，无需要求产品表面平滑无任何杂物，适用范围广泛。

进一步的，声阻抗描述的是介质对质点振动的阻碍程度，超声波在两种介质组成的界面上的反射和透射情况与两种介质的声阻抗大小密切相关。根据声能传输理论，声压反射率

声压透射率

更具体的，Z₁对应本发明提供的软膜超声波探头中的软膜声阻抗，Z₂为待测面声阻抗，为保障超声波透射进入待测表面，所述软膜6的声阻抗小于待检测面的声阻抗。本领域技术人员能够理解，所述软膜6的声阻抗越小越有利超声波的透射进入待检测表面，其与待检测面的差值越大，则超声波透射率越高，超声能量传递越好，能够保障超声波更好的透射进入待检测面，得到的超声波探测结果更加真实、可靠。此外，较小的声阻抗使得软膜超声波探头具有更广泛的适用性，能够适用多种待检测面。

需要说明的，现有技术中，常用材料的声阻抗可通过查询相关声阻抗表获得。对于一些未知声阻抗的材料，测量材料密度和材料声速，通过计算乘积即可得到相应的材料声阻抗。对于材料密度和材料声速的测量方法，是本领域公知的现有技术，不再赘述。

可选的，所述软膜6的声阻抗小于金属的声阻抗，所述金属可以是本领域公知的任何一种金属也可以是多种金属形成的合金，所述金属包括但不限于金、银、铜、铁、钢、铝等。

可选的，所述软膜6的声阻抗小于1.02×10⁶克/厘米²秒、小于0.77×10⁶克/厘米²秒或小于0.53×10⁶克/厘米²秒。金属或合金的声阻抗通常大于1.00×10⁶克/厘米²秒，以上三个范围能够适用于绝大多数金属或合金的超声波检测。

在本发明的一些实施例中，所述弧面的曲率与待检测面曲率相适应。具体的，根据产品工艺图纸，能够方便的查找到待检测面的曲率。对不规则曲面产品的检测选用曲率半径略小的软膜探头，保证探头中心部位良好耦合，即可满足超声波探测的需求，这是由于超声波通过压电晶片发射，在探头附近形成规律超声场，探头作用面积减小不影响超声场规律，只减小能量。此外可以根据需要，使用耦合剂增加耦合面积，保证声能传输。

在本发明的一些实施例中，所述弧面为球冠。可选的，所述球冠的曲率与待检测面曲率相适应。当弧面为球冠时，所述软膜制备简单方便、成本低廉、效率高。可选的，所述球冠的半径大于所述球冠的高度。这样的球冠，制作方便同时节约材料成本。

进一步的，形成本发明中软膜的化合物或混合物具有从液体凝固成固体的性质。在液体凝固成固体的过程中，无需借助其他设备即可完成软膜的造型，简单方便成本低廉。对于形成软膜的化合物或混合物本领域技术人员可以根据需求进行选择，不限于本发明已列举的化合物。

在本发明的一些实施例中，制备所述软膜的材料包括乙烯基硅油、铂铬催化剂或含氧硅油中的至少一者。

对于本发明提供的软膜超声波探头，可以有多种方法制备得到，例如：模具填充法或旋转凝固法，分别举例说明如下：

本发明提供一种软膜超声波探头的制备方法，包括如下步骤：根据软膜的设计要求，制备软膜的模具；将软膜溶液倒入所述模具中凝固即可得到所需软膜；最后，将所述软膜通过合适的胶粘剂固定于所述保护膜上即可得到软膜超声波探头。依据现有技术，本领域技术人员能够根据需要具体选择模具的制备方法和材料，不再赘述。

本发明还提供另一种软膜超声波探头的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：将配置的软膜溶液置于保护膜上；旋转所述保护膜至所述软膜溶液覆盖所述保护膜，降低速度使旋转产生的惯性小于所述软膜溶液自身的阻力；旋转停止后静置，所述软膜溶液凝固成软膜，最后得软膜超声波探头。可选的，所示软膜溶液置于所述保护膜中心。旋转产生的惯性会使软膜溶液向周围流动，软膜溶液自身的粘稠度又会产生扩散的阻力，在旋转过程中实时观察，当软膜溶液在旋转过程中无法流动时，需要增加旋转速度，当软膜溶液覆盖保护膜表面时，降低速度后，软膜溶液停止流动，液体表面张力会束缚溶液进而表面会形成圆弧状。通过旋转实现软膜溶液的流动、静置实现软膜溶液的凝固即可得到结实耐用的软膜，工艺简单快捷、无需外加辅助装置、成本低廉。

作为一种可选的方案，仅保护膜置于旋转机构上，软膜6形成在所述保护膜1上后，再与压电晶片等结构组装成软膜超声波探头。

本发明还提供另外一种可选的方案，当超声波探头已经组装完成时，将整个探头置于旋转机构上，将软膜溶液滴加在保护膜1上制备软膜，当软膜形成后能够直接使用无需组装。

可选的，所述保护膜的旋转速度也可以根据经验直接设定，以实现所述软膜溶液流动为准。

需要说明的是，当软膜溶液的组成确定后，静置时间可以根据模拟实验数据得出。软膜溶液总体积会对静置时间产生一定影响，体积越大凝固越慢。在本发明的一些实施例中，软膜的静置为2～3小时。静置过程中，粘稠的软膜溶液凝固固化形成软膜，即可投入使用。

在本发明的一些实施例中，降低后的速度小于等于所述软膜溶液能够流动的旋转速度的1/2。这样的速度可停止软膜溶液的继续流动，无需实验中观察探索，操作起来简单方便。本领域技术人员能够理解，降低后的速度可以为零。

作为一种可替代的实施方式，可在旋转台加装位置传感器，当传感器获取到保护膜边缘软膜溶液的信号时，可通过信号控制，降低旋转速度。这样的方式，无需操作者实时观察进行旋转速度的调节，简单方便。

在本发明的一些实施例中，根据所述软膜的声阻抗小于待检测面的声阻抗，确定所述软膜溶液的成分及各成分的比例。

在本发明的一些实施例中，所述软膜溶液包括乙烯基硅油和含氧硅油。乙烯基硅油的声阻抗为0.07×10⁶克/厘米²秒，含氧硅油的声阻抗为2.9×10⁶克/厘米²秒，两者以适当的比例配合，即可得到声阻抗极低的软膜，能够适用于多种待检测面。另外，这样的软膜溶液得到的软膜在-30～50℃下可长期使用(经环境温箱试验验证)，具有防潮、耐水、耐老化、耐辐照等特点，且化学性能稳定，机械强度好，可以在任意场合、任意环境下使用，无需要求产品表面平滑无任何杂物，适用范围广泛。

可选的，所述软膜溶液中还包括铂铬催化剂，添加铂铬催化剂有助于乙烯基硅油和所述含氧硅油的混合、凝固。

作为一个具体的示例，本发明提供乙烯基硅油、含氧硅油的可选配比、对应的声阻抗、凝固时间以及转速，具体参考表1。

表1常用配比软膜相关性能参数声阻抗值(实测)

序号	A占比	B占比	声阻抗	凝固时间	所需转速
						1	30％	70％	2.16	2h 25min	55
2	40％	60％	1.83	2h 30min	45
						3	50％	50％	1.37	2h 31min	30
4	60％	40％	1.02	2h 35min	25
						5	70％	30％	0.77	2h 37min	22
6	80％	20％	0.53	2h 40min	18

备注：1.A(乙烯基硅油，铂铬催化剂)声阻抗0.07×10⁶克/厘米²秒，B(含氧硅油)声阻抗2.9×10⁶克/厘米²秒；声阻抗单位：10⁶克/厘米²秒；2.凝固时间为10mm³软膜溶液对应的凝固时间；3.所需转速单位：转/min；4.A、B的占比为质量比。

在本发明的一些实施例中，根据待检测面的曲率以及保护膜的半径，确定所述软膜溶液的体积。由于软膜的制备工艺简单，且通常在常温下操作，软膜溶液形成软膜的过程中体积变化可以忽略不计，因此可以根据软膜的体积直接得到软膜溶液的体积。将确定体积的所述软膜溶液置于所述保护膜上，形成的软膜形状精准可靠，无需另外整形加工。

例如，当所述软膜为球缺时，所述软膜的球半径R＝所述待检测面的曲率半径，所述软膜底面半径r＝所述保护膜半径，所述软膜的高度

所述软膜溶液的体积V＝πH²(R-H/3)。当获得待检测面的曲率，保护膜的半径后，即可方便的计算得到软膜溶液的体积，便于后续旋转成型。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的软膜超声波探头及其制备方法进行详细的说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

实施例1

检测一个铝制球罐容器，通过查询产品图纸可得：产品是管材与球缺及过度圆弧焊接形成，其中管材内径130mm(半径65mm)，球缺曲率半径60mm，圆弧曲率半径63mm，容器壁厚25mm，材料声阻抗Z₂＝1.69×10⁶克/厘米²秒。

容器三个曲率半径最大相差5mm，探头弧面接触，最大间隙2.5mm，可通过耦合剂耦合，选用一个曲率半径探头即可。根据选取最小原则，确定本次试验采用软膜曲率半径为60mm。

根据声压往复透射率规律，软膜声阻抗需小于1.69×10⁶克/厘米²秒，软膜成分A声阻抗0.07×10⁶克/厘米²秒，B声阻抗2.9×10⁶克/厘米²秒，综合考虑，选择按比例A：B＝7：3配比，对应声阻抗Z₁＝0.77×10⁶克/厘米²秒，被检材料声阻抗大于软膜声阻抗，可以使用。

根据超声波检测理论知识，选择压电晶片直径φ10mm的直探头，则软膜底面半径r＝5mm，软膜球半径R＝60mm，根据前述公式，软膜高度

软膜体积V＝πH²(R-H/3)＝8.30mm³。

将保护膜置于转台上，8.30mm³软膜溶液倒入保护膜上，调整转台转速22圈/min，启动旋转，观察液体流动状况，当软膜溶液充满保护膜表面时，停止旋转，静置3小时，软膜凝固成带有弹性的球缺，安装压电晶片、吸声材料、外壳、接头等组装成软膜超声波探头。

将组装完的软膜超声波探头用专用探头线连接探伤仪器，开机调整检测灵敏度，放置在被检工件内表面，开始检测，检测结果如图4所示。

为便于本领域技术人员充分理解本实施例提供的软膜超声波探头的检测效果，本发明同时提供对比例1。

对比例1

对比例1与实施例1的区别在于：采用压电晶片直径φ10mm的直探头，直接对检测工件内表面进行检测，而不进行软膜的制备，直探头的检测结果如图3所示。

比较图3和图4可以明显看出，在相同检测参数下，普通直探头检测时底面回波信号达满幅36％(图3中箭头标识峰)，软膜探头回波信号达满幅100％(图4中箭头标识峰)；在实际检测过程中，普通直探头波形不稳定，需频繁涂抹耦合剂才能得到相对稳定的波形，软膜探头波形稳定，只涂抹两次耦合剂即完成全部检测；普通探头用时22分钟完成检测，共涂抹耦合剂8次，软膜探头用时13分钟完成检测，涂抹耦合剂2次，用软膜探头检测效果高、使用方便，检测结果相同。

实施例2

检测一个钢环，通过查询产品图纸可得：产品是热轧形成，其中环内径70mm(半径35mm)，壁厚16mm，材料声阻抗Z₂＝4.5×10⁶克/厘米²秒。

根据图纸，确定本次试验采用软膜曲率半径为35mm。

根据声压往复透射率规律，软膜声阻抗需小于4.5×10⁶克/厘米²秒，软膜成分A声阻抗0.07×10⁶克/厘米²秒，B声阻抗2.9×10⁶克/厘米²秒，任意比例均可满足声阻抗要求，考虑时间及成本，按质量比例A：B＝6：4配比，对应声阻抗Z₁＝1.02×10⁶克/厘米²秒，被检材料声阻抗大于软膜声阻抗，可以使用。

根据超声波检测理论知识，选择压电晶片直径φ10mm的直探头，则软膜底面半径r＝5mm，软膜球半径R＝35mm，根据前述公式，软膜高度

软膜体积V＝πH²(R-H/3)＝14.20mm³。

将保护膜置于转台上，14.20mm³软膜溶液倒入保护膜上，调整转台转速55圈/min，启动旋转，观察液体流动状况，当液体充满晶片保护膜表面时，停止旋转，静置2.5小时，软膜溶液凝固成带有弹性的球缺，安装压电晶片、吸声材料、外壳、接头等组装成软膜超声波探头。

将组装完的软膜超声波探头用专用探头线连接探伤仪器，开机调整检测灵敏度，放置在被检工件内表面，开始检测，检测结果如图6所示。

为便于本领域技术人员充分理解本实施例提供的软膜超声波探头的检测效果，本发明同时提供对比例2。

对比例2

对比例2与实施例2的区别在于：采用压电晶片直径φ10mm的直探头，直接对检测工件内表面进行检测，而不进行软膜的制备，直探头的检测结果如图5所示。

比较图5和图6可以明显看出，在相同检测参数下，普通直探头检测时底面回波信号达满幅60％(图5中箭头标识峰)，软膜探头回波信号在达满幅90％(图6中箭头标识峰)；在实际检测过程中，普通直探头耦合效果不稳定，需频繁涂抹耦合剂才能得到相对稳定的波形；而软膜探头波形稳定，整个检测只涂抹4次耦合剂即完成全部检测；普通探头用时5分钟完成检测，共涂抹耦合剂13次，软膜探头用时3分钟完成检测，涂抹耦合剂4次，检测结果相同。

实施例3

检测一个钛半球，通过查询产品图纸可得：产品是钛饼轧制形成，其中半球内径160mm(半径80mm)，壁厚25mm，材料声阻抗Z₂＝1.8×10⁶克/厘米²秒。

根据图纸，确定本次试验采用软膜曲率半径为80mm。

根据声压往复透射率规律，软膜声阻抗需小于1.8×10⁶克/厘米²秒，软膜成分A声阻抗0.07×10⁶克/厘米²秒，B声阻抗2.9×10⁶克/厘米²秒，任意比例均可满足声阻抗要求，考虑时间及成本，按质量比例A：B＝7：3配比，对应声阻抗Z₁＝0.77×10⁶克/厘米²秒，被检材料声阻抗大于软膜声阻抗，可以使用。

根据超声波检测理论知识，选择压电晶片直径φ10mm的直探头，则软膜底面半径r＝5mm，软膜球半径R＝80mm，根据前述公式，软膜高度

软膜体积V＝πH²(R-H/3)＝6.43mm³。

将保护膜置于转台上，6.43mm³软膜溶液倒入保护膜上，调整转台转速22圈/min，启动旋转，观察液体流动状况，当软膜溶液充满保护膜表面时，停止旋转，静置3小时，软膜凝固成带有弹性的球缺，安装压电晶片、吸声材料、外壳、接头等组装成软膜超声波探头。

将组装完的软膜超声波探头用专用探头线连接探伤仪器，开机调整检测灵敏度，放置在被检工件内表面，开始检测。

对比例3

对比例3与实施例3的区别在于：采用压电晶片直径φ10mm的直探头，直接对检测工件内表面进行检测，而不进行软膜的制备。

从检测结果可知，在相同检测参数下，普通探头检测时底面回波信号基本处于软膜探头回波信号40％～70％之间，且检测过程中普通探头耦合效果不稳定，需频繁涂抹耦合剂，而软膜探头波形稳定，只需偶尔涂抹耦合剂即可完成全部检测。检测结果均一致，但检测效率能提高1～3倍。

本发明提供的软膜超声波探头及其制备方法的技术方案，使用便捷，操作简单，耦合效果好，可以有效提高探头的检测稳定性，提高检测效率，降低生产成本，缩短生产周期。特别是，当超声波探头已经确定后，可以根据待检测面的需求，通过简单的旋转凝固即可将超声波探头改造成软膜超声波探头，成本低廉，且能保证软膜的曲率与所述待检测面的曲率相适应，提高检测稳定性和检测效率。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、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 (7)

1.一种软膜超声波探头的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

将配置的软膜溶液置于保护膜上；

旋转所述保护膜至所述软膜溶液覆盖所述保护膜，降低速度使旋转产生的惯性小于所述软膜溶液自身的阻力；

旋转停止后静置，所述软膜溶液凝固成软膜，最后得软膜超声波探头；

其中，根据待检测面的曲率以及保护膜的半径，确定所述软膜溶液的体积；

所述根据待检测面的曲率以及保护膜的半径，确定所述软膜溶液的体积，具体包括：根据如下公式计算所述软膜溶液的体积：

其中，V表示软膜溶液的体积，r表示保护膜的半径，H表示软膜的高度，R表示所述待检测面的曲率半径；

其中，所述软膜溶液中，包括：铂铬催化剂；

其中，利用传感器检测获取所述保护膜边缘的软膜溶液信息，根据软膜溶液信息通过控制信号降低旋转速度；

其中，所述软膜超声波探头，包括保护膜和软膜，所述软膜设置在所述保护膜上，所述软膜的底面和所述保护膜的表面相适应，所述软膜的外表面为弧面。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，降低后的速度小于等于所述软膜溶液能够流动的旋转速度的1/2。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，根据所述软膜的声阻抗小于待检测面的声阻抗，确定所述软膜溶液的成分及各成分的比例。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述软膜溶液包括乙烯基硅油和含氧硅油。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述软膜的声阻抗小于待检测面的声阻抗。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述弧面的曲率与待检测面曲率相适应。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述弧面为球冠。

Images