CN111542403B - 超声波换能器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声换能器(1)。该换能器包括一个耐磨帽(2)和一个有源元件(18)。耐磨帽包括至少一个凹槽，该凹槽被配置用来规定一个条带(15)。所述条带被配置成与有源元件振动连通。超声换能器可以包括一个刚性块(21)。有源元件可以插入在耐磨帽和刚性块之间，并且刚性块可以被配置为有源元件提供背衬质量。可选地，刚性块可以包括倒角的边缘(25、27)。

Description

超声波换能器

发明领域

本发明涉及一种超声波换能器，特别的，但不仅是，被用在在引导超声波的管道中使用来检查管道。

背景

超声波能用于检查结构，例如管道，用于鉴别结构内的瑕疵和裂缝。超声波检查装置的实例可以在WO 96/12951A,WO 2007/125308A2和EP 1 394 538A1中找到。

WO 96/12951 A描述了用于检查细长组件的装置，如管道。该装置包括夹在管外壁的一个有一定角度的换能器(或“励磁机”)环。每一个换能器包括一个压电元件，一个粘附在压电元件上的金属块，固定在压电元件的表面作为耐磨板的一个薄的面板。

WO 2011/131954 A2描述了一个改良的超声波换能器，其包括一个耐磨板，一个安装在耐磨板后面的压电元件，以及安装在压电元件后面的刚性块，并且被配置用来作为压电元件的背衬质量。该耐磨板越过压电元件向后延伸，以便在压电元件和刚性块的至少前部的侧面上提供盖帽。

发明内容

根据本发明的第一部分，本发明提供了一种超声波换能器。该换能器包括耐磨帽和一个有源元件(例如压电元件)。耐磨帽包括配置的至少一个凹槽来规定一个条带，并且条带被配置成与有源元件振动连通。

因此，对于给定的外力，该耐磨帽可以进一步位移，对于给定的输入信号产生更大的激发，对于给定的接收结果产生更大的输出信号。

耐磨帽可以包括单个"U"形槽，因此该条带是悬臂式的。

耐磨帽可以包括至少2个凹槽，配置的第一和第二个凹槽在位于第一和第二凹槽之间限定了的条带。优选的，耐磨帽包括两个凹槽。

凹槽之间的条带的朝外的表面可以是平坦的。可选的，条带的朝外表面的一部分可以向外突出。例如，条带的朝外表面可以向外突出从而提供一个钝的脊线，或提供一个刀刃或尖锐的脊线。

优选的,该条带沿与有源元件的极化轴成45°以内的方向延伸。例如，条带可以平行于或基本平行于有源元件的极化轴延伸。

超声波换能器可以进一步包括一个刚性块，其中有源元件插入耐磨帽和刚性块之间，该刚性块被配置作为有源元件的背衬质量。

刚性块具有一个顶面，一个底面和多个侧面。相邻侧面间的边缘可以形成倒角。多个侧面间的边缘可以具有倒角边缘。每一个侧面和底面间的边缘可以被倒角。刚性块的每一个侧面与底面间的边缘可以分别被倒角。倒角的宽度可以随着边缘变动。例如，倒角可以逐渐变窄。倒角可以沿着一端到另一端的边缘变更窄。

根据本发明的第二部分，本发明提供了一种超声波换能器。该换能器包括一个耐磨帽、一个压电元件和一个刚性块。这个刚性快具有一个顶面、一个底面和多个侧面。相邻侧面间的边缘被倒角和/或每一个侧面和底面间的边缘被倒角。

因此，倒角有助于使其更难刺激产生共振模式。

倒角的宽度可以沿着边缘变动。例如，倒角可以变窄。

附图说明

这里将以实施例的方式，根据相关的图例，描述本发明内容，其中:

图1是超声波换能器组件的分解透视图；

图2是图1所示超声波换能器组件的部分剖面透视图；

图3是图1所示超声波换能器组件的透视图；

图4是图1沿A-A’截取的超声波换能器的横剖面视图；

图5是从上面观察具有两条狭缝的耐磨板的透视图；

图6是从下面观察具有两条狭缝的耐磨板的透视图；

图7是具有倒角边缘的背衬块的透视图，其通常在前面和背面具有一致的横截面积；

图8是具有倒角边缘的背衬块的透视图，通常它的前面和背面间的横截面积逐渐减小；

图9是用于比较的没有两条狭缝的耐磨板的计算机模型；

图10是具有两条狭缝的耐磨板的计算机模型；

图11是另一种具有减小的接触面积的耐磨板的截面图。

实施例的详细描述

参照图1-7，显示了超声波换能器组件1(这里简单指“超声波换能器”)。

超声波换能器1包括一个耐磨帽2(其也可以指“耐磨板”、‘面板’或“接触头”)，其具有前表面3(或“朝外表面”)，在使用中，在检查情况下它被压住并与一个物体或结构接触(未显示)，以及一个后表面4(图4)。耐磨帽2可以由陶瓷、如二氧化锆(Zio2)或氧化铝(Al2O3),或其他适当的材料制作成。

耐磨帽2的前表面3一般具有截头三角棱柱形，该截头三角棱柱形具有一条中线5，并包含一个中心，在第一端和第二端7、8与第一和第二侧面9、10间延伸的平坦表面部分6，和第一第二侧面的倾斜表面部分11、12。

耐磨帽2包括沿着平坦表面6的第一测面9和第二侧面10延伸的第一和第二槽口13、14(或“凹槽”)，该平坦表面6没有端点7、8。凹槽13、14通过适当的工艺过程形成，如激光加工。凹槽13、14穿过耐磨帽2，即在前表面3和后表面4之间。凹槽13、14规定了条带15(为了清晰，标示为阴影部分)，其悬在端点7、8间，并给予了更大的移动自由度，即凹槽13、14增加了激发耐磨帽2穿过的柔韧性(或“可塑性”)。换句话说，对于给定的作用力，耐磨帽2能进一步位移。条带15通常朝与有源层的极性相同的方向延伸。

超声换能器1包括换能器栈16，该换能器栈16包括最接近耐磨帽2的一个接地电极17，一个以剪切方式极化压电层形式的有源层18和一个信号电极19。有源层18夹在电极17、19中间。可以包含的第二种换能器栈，如WO2011/131954A2所述，其被参考引用合并入本发明内容。

一个电绝缘层20能使换能器栈16与刚性块21分开，该刚性块21提供非谐振的背衬块。刚性块21优选地由钢或其他致密材料制成，以提供高质量的块。可选择使其具有低的热膨胀系数的材料或与耐磨板2匹配的材料。

还参考图7，刚性块21(在此称为“第一刚性块”或“具有均匀倒角的刚性块”)包括围绕块21的顶部23的凹边缘22，从而形成台面24。刚性块21包括倒角的侧边缘25，即，在相邻不同侧面26之间的倒角边缘。块21包括倒角的底面边缘27，即，在一个相邻侧面26和底面28之间的倒角边缘。正如稍后将更详细地说明的，这可以帮助改变背衬块21的共振频率。

还参考图8，显示了另一个刚性块21′(在本文中称为“第二刚性块”或“具有锥形倒角的刚性块”)。可以使用第二刚性块21’代替图7所示的第一刚性块21。

第二刚性块21′与第一刚性块21相似，除了倒角的侧边缘25′和/或倒角的底边缘27′宽度在块21′的顶部23′和底部28′之间变化。特别地，侧面倒角的宽度朝着块21'的底部28'变小。

微型同轴电缆29提供与信号电极20的带电连接。电缆29位于半圆形凹槽30中，该凹槽在刚性块21的一个侧面25的中间向下延伸。

耐磨帽2的形状提供了一个空间或凹部31，换能器叠层16，绝缘板20和刚性块21的顶部位于该空间或凹部31内。耐磨帽2可以被机械加工或模制成形。

耐磨帽2可以具有等于或大于1mm或等于或大于2mm的材料的厚度t。如图4所述，厚度t在于待测结构接触的点(或区域)的后面(为显示)。在这个实施例中，厚度t对应耐磨帽2中间的厚度。

在上述实施例中，耐磨帽2在条带15(及沿着x轴和Y轴)的宽度和长度上具有平坦的外形，并且条带15的宽度和长度具有均匀的厚度。然而耐磨板2可以具有其他外形。

还参考图11，显示了耐磨帽2′具有减小接触面积的外形轮廓，例如，条带15′具有截头三角形棱柱的形状。例如，如果凹槽13’、14’之间的宽度w是w，则耐磨帽2’的接触部分的宽度为宽度α.w，其中α＜1，例如0.5。可以使用具有刀刃边缘的耐磨帽(未示出)，如在WO2011/131954A2中所描述的。在减小的接触区域中，耐磨帽2可以做得更厚，那样有助于减少来自被测热结构和有源元件的热传递。

特别参照图4，空间31的其余部分(图4)用柔性填充物(未示出)填充，例如环氧树脂粘合剂或灌封胶。

仍然参照图1至图6，换能器1可以用于如WO 96/12951A和WO 2007/125308A2中所述的用于检查管道的设备或方法中，其内容被参考引用合并入本发明内容。

凹槽的作用

可以用有限元静态分析来模拟凹槽的作用。

参照图9和图10，具有凹槽102、103的耐磨帽101和不具有凹槽的耐磨帽91被模拟施加给定的力，在这种情况下为1N，到耐磨帽的后表面区域，其通常与有源元件接触。帽的下表面(即边缘)是固定的，表示帽与背衬块固定接触。

图9显示了没有凹槽的耐磨帽91位移的计算机模拟。

图10显示了具有第一凹槽102和第二凹槽103的耐磨帽101的位移的计算机模拟。

具有凹槽的耐磨帽的中心部分(即中心部分104)能产生更大的位移。对于作用在耐磨帽的后表面的相同的作用力，具有凹槽的耐磨帽的位移是没有凹槽的相同耐磨帽的四倍。因此，使用这里所述的凹槽有助于改善接收信号的信噪比。

倒角的作用

换能器以低于第一人体共振频率的频率运行。这通常取决于背衬材料的最长尺寸，即相对边缘之间的对角距离。通过引入倒角，减小了该距离，从而导致人体共振频率的增加，而没有显著减小背衬块的重量。为了强烈激发共振，有源元件的激发在某种程度上与共振的振型相匹配。

改变倒角，如图8所示，以产生具有非对称形状的背衬块，由于模态形状的失配，可以帮助使其而更难以激发谐振模态。

因此，如果所用的换能器接近共振频率，则根本不可能会激发这些共振，假如真发生的话。

修改

应当理解，可以对上述实施例进行各种修改。这样的修改可以包括在设计，制造和使用超声换能器及其组成部分中已知的等效特征和其他特征，并且可以替代或附加于本文已经描述的特征并使用。一个实施例的特征可以由另一实施例的特征代替或补充。

凹槽可以不是直的或甚至不沿着相同路径。例如，每一条凹槽可以是不规则形的。

可以具有一种‘U’形凹槽，那样分别定义了悬臂式凹槽。可以具有一种‘H’形凹槽，那样定义了两条悬臂式凹槽。

可以具有3个或更多凹槽，例如，定义2条或更多相邻的条带。

这个凹槽可以用填充物(或“密封剂”)填充，如粘合剂(例如环氧树脂)或灌注胶。

耐磨板可以用保护膜或保护层包被，或具有用塑料材料成型的盖子。

换能器可以在超声波频率范围以外进行。例如换能器可以在低于20kHz、如与5至6kHz一样低的频率运行。换能器可以在高于100kHz或更多的频率下运行。

可以省略刚性块。取而代之的是，换能器可以通过金属带(未显示)支持，该金属带可以将换能器推向被检测的物体或结构(未显示)。

尽管在本申请中已经将权利要求表述为特定的特征组合，但是应该理解，本发明的公开范围还包括显性或隐含的本文公开的任何新颖特征或特征的任何新颖组合，或其任何概括。它是否与同一发明的权利要求中公开的有关，以及是否减轻了与本发明相同的技术问题。申请人特此声明，在本申请或由此得出的任何进一步申请的答辩期间，可以针对这些特征和/或这些特征的组合提出新的权利要求。

Claims (15)

1.超声波换能器，包括：

一个耐磨帽；以及

一个压电元件；

其中耐磨帽包括至少两个凹槽被配置用于规定一个条带，并且这个条带被配置为可以与压电元件振动连通，所述凹槽被配置为使得耐磨帽对于给定的输入信号产生更大的激发，对于给定的接收结果产生更大的输出信号；以及

其中所述条带与压电元件的极化轴呈45°以内的方向延伸。

2.根据权利要求1的超声波换能器，其中耐磨帽包括至少两个凹槽，配置的凹槽包括第一和第二凹槽用于规定第一凹槽和第二凹槽间的条带。

3.根据权利要求1或2的超声波换能器，其中位于第一和第二凹槽间的条带的朝外表面是平坦的。

4.根据权利要求1或2的超声波换能器，其中，所述条带的朝外表面的部分向外突出。

5.根据权利要求4的超声波换能器，其中所述条带的朝外表面向外延伸来提供刀刃状边缘或锋利边缘。

6.根据权利要求1的超声波换能器，进一步包括：

一个刚性块；

其中压电元件被插入耐磨帽与刚性块之间，并且刚性块被配置为压电元件提供背衬质量。

7.根据权利要求6的超声波换能器，其中刚性块具有一个顶面、一个底面和多个侧面。

8.根据权利要求6或7的超声波换能器，其中相邻的侧面间的边缘被倒角。

9.根据权利要求6的超声波换能器，其中任意侧面和底面间的边缘被倒角。

10.根据权利要求6的超声波换能器，其中倒角的宽度沿着边缘变动。

11.根据权利要求10的超声波换能器，其中倒角变窄。

12.根据权利要求1至11任一项的超声波换能器，其中耐磨帽由陶瓷制成。

13.超声波换能器， 包括：

一个耐磨帽；

一个有源元件；以及

一个刚性块；

其中刚性块具有一个顶面、一个底面和多个侧面，其中相邻侧面间的边缘被倒角和/或每一个侧面与底面间的边缘被倒角；以及

其中倒角的宽度沿着边缘变动。

14.根据权利要求13的超声波换能器，其中倒角变窄。

15.根据权利要求13或14的超声波换能器，其中耐磨帽由陶瓷制成。

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