CN113661391A - 用于导波测试的超声波传感器 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于导波测试的超声波传感器。传感器包括柔性电路板(2)、位于该柔性电路板上的压电元件阵列(10)以及永磁体阵列(16)。每个压电元件插置在各自的永磁体与该柔性电路板之间。

Description

用于导波测试的超声波传感器

技术领域

本发明涉及一种用于诸如管道之类的结构的导波测试的超声波传感器。

背景技术

超声导波有限公司(英国伦敦)目前销售一种可永久安装的监控系统(gPIMS)传感器。该传感器具有安装在柔性电路板上的两行压电元件和两个环形钢带，这两个钢带有助于将传感器保持在适当的位置，并且向压电元件背面的电极提供电接地连接。虽然钢带有助于固定传感器，但传感器仍使用环氧树脂粘合剂粘到管道上。

传感器布线完成之后，组件用聚氨酯弹性体来包覆成型，以提供机械保护和环境保护，以及抑制可能将噪声引入接收信号的不需要的振动。为了将电路安装到管道上，在传感器的内表面涂上粘合剂，然后使用两个弹簧螺栓来拉紧钢带。换能器元件上的力取决于该带中的张力，并且通过仔细监控施加到紧固螺栓上的扭矩来控制。

压电元件被分成围绕管道的圆周的组或“通道”，通常每行六到十二个通道。管道的圆周可能要求使用多个柔性电路板，并且每个电路的通道数量可能需要调整以考虑到这一点。例如，如果需要四个柔性电路板围绕管道的圆周以创建16通道环，则每个电路板将需要两行元件和每行两个通道。因此，当组合四个电路板时，有两行，每行八个通道。

为测试管道，将振荡电压顺序地施加到阵列的通道。这使换能器在管道中产生切向波。在换能器已发送信号之后，它们被用来接收管道中的反射振动，并且将它们转换回可以被处理和分析的电信号。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种用于导波测试的超声波传感器。该传感器包括柔性电路板、柔性电路板上的压电元件阵列和永磁体阵列，每个压电元件插置在各自的永磁体与柔性电路板之间。

压电元件优选为切向极化压电元件。然而，压电元件可以是厚度极化的，例如用于轨道的导波测试。压电元件优选直接设置或支撑在柔性电路板上。

压电元件可以在第一方向上跨柔性电路板布置在第一行和第二行中。第一行中的压电元件的极化和第二行中的压电元件的极化是相同的。第一行中的压电元件的极化和第二行中的压电元件的极化是逆平行的。可以有多于两行的压电元件，例如三行、四行、五行或更多行。

压电元件阵列可以包括10到500个压电元件。

压电元件可以包括锆钛酸铅(PZT)块。每个压电元件通常可以是矩形长方体。每个压电元件具有取向识别特征，诸如倒角。

柔性电路板可以包括塑料材料，诸如聚酰亚胺、PEEK或聚酯。柔性电路板可以支持导电轨道，例如，铜轨道。

永磁体可以包括铁氧体或稀土金属，诸如钕铁硼(NdFeB)或钐钴(SmCo)。永磁体可以是长方体。每个永磁体可以具有用于容纳各自的压电元件的凹口，以用于减小永磁体与柔性电路板之间的间隙。

超声波传感器还可以包括至少一个导电条，该至少一个导电条在永磁体的线的上方延伸，并且在永磁体之间的柔性电路板上沿着片材延伸。至少一个导电条可以包括至少一个金属条，例如，由铜形成的金属条。

该超声波传感器还可以包括导线组，其中每根导线连接到各自的压电元件或连接到柔性电路板的各自的导电轨道，并且导电轨道连接到一个或多个各自的压电元件或连接到至少两个压电元件的组。

该超声波传感器还可以包括包覆成型件，该包覆成型件至少封装柔性电路板、压电元件和永磁体。

根据本发明的第二方面，提供了一种换能器阵列环，该换能器阵列环包括多个第一方面中的超声波传感器。

该换能器阵列环还可以包括第一接合条和第二接合条，该第一接合条和该第二接合条被布置成与端对端布置的第一超声波传感器和第二超声波传感器重叠，并且固定至该第一超声波传感器和该第二超声波传感器。

根据本发明的第三方面，提供了一种使用第一方面中的超声波传感器或第二方面中的换能器阵列环的方法，该方法包括将超声波传感器或换能器阵列环附接至铁磁结构(诸如管道、风力涡轮机塔架、灯柱或建筑物支撑)。

该超声波传感器或该换能器阵列环可以在不用粘合剂或保持带的情况下被固定至铁磁结构。用粘合剂或保持带将该超声波传感器或该换能器阵列环固定至铁磁结构。

该方法还可以包括允许从铁磁结构中移除附接的超声波传感器或换能器阵列环。

该方法还可以包括在水中或水附近使用该超声波传感器或该换能器阵列环。

该方法还可以包括将该超声波传感器或该换能器阵列环安装至铁磁结构的内壁。

附图说明

现将通过示例的方式，参考附图来描述本发明的特定实施例，其中：

图1是包括包覆成型件的超声波传感器条的透视图；

图2是图1所示的超声波传感器条的另一透视图，为了清楚起见，包覆成型件被示出为半透明的，以图示传感器条的其他部分；

图3是图1所示的超声波传感器条的分解图；

图4是包括柔性电路板的组件的透视图，该柔性电路板支撑压电换能器阵列；

图5是图4所示的组件的一部分的放大平面图；

图6是包括柔性电路板的组件的透视图，该柔性电路板支撑压电换能器阵列和永磁体阵列；

图7是图6所示的组件的一部分的放大透视图；

图8是包括柔性电路板的组件的透视图，该柔性电路板支撑压电换能器阵列、永磁体阵列和导电条；

图9是部分柔性电路板、压电换能器、永磁体阵列和导电轨道的透视图；

图10是图示将传感器分组为通道的平面图；

图11是使用贴片接合在一起的两个传感器条的透视图；

图12是围绕管道的多个传感器条和对准结构的透视图；

图13是图12所示的多个传感器条以及管道在对准结构已被移除之后的透视图；以及

图14是图13所示的传感器条和管道的另一透视图，为了清楚起见，管道被示出为半透明的。

具体实施方式

参考图1至图3，示出了用于诸如管道之类的结构的导波检测的超声波传感器条1。如将在下文中更详细解释的，两个或更多个超声波传感器条1可以接合在一起以形成换能器阵列环31(图11)，以用于检查更大的结构，诸如大直径的管道。传感器条1和换能器环可以在不使用粘合剂或张紧带的情况下固定至由铁磁材料诸如钢制成的结构。

具体参照图3，超声波传感器条1包括柔性电路板2，该柔性电路板2采取沿着纵向轴线在第一端3与第二端4之间延伸的条的形式，并且具有第一相对侧边5和第二相对侧边6。柔性电路板2包括由诸如聚酰亚胺或另一种合适的塑料材料之类的介电材料形成的基板7，该基板具有支撑导电轨道9的表面8(在本文中被称为“上表面”)(图9)。基板7的厚度s优选小于2mm，或者更优选小于1mm。

柔性电路板2具有足够的柔性，使得其可以弹性弯曲以具有足够小的曲率半径，从而使它得以缠绕或符合一结构，诸如具有例如2英寸标称孔或甚至1英寸标称孔的管道。柔性电路板2不需要采取矩形条的形式。柔性电路板2可以是正方形、多边形，或者可以是形状复杂的多边形，或者可以是圆形、椭圆形或弓形。

同样参考图4和图5，柔性电路板2支撑被布置在两行11₁、11₂中的压电元件10的阵列，以形成沿着柔性电路板2的压电元件10的压电元件对12₁、12₂、12₃、…、12_n。在板2上可以仅设置有一行的压电元件10。在板2上可以设置有多于两行的压电元件，例如三行、四行、五行或更多行，例如九行。在这种情况下，阵列可以是矩形阵列。压电元件10优选包括锆钛酸铅(PZT)块。压电元件10是细长的，具有纵向轴线和沿其轴线布置的极化14。在每个压电元件对12₁、12₂、12₃、…、12_n中，压电元件10跨条状板2沿经线方向取向，并且以相反取向的极化布置在端部。压电元件10可以具有以相同方向取向的极化。压电元件10各自都具有倒角15，以在组装过程中帮助它们取向。压电元件的数量和极化取决于结构中激发的模。

同样参考图6，传感器1包括同样被布置在两行17₁、17₂中的永磁体16的阵列，以形成永磁体对18₁、18₂、…、18_n。永磁体16可以采用镀镍的钕铁硼(NdFeB)稀土磁体的形式。永磁体可以由其他材料制成，诸如铁氧体或钐钴。在该示例中，永磁体16是尺寸为12mm×12mm×12mm的立方体。然而，永磁体16不必是立方体，并且可以具有其他尺寸。每个永磁体16位于各自的压电元件10上方，使得每个压电元件10插置在各自的永磁体16与柔性电路板2之间。

同样参考图7，永磁体16可以具有凹槽19，以帮助减小永磁体16与管道壁(未示出)之间的间隙，并且因此增加用于将压电元件10拉到管道上的磁力。

永磁体16具有各自的磁化20，该磁化垂直于柔性电路板2。在一个行17₁中，磁化20被布置在一个方向上，例如北极向上(南极面向柔性电路板2)，在另外一行17₂上，磁化20被布置在相反方向上，南极向上(北极面向带)。因此，在每个永磁体对18₁、18₂、…、18_n中，磁化20逆平行取向。

永磁体16可以被用来将条1拉到金属管道上。磁体16产生的磁场穿过柔性电路板2并且将磁体16拉向管道壁。

压电元件10具有13mm的宽度w(在横跨条的方向上)、3mm的长度l(在沿着条的方向上)和1mm的厚度t。压电元件10的尺寸可以不同，即，可以使用更大或更小的元件。压电元件10的纵横比可以不同。永磁体16具有32mm的横向间距p₁(或“行间距”)和26.25mm的纵向间距p₂。第一间距和第二间距可以变化。例如，第一间距可以是21mm(对应于84mm的波长)。通常，管径(和管道壁厚度)越小，使用的间距越小。与沿行向下相反，磁化在行之间交替，以帮助避免最后的永磁体16₁、16_n(即，行的开始和结束处的磁体)被拉向倒数第二的磁体16₂、16_(n-1)。

压电元件10优选取向成使得它们最佳地符合结构(例如管道)的曲率。换句话说，压电元件10的短边(与长边相反)沿着条延伸，并且因此沿着管道的圆周延伸。

同样参考图8，传感器1包括第一导电条21₁和第二导电条21₂。导电条21₁、21₂被用于接地，并且可以由铜或另一种合适的导体形成。第一导电条21₁沿着柔性电路板2在永磁体16的第一行17₁上方延伸，第二导电条21₂沿着柔性电路板2平行于第一导电条在永磁体16的第二行17₂上方延伸。

同样参考图9，导线(未示出)经由柔性电路板2的导电轨道9连接到压电元件10。导线(未示出)固定至柔性电路板2的表面，以帮助使柔性电路板2与导线(未示出)之间的曲率半径差最小化，从而避免在组件弯曲时对导线施加应力。为提供进一步的保护，导线(未示出)可以顺着蛇形路径，并且因此避免沿着将扁平的传感器缠绕管道而得到的应力的路径直线延伸。为了清楚起见，附图中省略了导线。

柔性电路板2、压电元件10、导线(未示出)、永磁体17和导电条21₁、21₂的组件被封装在包覆成型件22中。包覆成型件23可以包括聚氨酯。可以使用其他材料，诸如硅酮或氟硅酮。包覆成型件23包括管道部分23，导线(未示出)通过该管道部分显现。

永磁体16上的镍镀层与压电元件10顶部的电极(未示出)之间存在欧姆电连接，其中电极可以采取镀金的形式。这被用来为压电元件10提供接地连接。使用合适的夹具(未示出)，永磁体16使用不导电的甲基丙烯酸酯粘合剂或其他合适的粘合剂(诸如导电的、负载金属的、单件的热固化环氧树脂)来粘到压电元件的顶部。为提供到磁体16的电连接，首先粘附两条的自粘镀镍铜，随后，焊接到行中的每个磁体16，和柔性电路上的适当的接地连接。

同样参考图10，压电元件10可以分成多个组，以提供通道25、26。例如，图9示出了两行八通道配置，每行四个通道。

对于小直径管道，诸如，例如“6英寸”标称孔或6.625英寸标称外径(168厘米)，单个超声波传感器条1可以被用作换能器阵列环。对于大直径管道，诸如，例如“24英寸”(61厘米)标称孔，四个超声波传感器条1可以经组合以形成换能器阵列环。

具体参考图9，示出了通道25。在柔性基板7上，例如由铜或另外一种合适的材料形成的(一个或多个)导电轨道9可以被用来给压电元件10提供和收集信号。单个轨道9可以被用来将元件10组合在一起。

为将元件10产生和接收的超声波能量耦合到被测试的管道的壁中，可以使用切向耦合剂(未示出)。

由于永磁体16的尺寸可以类似于处于测试的管道的厚度，永磁体16可以具有类似于管道壁的谐振模。为从换能器阵列中提取管道壁厚度数据，应充分抑制磁谐振，使它们不会在感兴趣的频率附近将噪声注入接收信号中。感兴趣的频率下的抑制可以根据被用于包覆成型的聚氨酯类型而变化。可以使用双组分聚氨酯树脂体系，其表现为硬和软弹性体的乳剂，并且为组件提供有效抑制以及机械保护和环境保护。

参考图11，两个或更多个超声波传感器1可以使用低拉伸的接合带27(诸如织带(由例如涂有海帕隆(Hypalon)的聚酯形成))来附接以形成更长或更大面积的传感器，该接合带在端对端布置的相邻超声波传感器1的包覆成型的侧翼部分上方延伸。

超声波传感器1可以帮助换能器10提供信号强度通常相等的信号。通过将柔性电路板2和压电传感器10保持在永磁体16与管道之间，永磁体16通过磁引力将传感器条1偏压到管道壁上。施加到每个压电元件10上的力仅仅由元件10后面的各自的永磁体16产生，而不是例如被用来将元件推到管道上的钢带中的环向应力。由于永磁体16都具有相同的尺寸、材料和强度，并且具有离管道壁相同的偏移，因此磁引力对于所有压电元件10应该是相等的。通过标准化压电元件10上的压力，由压电元件10产生的信号应该相等地匹配。在所有换能器10上具有相等水平的力应该意指发送的和接收的信号都是均匀匹配的，与不平衡信号相比，导致信噪比提高。

因为柔性电路板2、压电元件10、磁体16和接地条21₁、21₂以及导线(未示出)不具有移动部分并且被封装在厚弹性体中，所以传感器片材1可以受益于改进的防水性。此外，因为传感器1通常包括具有直立突出的扁平片材，所以该组件通过围绕扁平片材的中性轴弯曲而符合管道表面。这些突出不参与限定组件的哪些部分处于张紧状态，哪些部分处于压缩状态。这意指在管道周围变形的弹性体的二次截面矩非常低，使得在直径在8英寸(20厘米)到48英寸(122厘米)之间或更大或甚至是扁头的管道上使用相同的电路变得容易。

包括多个传感器1的换能器阵列环(或简称为“换能器环”)可以用在若干不同的应用中。

参考图12、图13和图14，示出了可移除的、潜水员安装的水下换能器阵列环31，该换能器阵列环包括多个超声波传感器1。

在干燥环境中施加耦合剂之后，环31下降到潜水员处，他将环安装到管道32上。搁板形式的对准辅助件33可以被用来帮助将环31与管道32的轴线对准。棘轮带34可以被用来将支撑件35保持在适当位置。在测试之后，环31被移除并返回到水上，以用于清洁和重新施加耦合剂。

环31可以永久安装。可以使用防水环氧树脂代替耦合剂，将其混合并涂在顶部，然后贴在水下管道上。

水下换能器阵列环31可以使用远程操作的水下航行器来安装。

换能器环可以用在可能期望快速部署换能器环并且换能器环有可能变湿的情形中，或者换能器环被部署在沼泽或浅水条件下(诸如，例如在河流和河流三角洲上的飞溅区)的情形。传感器环可以快速安装并且快速移除。

传感器环可以在内部使用，例如，在风力涡轮机塔架内侧或钻杆端部检查内侧。

改进

将认识到的是，可以对在上文中描述的实施例进行各种改进。此类改进可以包含在超声传感器的设计、制造和使用中已知的等效特征和其他特征，特别是用于导波检测的那些特征和其组成部分，并且这些特征并且可以代替或附加于本文已经描述的特征使用。一个实施例的特征可以由另一个实施例的特征代替或补充。

(一个或多个)超声波传感器不需要布置成形成闭环。例如，(一个或多个)传感器可以作为贴片施加到管道和板状结构。

该结构不必是管道，而可以是另一种形式的管状结构，或者甚至是轨道。

尽管权利要求在本申请中已被表述为特征的特定组合，但是应该理解的是，本发明的公开范围还包括本文明确地或隐含地公开的任何新颖特征或特征的任何新颖组合，或者其任何概括，无论其是否涉及任何权利要求中当前要求保护的相同发明，也无论其是否减轻了与本发明相同的任何或所有技术问题。申请人在此通知，在本申请或由其衍生的任何进一步申请的审查期间，可以对这些特征和/或这些特征的组合提出新的权利要求。

Claims (31)

1.一种用于导波测试的超声波传感器，包括：

柔性电路板；

位于所述柔性电路板上的压电元件阵列；以及

永磁体阵列，每个压电元件插置在各自的永磁体与所述柔性电路板之间。

2.根据权利要求1所述的超声波传感器，其中，所述压电元件是切向极化压电元件。

3.根据权利要求1或2所述的超声波传感器，其中，所述压电元件在第一方向上跨所述柔性电路板布置在第一行和第二行中。

4.根据权利要求3所述的超声波传感器，其中，所述第一行中的所述压电元件的极化和所述第二行中的所述压电元件的极化是相同的。

5.根据权利要求3所述的超声波传感器，其中，所述第一行中的所述压电元件的极化和所述第二行中的所述压电元件的极化是逆平行的。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的超声波传感器，其中，所述压电元件阵列包括10到500个压电元件。

7.根据权利要求1至6中任意一项所述的超声波传感器，其中，所述压电元件阵列包括锆钛酸铅块。

8.根据权利要求1至7中任意一项所述的超声波传感器，其中，每个压电元件通常是矩形长方体。

9.根据权利要求1至8中任意一项所述的超声波传感器，其中，每个压电元件具有取向识别特征。

10.根据权利要求9所述的超声波传感器，其中，所述取向识别特征是倒角。

11.根据权利要求1至10中任意一项所述的超声波传感器，其中，所述柔性电路板包括基板，所述基板包括电绝缘材料。

12.根据权利要求11所述的超声波传感器，其中，所述基板包括聚酰亚胺。

13.根据权利要求11所述的超声波传感器，其中，所述基板包括PEEK。

14.根据权利要求11所述的超声波传感器，其中，所述基板包括聚酯。

15.根据权利要求1至14中任意一项所述的超声波传感器，其中，所述永磁体包括稀土金属或铁氧体。

16.根据权利要求1至15中任意一项所述的超声波传感器，其中，所述永磁体是长方体。

17.根据权利要求1至16中任意一项所述的超声波传感器，其中，每个永磁体具有用于容纳各自的压电元件的凹口，以用于减小所述永磁体与所述柔性电路板之间的间隙。

18.根据权利要求1至17中任意一项所述的超声波传感器，还包括：

至少一个导电条，所述至少一个导电条在永磁体的线的上方并且在所述永磁体之间的所述柔性电路板上沿着片材延伸。

19.根据权利要求18所述的超声波传感器，其中，所述至少一个导电条包括至少一个金属条。

20.根据权利要求1至19中任意一项所述的超声波传感器，还包括：

导线组，其中每根导线连接到各自的压电元件。

21.根据权利要求1至19中任意一项所述的超声波传感器，还包括：

导线组，其中每根导线连接到所述柔性电路板的各自的导电轨道，并且所述导电轨道连接到各自的压电元件或两个或更多个压电元件的各自的组。

22.根据权利要求1至21中任意一项所述的超声波传感器，还包括：

包覆成型件，所述包覆成型件至少封装所述柔性电路板、所述压电元件和所述永磁体。

23.一种换能器阵列环，包括：

多个根据权利要求1至22中任意一项所述的超声波传感器。

24.根据权利要求23所述的换能器阵列环，还包括：

第一接合条和第二接合条，所述第一接合条和所述第二接合条被布置成与端对端或并排布置的第一超声波传感器和第二超声波传感器重叠，并且被固定至所述第一超声波传感器和所述第二超声波传感器。

25.一种布置，包括：

铁磁结构；以及

根据权利要求1至22中任意一项所述的换能器或根据权利要求23或24所述的环。

26.一种使用根据权利要求1至22中任意一项所述的超声波传感器或根据权利要求23或24所述的换能器阵列环的方法，所述方法包括：

将所述超声波传感器或所述换能器阵列环附接至铁磁结构。

27.根据权利要求26所述的方法，其中，所述超声波传感器或所述换能器阵列环在不用粘合剂或保持带的情况下被固定至所述铁磁结构。

28.根据权利要求26所述的方法，其中，用粘合剂或保持带将所述超声波传感器或所述换能器阵列环固定至所述铁磁结构。

29.根据权利要求26或27所述的方法，还包括：

从所述铁磁结构中移除附接的所述超声波传感器或所述换能器阵列环。

30.根据权利要求26至29中任意一项所述的方法，还包括：

在水中或水附近使用所述超声波传感器或所述换能器阵列环。

31.根据权利要求26至30中任意一项所述的方法，还包括：

将所述超声波传感器或所述换能器阵列环安装至所述铁磁结构的内壁。

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