CN116174832A - 一种压电传感器探头设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压电传感器探头设计方法，通过锡焊的方式将压电晶片、保护膜及外部壳体焊接在一起，同时不需要阻尼材料，而非传统的粘接工艺，克服了低温环境下常规探头因脱粘而失效的问题，进而支撑低温无损检测技术的发展。本发明的制备工艺过程简便，探头设备性能稳定，适用温区宽，为核电、聚变装置等工程领域低温无损检测技术的发展提供了强有力的支撑。
Description
技术领域
本发明涉及核聚变、核电及工业无损检测应用领域，具体为一种压电传感器探头设计方法。
背景技术
核聚变能源具有资源丰富、清洁安全的优点，成为人类社会未来的理想能源，是最有希望彻底解决能源问题的根本途径之一，对于我国经济社会的可持续发展具有重要的战略意义。
强磁场、聚变堆等大科学装置的关键部件（连接件，金属复合件，绝缘等）需要在极低温（4.2K~77K），大电流，高磁场的条件下运行，尤其是常温到极低温急剧的温度变化产生的热应力以及上千牛/米的电磁力将造成材料内部原有缺陷的扩展及新缺陷的产生，给大科学装置的安全运行带来了巨大的风险。因此，准确评价服役工况下关键部件内部缺陷变化，对保证大科学装置的结构完整性至关重要。
当前的无损检测技术主要在常温和高温下进行，缺乏极低温下的无损检测技术，其主要原因在于目前市面的商用压电传感器无法适用于低温环境。目前市面商用的压电传感器均采用粘接的制备工艺，而在低温环境会造成压电传感器主要元器件的分离，进而破坏压电传感器的压电性能，无法发射超声波。因此发展适用于低温工况下的新型压电传感器探头十分必要。
发明内容
为解决上述技术存在的难题，本发明的目的在于提供一种压电传感器探头设计方法，通过锡焊的方式将压电晶片、保护膜及外部壳体焊接在一起，而非传统的粘接工艺，克服了低温环境下常规探头因脱粘而失效的问题，进而支撑低温无损检测技术的发展。本发明具有制备工艺过程简便，探头设备性能稳定，适用温区宽，为核电，聚变装置等工程领域低温无损检测技术的发展提供了强有力的支撑。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种压电传感器探头设计方法，通过锡焊的方式将压电陶瓷晶片、保护膜及外部的壳体焊接在一起，具体包括如下步骤：
步骤一：压电材料准备：采用化学法或者磁控溅射法将压电陶瓷晶片表面镀上银层或金层或铂层作为电极；
步骤二：压电陶瓷晶片和保护膜准备：将镀上银层或金层或铂层的压电陶瓷晶片和保护膜进行表面清洗；
步骤三：压电陶瓷晶片锡焊：将焊锡置于压电陶瓷晶片与保护膜之间，当焊锡为焊锡膏时，轻压压电陶瓷晶片使其与保护膜紧密接触；当焊锡为焊锡丝时，将压电陶瓷晶片放置在焊锡丝上；
步骤四：控制温度，待焊锡完全熔化后，采用工具将压电陶瓷晶片进行旋转，使焊锡铺展均匀，旋转同时施加向下压力，减少焊锡面的气孔；
步骤五：冷却：将结合在一起的压电陶瓷晶片、焊锡、保护膜用工具迅速转移至耐热的平面上，并立即施加压力，使焊锡厚度减薄；
步骤六：电缆连接：利用超声探伤仪初步检测结合在一起的压电陶瓷晶片、焊锡、保护膜的性能，若性能优异则采用电烙铁在压电陶瓷晶片表面焊接导电线；
步骤七：壳体准备：清洗壳体表面；
步骤八：壳体锡焊：将焊锡均匀铺覆于壳体待焊接表面，并装配壳体与结合在一起的压电陶瓷晶片、焊锡、保护膜形成探头组件；利用热风枪或者熔锡炉将装配完毕的探头组件进行熔锡焊接；
步骤九：表面打磨：将焊接后的壳体与保护膜平行的平面进行磨抛处理，使得保护膜完全接触待探伤平面；
步骤十：电路匹配：将电容电感以串并联的方式连接在电路中；
步骤十一：组装调试：采用示波器、频谱仪及阻抗仪进行探头的性能测试。
进一步地，所述步骤十中的电路包括匹配电容C、压电换能器静态电容C0、电缆等效电阻R1、匹配可变电容Cd、匹配电感L；所述匹配电容C、压电换能器静态电容C0、电缆等效电阻R1三者并联后串联匹配可变电容Cd、匹配电感L。
进一步地，所述的压电传感器探头采用压电陶瓷晶片在高频脉冲的激励下产生的压电效应发射和接收超声波。
有益效果
本发明的压电传感器与晶片采用锡焊的方式连接在一起，而非传统的粘接工艺。压电传感器外壳与保护膜锡焊在一起，用于保持低温环境下结构的完整性。且压电传感器不需要阻尼材料即可实现较好的探头声学性能。本发明采用的电匹配电路为电容电感电路。匹配的电容电感采用串并联的形式连接在电缆和电源之间。本发明适用对象为压电传感器的制备，首先锡焊法制备的压电传感器探头可以经受低温-室温的多次循环考核，满足本发明最初的设计初衷要求，这就为推动低温部件的无损检测技术发展提供了较好的设备基础条件。其次，本发明设计的压电传感器不需要阻尼材料即可实现较好的探头声学性能，从而很大程度上简化了探头的设计，为将来开发利用新的压电传感器提供了新的思路。最后，本发明设计的压电传感器亦可承受一定温度的高温（300℃），即可用作低温压电传感器，也可用于部分高温场景的无损检测应用。基于此，本发明是一种有潜力的耐低温压电传感器制备方法。
附图说明
图1 为本发明的压电传感器探头示意图；
图2 为本发明的压电传感器探头设计方法的电匹配电路。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，实现本发明的压电传感器探头设计方法的系统包括BNC接头1、壳体2、压电陶瓷晶片3、保护膜4、焊锡5和电感6。所述压电陶瓷晶片3和保护膜4采用焊锡5先进行锡焊连接，连接后将壳体2与压电陶瓷晶片3和保护膜4的焊接件进行锡焊连接。最后将电感6用锡焊并联在BNC接头1上，BNC接头1通过螺纹与壳体2实现连接。采用锡焊的方法将压电陶瓷晶片3与保护膜4及壳体2焊接在一起，同时电匹配电路采用并联电感的方法抵抗探头容性所导致的电抗，减少虚功率的影响。
如图2所示，所述电匹配电路采用串并联电容电感的方式，包括匹配电容C、压电换能器静态电容C0、电缆等效电阻R1、匹配可变电容Cd、匹配电感L。匹配电容C、压电换能器静态电容C0、电缆等效电阻R1三者并联后串联匹配可变电容Cd、匹配电感L。压电换能器静态电容C0、电缆等效电阻R1构成压电换能器输入阻抗。具体连接方式为：将电缆一端锡焊在压电陶瓷晶片3上表面，另外一端与BNC接头1连接，同时将电感6锡焊并联在BNC接头1上，一端连接在BNC接头1上，一端连接在壳体2上。
本发明的一种压电传感器探头设计方法，主要通过锡焊的方式将压电陶瓷晶片3、保护膜4及外部的壳体2焊接在一起，而非传统的粘接工艺，克服了低温环境下常规探头因脱粘而失效的问题，进而支撑低温无损检测技术的发展。具体实施步骤如下：
步骤一：压电材料准备：将压电陶瓷晶片3表面镀上银层或金层或铂层作为电极，可采用化学法或者磁控溅射法进行。
步骤二：压电陶瓷晶片和保护膜准备：将镀上银层或金层或铂层的压电陶瓷晶片和保护膜进行表面清洗。
步骤三：压电陶瓷晶片锡焊：将焊锡5置于压电陶瓷晶片3与保护膜4之间，当焊锡5为焊锡膏时，可轻压压电陶瓷晶片3使其与保护膜4紧密接触；当焊锡5为焊锡丝时，将压电陶瓷晶片3放置在焊锡丝上即可。
步骤四：控制温度：待焊锡完全熔化后，采用工具将压电陶瓷晶片3进行旋转，使焊锡铺展均匀，旋转同时施加向下压力，减少焊锡面的气孔。
步骤五：冷却：将结合在一起的压电陶瓷晶片3、焊锡5、保护膜4用工具迅速转移至耐热的平面上，并立即施加压力，尽量使焊锡5厚度减薄。
步骤六：电缆连接：利用超声探伤仪初步检测结合在一起的压电陶瓷晶片3、焊锡5、保护膜4的性能，若性能优异则采用电烙铁在压电陶瓷晶片3表面焊接导电线。
步骤七：壳体准备：清洗壳体2表面。
步骤八：壳体2锡焊：将焊锡均匀铺覆于壳体2待焊接表面，并装配壳体2与结合在一起的压电陶瓷晶片3、焊锡5、保护膜4形成探头组件。利用热风枪或者熔锡炉将装配完毕的探头组件进行熔锡焊接。
步骤九：表面打磨：将焊接后的壳体2与保护膜4平行的平面进行磨抛处理，使得保护膜4可以完全接触待探伤平面。
步骤十：电路匹配：将电容电感以串并联的方式连接在电路中。
步骤十一：组装调试：采用示波器，频谱仪及阻抗仪等设备进行探头的性能测试。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种压电传感器探头设计方法，其特征在于，通过锡焊的方式将压电陶瓷晶片、保护膜及外部的壳体焊接在一起，具体包括如下步骤：
步骤一：压电材料准备：采用化学法或者磁控溅射法将压电陶瓷晶片表面镀上银层或金层或铂层作为电极；
步骤二：压电陶瓷晶片和保护膜准备：将镀上银层或金层或铂层的压电陶瓷晶片和保护膜进行表面清洗；
步骤三：压电陶瓷晶片锡焊：将焊锡置于压电陶瓷晶片与保护膜之间，当焊锡为焊锡膏时，轻压压电陶瓷晶片使其与保护膜紧密接触；当焊锡为焊锡丝时，将压电陶瓷晶片放置在焊锡丝上；
步骤四：控制温度，待焊锡完全熔化后，采用工具将压电陶瓷晶片进行旋转，使焊锡铺展均匀，旋转同时施加向下压力，减少焊锡面的气孔；
步骤五：冷却：将结合在一起的压电陶瓷晶片、焊锡、保护膜用工具迅速转移至耐热的平面上，并立即施加压力，使焊锡厚度减薄；
步骤六：电缆连接：利用超声探伤仪初步检测结合在一起的压电陶瓷晶片、焊锡、保护膜的性能，若性能优异则采用电烙铁在压电陶瓷晶片表面焊接导电线；
步骤七：壳体准备：清洗壳体表面；
步骤八：壳体锡焊：将焊锡均匀铺覆于壳体待焊接表面，并装配壳体与结合在一起的压电陶瓷晶片、焊锡、保护膜形成探头组件；利用热风枪或者熔锡炉将装配完毕的探头组件进行熔锡焊接；
步骤九：表面打磨：将焊接后的壳体与保护膜平行的平面进行磨抛处理，使得保护膜完全接触待探伤平面；
步骤十：电路匹配：将电容电感以串并联的方式连接在电路中；
步骤十一：组装调试：采用示波器、频谱仪及阻抗仪进行探头的性能测试。
2.根据权利要求1所述的一种压电传感器探头设计方法，其特征在于，所述步骤十中的电路包括匹配电容C、压电换能器静态电容C0、电缆等效电阻R1、匹配可变电容Cd、匹配电感L；所述匹配电容C、压电换能器静态电容C0、电缆等效电阻R1三者并联后串联匹配可变电容Cd、匹配电感L。
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| Title |
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| 袁丽英 等: "《传感器原理及实际应用设计》", 北京理工大学出版社, pages: 213 - 214 * |
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|---|---|---|---|
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