CN116698991A - 一种用于高温无损检测的超声探头及其耐高温匹配层 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种用于高温无损检测的超声探头及其耐高温匹配层，超声探头包括压电晶片、背衬块和上述耐高温匹配层，所述压电晶片底部与耐高温匹配层的第一金属层粘接，背衬块与压电晶片顶部粘接，所述背衬块采用耐高温灌封胶与微米级氧化铝粉末混合制备，所述压电晶片为LiNbO3压电晶片，耐高温匹配层的结构依次为第一金属层‑第一耐高温灌封胶层‑第二金属层‑第二耐高温灌封胶层，耐高温灌封胶层的声阻抗大于2MRayl，金属层和耐高温灌封胶层的声阻抗差在3倍以上，本发明的超声探头具有优异的声学性能，可长时间对高温设备进行在线实时监测。
Description
技术领域
本发明属于无损检测技术领域，具体属于一种用于高温无损检测的超声探头及其耐高温匹配层。
背景技术
工业中的设备工作在高温高压环境中时，如何保障该类设备安全可靠地长期运行是人们非常关心的问题。准确便捷地检测在役设备中缺陷的位置及尺寸，是进行安全评定的基础和前提。超声波检测方式最符合无损检测中准确便捷的要求，成为工程中缺陷检测的首选手段。
超声无损检测最主要的手段还是利用超声探头产生超声传入被检测物，通过分析从被测物返回的波形得出设备特性。但常规的超声探头可以允许50℃的温度，在温度更高时，由于压电材料的退极化，以及热膨胀导致的内部脱粘，超声探头会遭受永久性损伤。所以如果被检材料温度高于50℃，那么必须使用高温探头。
现有的高温超声探头多采用延迟块结构，即使用耐高温且导热快的材料制作延迟块，将延迟块粘附在超声探头前端。这种延迟块结构多能耐200℃的高温，但不能长期保持接触，接触数秒之后需延迟块冷却一段时间，且延迟块会增加超声波传播距离，影响超声探头的性能。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种用于高温无损检测的超声探头及其耐高温匹配层，根据测试环境确定工作频率，选择金属-耐高温胶-金属-耐高温胶组成的四层匹配层结构，使用传输线理论计算能量传输效率最高的匹配层厚度，进行超声探头的制备该超声探头具有优异的声学性能，可长时间对高温设备进行在线实时监测。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于高温无损检测的超声探头的耐高温匹配层，结构依次为第一金属层-第一耐高温灌封胶层-第二金属层-第二耐高温灌封胶层，耐高温灌封胶层的声阻抗大于2MRayl，金属层和耐高温灌封胶层的声阻抗差在3倍以上，第一金属层用于与超声探头压电晶片的底部粘接。
进一步的，单层金属层和单层耐高温灌封胶层的厚度均基于传输线理论确定。
进一步的，基于传输线理论，经MATLAB计算得到耐高温匹配层的声阻抗值和单层金属层和单层耐高温灌封胶层的厚度，具体如下：
z＝ρv#(3)
其中，v是声速，f是频率，λ是波长，k是波矢，ρ是密度，tm是第m层的厚度，zm是第m层的本征声阻抗，是从该层看向传输介质时的等效声阻抗，z0是传输介质的声阻抗，zp是压电晶片的声阻抗。
进一步的，第一金属层和第二金属层的厚度相同，第一耐高温灌封胶层和第二耐高温灌封胶层的厚度相同。
进一步的，所述金属层采用磁控溅射将金属材料淀积在高温灌封胶层上，金属材料为铜、铝或金。
进一步的，耐高温匹配层为圆片状。
本发明还提供一种用于高温无损检测的超声探头，包括压电晶片、背衬块和上述耐高温匹配层，所述压电晶片底部与耐高温匹配层的第一金属层粘接，背衬块与压电晶片顶部粘接，所述背衬块采用耐高温灌封胶与微米级氧化铝粉末混合制备，所述压电晶片为LiNbO3压电晶片。
进一步的，耐高温灌封胶与微米级氧化铝粉末的质量比为1-10:1-20。
进一步的，压电晶片通过耐高温银浆与耐高温匹配层和背衬块粘接。
进一步的，压电晶片上两侧均设置有电极，两根导线分别连接在两个电极上，所述导线为耐高温导线。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明提供一种用于高温无损检测的超声探头的耐高温匹配层，采用金属层和高温灌封胶层重叠的四层ABAB结构，其中要求耐高温灌封胶层的声阻抗大于2MRayl，金属层和耐高温灌封胶层的声阻抗差在3倍以上，该结构提高了声传输效率，用于超声探头后可以提升超声探头的带宽和幅值，且基于上述匹配层材料选用的均为耐高温材料，该匹配层本身具有耐高温作用，在高温时不会发生明显的性质改变，并且超声探头压电晶片的底部粘接的为金属层，金属层作为保护层比普通有机玻璃保护层耐磨，能够保护压电晶片不受磨损，延长使用寿命。
本发明耐高温匹配层的厚度由传输线理论及KLM模型推导得到，可以使耐高温匹配层的声传输效率达到百分之九十以上，提高声能的利用率。
本发明超声探头的压电晶片使用的材料为LiNbO3，有效工作温度可达1010℃，背衬层为耐高温灌封胶与微米级氧化铝粉末配制的吸声块，耐高温匹配层采用高温材料制备在高温时不会发生明显的性质改变，可见本发明超声探头的所有组件都可以在高温环境中保持性质稳定，且通过调节耐高温灌封胶与微米级氧化铝粉末的配比可以调节背衬层的声阻抗可调，改变背衬层的吸声效果，使得超声探头具有不同的带宽和回波幅值，耐高温匹配层也可以提高声传输效率，因此本发明的超声探头克服了普通高温超声探头无法在高温环境中检测以及性能较低的缺陷，可应用于高温无损检测，结构简单，性能稳定。
附图说明
图1本发明超声探头结构图；
图2高温硅油环境中的超声探头脉冲回波测试结果；
图3耐高温匹配层各组分厚度与能量透射率关系；
附图中：1-压电晶片；2-耐高温匹配层；3-背衬块；4-导线；5-高温灌封胶；6-金属外壳。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明提供一种用于高温无损检测的超声探头，包括压电晶片1，用作产生超声波；耐高温匹配层2，与压电晶片1粘接，用作匹配层；背衬块3，粘接在压电晶片1另一面；导线4，两根导线4分别与压电晶片1的两面粘接；高温灌封胶5，填充金属外壳6与其余部件的空隙。
在本发明技术的一些具体实施方式中，耐高温匹配层2的结构为第一金属层-第一耐高温灌封胶层-第二金属层-第二耐高温灌封胶层，压电晶片1底部与耐高温匹配层2的第一金属层粘接，耐高温灌封胶层的声阻抗应该大于2MRayl，金属层和耐高温灌封胶层的声阻抗差异应该在3倍以上。
在本发明技术的一些具体实施方式中，金属层可选择铜、铝、金等金属材料；
在本发明技术的一些具体实施方式中，第一金属层和第二金属层的厚度相同，第一耐高温灌封胶层和第二耐高温灌封胶层的厚度相同。
在本发明技术的一些具体实施方式中，耐高温匹配层2为圆片状，其中单层金属层和单层耐高温灌封胶层的厚度均是基于传输线理论进行计算，使用KLM电路模型仿真。
在本发明技术的一些具体实施方式中，耐高温匹配层2制备时，先加工所需尺寸的高温灌封胶薄片作为第二耐高温灌封胶层，在高温灌封胶薄片上采用磁控溅射淀积设计厚度的第二金属层，再涂覆高温灌封胶固化得到第一耐高温灌封胶层，研磨至指定厚度，再次淀积设计厚度的第一金属层，即可得到耐高温匹配层2。
在本发明技术的一些具体实施方式中，压电晶片1为铌酸锂(LiNbO3)，有效工作温度可达1010℃。
在本发明技术的一些具体实施方式中，压电晶片1底部通过耐高温银浆粘接有耐高温匹配层2，顶部通过耐高温银浆粘接至背衬块3，压电晶片1上两侧均设置有电极，两根导线4分别连接在两个电极上。
在本发明技术的一些具体实施方式中，背衬块3为质量比为1-10:1-20的耐高温灌封胶与微米级氧化铝粉末配置的吸声块，粘接在压电晶片1未与金属匹配层粘接的一面上。
在本发明技术的一些具体实施方式中，所述导线4为耐高温导线，两根耐高温导线分别与压电晶片1的两个面粘接。
在本发明技术的一些具体实施方式中，高温灌封胶5填充外壳与其余部件的空隙。
按照上述方案，所述传输线理论可表示为：
z＝ρν#(3)
其中，v是声速，f是频率，λ是波长，k是波矢(km是第m层的波矢)，ρ是密度，tm是第m层的厚度，zm是第m层的本征声阻抗，是从该层看向传输介质时的等效声阻抗，z0是传输介质的声阻抗，zp是压电晶片的声阻抗。
按照上述方案，给出压电晶片1的声阻抗、厚度及传输介质的声阻抗等参数，可经MATLAB计算得到耐高温匹配层2最优的声阻抗值和厚度。由传输线理论及KLM模型推导可得，耐高温匹配层2的声传输效率可达到百分之九十以上，说明声能被有效利用。
实施例
金属外壳6用车床加工成设计的形状和尺寸，耐高温匹配层2和压电材料的尺寸保持一致以便于加工；耐高温匹配层2是先加工所需尺寸的高温灌封胶薄片，在薄片上淀积设计厚度的金属层，再涂覆高温灌封胶，研磨至指定厚度，再次淀积设计厚度的金属层。背衬块3用耐高温灌封胶和微米级氧化铝粉末按2:1质量比混合均匀，固化，用车床加工成设计形状和尺寸。上下两侧有电极的LiNbO3压电晶片，其中一面用耐高温银浆粘到耐高温匹配层2上，另一面和背衬块粘接。把一根导线用银浆粘到耐高温匹配层2与压电晶片接触的面上，一根导线粘到压电晶片和背衬的粘接面上。将所有部件置于金属外壳内部，再用耐高温灌封胶填满外壳与其余部件的空隙，得到高温无损检测超声探头。
如图3所示，本实施例中，超声探头频率为20MHz，压电晶片1选用LiNbO3，厚度为184μm，耐高温匹配层2为圆片状，直径8.5mm，金属层选用铜，耐高温灌封胶层选用高温灌封胶(Hasuncast 3019)，结合传输线理论，经MATLAB计算所得，该耐高温匹配层2的声传输效率可达98.59％，此时单层铜的厚度为2.58微米，单层高温灌封胶的厚度为9.25微米，背衬块3厚度为1mm。
MATLAB计算时使用的材料及参数如表1所示。
表1仿真所用材料及参数
以二甲基硅油为传输介质，搭建了高温二甲基硅油油浴环境进行高温无损检测超声探头的高温测试，二甲基硅油的温度可以在常温至300℃调节，将制备的超声探头浸没在硅油中进行脉冲回波测试，以石英块作为反射板，使用奥林巴斯5073PR实现脉冲发射接收功能，获得的回波信号由示波器显示，其中温度为250℃的测试结果(图2a)和250℃保温72h的测试结果(图2b)所示，有耐高温匹配层2的高温无损检测超声探头，其中心频率为20.57MHz，-6dB带宽为54％，由72h后测量结果可以看出，回波波形及幅值变化很小，即超声探头具有在250℃环境中进行长时间高温无损检测的能力。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于高温无损检测的超声探头的耐高温匹配层，其特征在于，结构依次为第一金属层-第一耐高温灌封胶层-第二金属层-第二耐高温灌封胶层，耐高温灌封胶层的声阻抗大于2MRayl，金属层和耐高温灌封胶层的声阻抗差在3倍以上，第一金属层用于与超声探头压电晶片的底部粘接。
2.根据权利要求1所述的一种用于高温无损检测的超声探头的耐高温匹配层，其特征在于，单层金属层和单层耐高温灌封胶层的厚度均基于传输线理论确定。
3.根据权利要求2所述的一种用于高温无损检测的超声探头的耐高温匹配层，其特征在于，基于传输线理论，经MATLAB计算得到耐高温匹配层的声阻抗值和单层金属层和单层耐高温灌封胶层的厚度，具体如下：
z＝ρv#(3)
其中，v是声速，f是频率，λ是波长，k是波矢(km是第m层的波矢)，ρ是密度，tm是第m层的厚度，zm是第m层的本征声阻抗，是从该层看向传输介质时的等效声阻抗，z0是传输介质的声阻抗，zp是压电晶片的声阻抗。
4.根据权利要求1所述的一种用于高温无损检测的超声探头的耐高温匹配层，其特征在于，第一金属层和第二金属层的厚度相同，第一耐高温灌封胶层和第二耐高温灌封胶层的厚度相同。
5.根据权利要求1所述的一种用于高温无损检测的超声探头的耐高温匹配层，其特征在于，所述金属层采用磁控溅射将金属材料淀积在高温灌封胶层上，金属材料为铜、铝或金。
6.根据权利要求1所述的一种用于高温无损检测的超声探头的耐高温匹配层，其特征在于，耐高温匹配层为圆片状。
7.一种用于高温无损检测的超声探头，其特征在于，包括压电晶片(1)、背衬块(3)和权利要求1～5中任一项所述的耐高温匹配层(2)，所述压电晶片(1)底部与耐高温匹配层(2)的第一金属层粘接，背衬块(3)与压电晶片(1)顶部粘接，所述背衬块(3)采用耐高温灌封胶与微米级氧化铝粉末混合制备，所述压电晶片(1)为LiNbO3压电晶片。
8.根据权利要求7所述的一种用于高温无损检测的超声探头，其特征在于，耐高温灌封胶与微米级氧化铝粉末的质量比为1-10:1-20。
9.根据权利要求7所述的一种用于高温无损检测的超声探头，其特征在于，压电晶片(1)通过耐高温银浆与耐高温匹配层(2)和背衬块(3)粘接。
10.根据权利要求7所述的一种用于高温无损检测的超声探头，其特征在于，压电晶片(1)上两侧均设置有电极，两根导线(4)分别连接在两个电极上，所述导线(4)为耐高温导线。
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| CN117019608A (zh) * | 2023-10-08 | 2023-11-10 | 中北大学 | 一种高性能空气耦合超声点聚焦换能器及其制备方法 |
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| CN117019608B (zh) * | 2023-10-08 | 2024-01-05 | 中北大学 | 一种高性能空气耦合超声点聚焦换能器及其制备方法 |
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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