CN205920095U - 一种高分辨率tofd检测超声波探头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开的一种高分辨率TOFD检测超声波探头，包括有探头本体，探头本体的外壳内从上至下依次设置的背衬层、高声阻抗层、压电换能层以及匹配层，压电换能层为矩形结构，压电换能层上连接有引线，引线伸出所述外壳外；外壳固定于一楔块的斜面上。其优点在于：结构简单，其在压电换能层和背衬层之间加入了一层高声阻抗层，加入层高声阻抗层能够极大地反射压电换能层背向散射的声能量，使向后传播的声能量反射到压电换能层的前端并发射出去，从而提高了探头的灵敏度，并使超声波的周期数减小到1.5个周期或者1个周期，从而提高了探头的分辨率；本探头的压电换能层采用矩形结构，并通过楔块的配合，能够提高缺陷的检出率和检测效率。

Description

一种高分辨率TOFD检测超声波探头

技术领域

本实用新型涉及超声无损检测技术领域，尤其指一种高分辨率TOFD检测超声波探头。

背景技术

超声波衍射时差检测技术(Time Of Flight Diffraction Technology，简称TOFD)，是一种依靠从待检试件内部结构(主要是指缺陷)的“端角”和“端点”处得到的衍射能量来检测缺陷的方法，采用一发一收两个宽带、窄脉冲探头进行检测，探头相对于焊缝中心线对称分布。

发射探头产生纵波波束以一定角度入射到被检工件中，其中部分波束沿近表面传播被接收探头接收，部分波束经底面反射后被探头接收。接收探头通过接收缺陷尖端的衍射信号及其时差来确定缺陷的位置和自身高度。TOFD 检测记录每个检测位置的完整的未校正的A 扫信号，信号通过处理可以转换为TOFD 图像。相比常规脉冲反射法具有以下优点：

(1)一次扫查几乎能够覆盖整个焊缝区域(除上下表面盲区)，可以实现非常高的检测速度；

(2)可靠性好，对于焊缝中部缺陷检出率很高；

(3)能够发现各种类型的缺陷，对缺陷的走向敏感；

(4)对缺陷垂直方向的定量和定位非常准确，精度误差小于1mm。

根据TOFD检测技术原理，可以明确TOFD探头需要有更高的灵敏度、分辨率和信噪比才能接收和分辨微小缺陷的衍射波能量，因此要求探头要有宽的带宽、窄的脉冲宽度。传统的探头设计中分辨率和灵敏度等性能在探头背衬设计时存在矛盾关系，同样的条件下，提高分辨率会降低灵敏度，由于TOFD探头对分辨率的要求，市场上的TOFD探头往往灵敏度太低，需要仪器很高的增益弥补，这样又增加了仪器噪音的干扰，信噪比不足。另外，TOFD探头的晶片的尺寸会影响到声场的分布，包括近场区域、半扩散角、侧向分辨力等一系列指标，目前市场上需要多组频率(1MHz-20MHz)和圆形尺寸(φ3mm-φ10mm)的TOFD探头对缺陷来进行扫差，以保证近表面和深度的缺陷的检出，这样就需要多次检测，检测效率低。

当一束声波从一个探头表面向半无限空间辐射而不受任何边界产生的干扰影响的时候，我们称此声场为自由声场。一个圆形超声探头的自由声场是用它的近场、远场和声束扩散角等参数来表征的。对一给定直径和频率的换能器元件而言，探头在无限均质空间产生的自由声场的几个特征参数可由计算求得；当探头与被检材料直接接触时，场通常划分成两个区域。紧靠换能器的区域称为近场区(费涅尔区)，在此区域，声压分布比较复杂；对于平面换能器．超出近场后的区域即称为远场(费琅荷区)，在此区域，声压随距离增加而降低。

当D>>l时，对于圆形晶片近场长度N可用如下公式近似计算：

N=D²/(4l)

对于矩形晶片近场长度N可用如下公式近似计算：

N=ab/(4l)

式中：D—探头中晶片有效直径，l—探头中心频率时超声在传播介质中的波长，a为探头中矩形晶片的有效长度，b为探头中矩形晶片有效宽度。从公式中可以看出，当波长确定时，直径越大，近场区域越大，直径越小，近场区域越小。

在远场，声束直径同声束轴线距离成正比增大，声束的发散程度用声束扩散角a表示。声束半扩散角a/2，圆形晶片的半扩散角可按如下公式计算：

a/2 = sin^-1(0.514´l/D)

式中，a/2—声束的半扩散角，D—探头中晶片有效直径，l—探头中心频率时超声在传播介质中的波长。

从式中可以看出，当晶片有效直径越大，半扩散角越小，声场中的能量更容易集中；当晶片有效直径越小，半扩散角越大，能量容易发散，覆盖更大范围的声场。

矩形晶片的半扩散角可按如下公式计算：

a/2 = sin^-1(0.514´l/a)

β/2 = sin^-1(0.514´l/b)

式中，a/2—晶片长度方向的半扩散角，β/2—晶片宽度方向的半扩散角，a—探头中晶片有效长度，b—探头中晶片有效宽度，l—探头中心频率时超声在传播介质中的波长。

从式中可以看出，矩形晶片的半扩散角可以通过改变晶片的尺寸来调节，晶片宽度方向尺寸较小，半扩散角较大，声场中能量容易扩散，晶片长度方向尺寸较大，半扩散角较小，声场能量容易集中。这样就可以通过改变长度和宽度方向的尺寸来调节探头的声场。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，提供结构简单，缺陷检出率高，灵敏性高，检测效率高的一种高分辨率TOFD检测超声波探头。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种高分辨率TOFD检测超声波探头，包括有探头本体，探头本体外设置有外壳，外壳内从上至下依次设置的背衬层、高声阻抗层、压电换能层以及匹配层，压电换能层为矩形结构，压电换能层上连接有引线，引线伸出所述外壳外；外壳固定于一楔块的斜面上。

优化的技术措施还包括：

上述的外壳的下部径向向外延伸形成固定边，该固定边上制有固定孔，外壳通过螺柱与所述楔块相固定。

上述的外壳的顶部制有穿线孔，引线从该穿线孔中伸出。

上述的高声阻抗层的声阻抗值大于所述压电换能层的声阻抗值的1.5倍。

上述的高声阻抗层的厚度大于所述压电换能层中声速波长的四分之一。

上述的楔块的斜面的倾斜角为30°、45°、60°或者70°。

本实用新型的一种高分辨率TOFD检测超声波探头，结构简单，其在压电换能层和背衬层之间加入了一层高声阻抗层，加入层高声阻抗层能够极大地反射压电换能层背向散射的声能量，使向后传播的声能量反射到压电换能层的前端并发射出去，从而提高了探头的灵敏度，并使超声波的周期数减小到1.5个周期或者1个周期，从而提高了探头的分辨率；此外，本探头的压电换能层采用矩形结构，其外壳固定于一楔块的斜面上，通过楔块的配合将探头发出的超声波折射出去，能够提高缺陷的检出率和检测效率。

附图说明

图1是本实用新型探头的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。

如图1所示为本实用新型的结构示意图，

其中的附图标记为：外壳1、固定边11、穿线孔12、背衬层2、高声阻抗层3、压电换能层4、匹配层5、引线6、楔块7、螺柱8。

如图1所示，

一种高分辨率TOFD检测超声波探头，包括有探头本体，探头本体外设置有外壳1，外壳1内从上至下依次设置的背衬层2、高声阻抗层3、压电换能层4以及匹配层5，压电换能层4为矩形结构，压电换能层4上连接有引线6，引线6伸出所述外壳1外；外壳1固定于一楔块7的斜面上。

本探头在压电换能层4与背衬层2之间加入一层高声阻抗层3，加入层高声阻抗层3能够极大地反射压电换能层4背向散射的声能量，使向后传播的声能量反射到压电换能层4的前端并发射出去，从而提高了探头的灵敏度。

实施例中，压电换能层4优选的长宽比为2：1。

压电换能层4采用矩形结构，其宽度方向尺寸较小，声场中能量容易扩散，能够覆盖更宽的检测范围；其长度方向尺寸较大，声场能量容易集中，能够保证足够的检测灵敏度。

为了使探头的电阻抗与市场上的仪器相匹配，在不同频率下可选用不同长宽的压电换能层4：

频率(MHz)	2	5	7.5	10	15	20
							宽度(mm)	6	4	3	2	2	1
长度(mm)	12	8	6	4	4	2

以上数据内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

实施例中，外壳1的下部径向向外延伸形成固定边11，该固定边11上制有固定孔，外壳1通过螺柱8与所述楔块7相固定。

通过螺柱8使外壳1与楔块7的斜面相固定，结构简单，固定方便、可靠。

实施例中，外壳1的顶部制有穿线孔12，引线6从该穿线孔12中伸出。

实施例中，高声阻抗层3的声阻抗值大于所述压电换能层4的声阻抗值的1.5倍。

实施例中，高声阻抗层3的厚度大于所述压电换能层4中声速波长的四分之一。

实施例中，楔块7的斜面的倾斜角为30°、45°、60°或者70°。

制作高声阻抗层3的材料需要具有密度大、声速高的特点，可以用致密陶瓷材料，如氧化锆陶瓷，也可以是金属以及合金材料，如钨铜合金。

为了获得更高的分辨率吧，要求压电换能层4的制作材料具有高的机电耦合系数，铌镁酸铅-钛酸铅单晶材料(PMNT)及其复合材料具有优异的性能，能够满足压电换能层4的制作需要。压电换能层4也可采用压电陶瓷复合材料、有机压电材料、压电薄膜或者能够通过机电耦合机理进行机电换能作用的平板电容单元。

匹配层5的制作材料需要一种高声速、低衰减材料，匹配层5能够有效的增加声能的透射，提高灵敏度和带宽，从而提高分辨力；匹配层5可通过环氧树脂和金属及其氧化物粉末制备而成，如氧化铝粉末、氧化锆粉末等。

楔块7的制作材料需要一种低衰减材料，该材料需要具有很高的温度稳定性和声透射性能，以满足探头高灵敏度的要求；楔块7采用聚苯乙烯材料制成。

下面通过一个中心频率5MHz高分辨率TOFD检测超声波探头的制作来进一步加以说明：

选取厚度为0.2mm，长为8mm，宽为4mm的PMNT单晶复合材料，并在表面镀金后制作成压电换能层4；选取高密度高声速的钨铜合金材料制作成高声阻抗层3，其声阻抗可达85MRaly，厚度1mm，长度8mm，宽度4mm；调配声阻抗为5MRaly的钨粉和环氧树脂618复合材料制作成背衬层2，钨粉颗粒直径约8微米，背衬层2的厚度为8mm；调配声阻抗为8.5MRaly的氧化铝和环氧树脂618复合材料制作成匹配层5。

在各层粘接前，在高声阻抗层3和匹配层5上与压电换能层4接触的一面上各加工出一个缺口，以便在压电换能层4上连接上引线6；各层之间用环氧树脂618进行粘接，胶层厚度控制在1微米左右，并确保胶层均匀。最后封装上外壳1，引线6的末端从外壳1的穿线孔12中伸出，并用螺柱8将外壳1固定于楔块7的斜面上。

本实用新型的最佳实施例已阐明，由本领域技术人员做出的各种变化或改型都不会脱离本实用新型的范围。

Claims (6)

1.一种高分辨率TOFD检测超声波探头，包括有探头本体，其特征是：所述的探头本体外设置有外壳(1)，所述的外壳(1)内从上至下依次设置的背衬层(2)、高声阻抗层(3)、压电换能层(4)以及匹配层(5)，所述的压电换能层(4)为矩形结构，所述的压电换能层(4)上连接有引线(6)，所述的引线(6)伸出所述外壳(1)外；所述的外壳(1)固定于一楔块(7)的斜面上。

2.根据权利要求1所述的一种高分辨率TOFD检测超声波探头，其特征是：所述的外壳(1)的下部径向向外延伸形成固定边(11)，该固定边(11)上制有固定孔，所述的外壳(1)通过螺柱(8)与所述楔块(7)相固定。

3.根据权利要求2所述的一种高分辨率TOFD检测超声波探头，其特征是：所述的外壳(1)的顶部制有穿线孔(12)，所述的引线(6)从该穿线孔(12)中伸出。

4.根据权利要求3所述的一种高分辨率TOFD检测超声波探头，其特征是：所述的高声阻抗层(3)的声阻抗值大于所述压电换能层(4)的声阻抗值的1.5倍。

5.根据权利要求4所述的一种高分辨率TOFD检测超声波探头，其特征是：所述的高声阻抗层(3)的厚度大于所述压电换能层(4)中声速波长的四分之一。

6.根据权利要求5所述的一种高分辨率TOFD检测超声波探头，其特征是：所述的楔块(7)的斜面的倾斜角为30°、45°、60°或者70°。