CN207096173U - 超声波探伤装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种超声波探伤装置，用于对待检测物体通过超声波信号进行检测，所述超声波探伤装置包括上电极层、压电层和下电极层，所述上电极层和下电极层分别设置在压电层相对的两个表面，所述上电极层为一整层，其用于加载电压信号以使压电层产生超声波发射信号，所述下电极层包括多个阵列排布的下电极块，所述下电极块用来接收来自压电层所接收到的超声波反射信号。本实用新型所提供的超声波探伤装置具有结构简单成本低等优点。

Description

超声波探伤装置

【技术领域】

本实用新型涉及检测领域，具体涉及一种超声波探伤装置，其用于检测铁轨和隧道等是否存在缺陷。

【背景技术】

火车或高铁作为目前陆地上承载量最大的交通工具，其运行的安全性尤为重要。铁轨作为火车或高铁安全运行的基础保障，铁轨的质量合格与否则至关重要。过去通常通过人工检测的方式对铺设的铁轨进行质量检测，侦测铁轨是否存在裂痕等。然而，人工检测效率低，耗时耗力。进而，现有铁轨的检测采用了机器设备来代替人工检测，但是现有检测铁轨的机器设备都属于精密仪器，其结构复杂，成本也相对较高。

【实用新型内容】

为克服现有探伤装置的结构复杂的问题，本实用新型提供超声波探伤装置。

本实用新型为解决上述技术问题的一技术方案是提供一种超声波探伤装置，用于对待检测物体通过超声波信号进行检测，所述超声波探伤装置包括上电极层、压电层和下电极层，所述上电极层和下电极层分别设置在压电层相对的两个表面，所述上电极层为一整层，其用于加载电压信号以使压电层产生超声波发射信号，所述下电极层包括多个阵列排布的下电极块，所述下电极块用来接收来自压电层所接收到的超声波反射信号。

优选地，所述超声波探伤装置包括第一开关模块和信号采集模块，所述下电极块通过第一开关模块连接至信号采集模块，当压电层接收到超声波反射信号时，超声波反射信号被压电层转换成电信号传输给下电极块后进而被与下电极块连接的信号采集模块采集。

优选地，所述第一开关模块包括至少一子开关以及数量与下电极块相等的第一开关，所述多个第一开关的一端与所述下电极块一一对应连接，所述多个第一开关的另一端共接于一电性连接点，所述至少一子开关一端连接于所述电性连接点，另一端可连接至GND或所述信号采集模块。

优选地，超声波探伤装置包括第一工作阶段：上电极层和下电极块接GND以实现电荷清零，第二工作阶段：下电极块接GND，上电极层交替接VDD及GND以产生方波信号激发压电层产生超声波发射信号；第三工作阶段：上电极层接GND或VDD，下电极块接信号采集单元，超声波反射信号碰到待检测物体反射回来产生所述超声波反射信号，压电层将超声波反射信号转换成电信号后传输给与下电极块连接的信号采集单元。

优选地，所述超声波探伤装置进一步包括第二开关模块，所述第二开关模块包括至少一第二开关，所述上电极层通过所述至少一第二开关的切换可连接至GND或VDD。

优选地，所述超声波探伤装置进一步包括控制器，所述控制器控制第一开关模块和第二开关模块的工作。

优选地，在待检测物体的检测过程中，所述多个第一开关依次导通。

优选地，所述信号采集模块有且仅有一个。

优选地，超声波探伤装置进一步包括与信号采集模块连接的信号处理模块，所述信号处理模块根据信号采集模块所采集到的超声波反射信号分析待检测物体是否存在缺陷。

优选地，所述压电层为原位极化的压电膜。

与现有技术相比，本实用新型所提供的超声波探伤装置结构简单，其通过上电极层、压电层与下电极层的配合实现了超声波信号的发射和接收。超声波探伤装置结构简单，成本低，易于生产制造。

上电极层和下电极层巧妙地通过控制开关的通断来控制压电层产生超声波发射信号，控制压电层上超声波接收信号的接收，从而实现对待检测物体的检测。控制简单，侦测精度好。

【附图说明】

图1是本实用新型第一实施例超声波探伤装置的层状结构示意图。

图2是本实用新型第一实施例超声波探伤装置的电路模块结构示意图。

图3是本实用新型第一实施例超声波探伤装置的具体结构示意图。

图4是本实用新型第二实施例超声波探伤装置的具体结构示意图。

图5是本实用新型第三实施例超声波探伤装置的具体结构示意图。

【具体实施方式】

为了使本实用新型的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。

为了使本实用新型的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。

请参阅图1，本实用新型第一实施例超声波探伤装置10，用于通过超声波信号对待检测物体进行缺陷检测，检测时，超声波探伤装置10放置在待检测物体的表面，该待检测物体可以是铁轨和隧道等。超声波探伤装置10包括探伤模块10a和控制电路层17，控制电路层17设置在探伤模块10a下方(本实用新型中所提及的上下左右等方位词仅限于指定视图上的相对位置，而非绝对位置，可以理解，指定视图在平面内进行180°旋转后，位置词“下”即可以替换为位置词“上”)。可以理解，控制电路层17的位置可以根据产品的实际布局需要进行调整，其可以设置在探伤模块10a的左侧，右侧或右下方等等。

探伤模块10a包括上电极层11、压电层13以及下电极层15，上电极层11和下电极层15分别设置在压电层13的第一表面和第二表面，第一表面和第二表面为压电层15相对的两个表面，控制电路层17设置在下电极层15远离压电层13的一侧。优选地，上电极层11为一整层导电材料制成，其用于加载电压以使压电层13产生超声波发射信号。下电极层15包括阵列排布的下电极块151(标号见图3)，下电极块151采用导电材料制成，其用于接收来自压电层13的超声波反射信号。

压电层13为压电膜，优选地，压电层13为原位极化的压电膜，即所述压电层13是采用原位极化的方式极化形成。具体为所述压电层13是在一基体一面原位形成压电膜，所述压电膜包括相对的第一表面和第二表面，使该压电膜的第一表面电势为零；在所述压电膜的第二表面所在侧提供第一电场及第二电场，第一电场的电势高于第二电场的电势；在第一电场的作用下电离所述压电膜第二表面所在的一侧的环境气体，该环境气体穿过第二电场而聚集在压电膜的第二表面，使所述压电膜内形成沿薄膜厚度方向的膜内电场，对所述压电膜进行极化形成所述压电层13。

在实际生产中，可以是采用化学气相沉积、物理气相沉积、等离子体溅射等方式将压电膜形成在基体上。现有技术中，压电膜通常是通过采购现有的成品通过一层粘结层粘附在基体上来进行极化，通常，此种方法形成的压电层13厚度均在30μm以上，不适应现有电子器件轻薄的发展趋势，而且采用这种压电层13的超声波探伤装置，由于压电层13太厚，因此分辨率较低。而本实用新型的提供的压电层13原位形成在基体上，因此厚度很薄，而且形成工艺简单，从而减小信号的传输损耗，有利于提高超声波探伤装置10的指纹识别的分辨率。再者，本实用新型相较于直接在压电层13的上下表面设置电极，不会使压电层13直接承受所施加的高压电场，能避免压电层13被击穿。本实用新型可采用离子体极化(具体可参见申请号为201710108374.9的中国专利申请)或X射线极化(具体可参见申请号为201611222575.3的中国专利申请)的方式形成所述压电层13，所形成的压电层13能够做到很薄，而且，本实用新型的压电层13的压电效应较好以及使用寿命长，能够很好的适用在超声波探伤装置10中，利于实现超声波探伤装置10较好的识别效果。本实用新型中，进行了原位极化的所述压电层13的压电效应D33的范围为20-35pC/N。

所述压电层13的材料为压电材料，具体可选用但不限于：聚偏氟乙烯，聚氯乙烯，聚-γ-甲基-L-谷氨酸酯，聚碳酸酯、聚偏氟乙烯共聚物中的一种或者几种的组合。

在本实用新型的一些实施例中，所述压电层13的材料选用聚偏氟乙烯的共聚物为聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物，为了获得压电效应较好的压电层13，所述聚偏氟乙烯与三氟乙烯的质量比的范围是(60-95)：(5-30)，优选地，其质量比的范围是(75-86)：(15-25)，进一步优选地，其质量比为80：20，所述聚偏氟乙烯和三氟乙烯共聚物较单独选用聚偏氟乙烯可降低成本，且其还具有较好的压电效应。

所述压电层13的厚度小于30μm，其厚度可进一步为小于9μm，再进一步地，其厚度可为1.5-7.4μm、1.9-7.2μm、2.2-8.6μm、2.8-8.4μm或者3.6-6.6μm，更进一步地，可以具体是1.8μm、2.4μm、2.6μm、3.7μm、3.9μm、4.2μm、4.6μm、5.6μm、5.8μm、6.7μm、8.6μm、8.7μm。

请参阅图2，控制电路层17与探伤模块10a电性连接，具体地，控制电路层17包括第一开关模块171、第二开关模块173、信号采集模块175以及信号处理模块177，信号处理模块177与信号采集模块175、第一开关模块171以及探伤模块10a依次电性连接，第二开关模块173也连接于探伤模块10a。

请参阅图3，上电极层11连接至第二开关模块173，其通过第二开关模块173可接VDD或GND。具体地，所述第二开关模块173包括开关S1和开关S2，其中开关S1和开关S2一端与上电极层11连接，另一端分别连接VDD和GND。下电极层15中的下电极块151通过第一开关模块171连接至信号采集模块175。第一开关模块171包括子开关1713以及数量与下电极块151相等的第一开关1711，第一开关1711为如图中所示的K1，K2······Kn，子开关1713为如图中所示的S3和S4，所述多个第一开关1711的一端与所述下电极块151一一对应连接，所述多个第一开关1711的另一端共接于一电性连接点A，所述多个子开关1713一端连接于所述电性连接点A，另一端可连接至GND或所述信号采集模块175。信号采集模块175与信号处理模块177电性连接。

作为一种变形，所述第一开关模块171中的第一开关也可以是单个，优选单刀双掷开关。

作为一种变形，所述多个子开关1713可省略，下电极块151直接通过第一开关1711连接至GND或所述信号采集模块175。

作为一种变形，子开关1713的数量也可以为单个，优选单刀多掷开关。

超声波探伤装置10进行工作时，包括第一工作阶段：上电极层11和下电极块151接GND以实现电荷清零，第二工作阶段：下电极块151接GND，上电极层11交替接VDD及GND以产生方波信号激发压电层13产生超声波发射信号；第三工作阶段：上电极层11接GND或VDD，下电极块151接信号采集单元，超声波反射信号碰到待检测物体反射回来产生超声波反射信号，压电层13将超声波反射信号转换成电信号后传输给与下电极块151连接的信号采集单元175，超声波反射信号进而被与下电极块151连接的信号采集模块175采集。所述信号处理模块根据信号采集模块175采集的超声波反射信号分析待检测物体是否存在缺陷，如检测铁轨是否存在裂纹特征，表面缺陷等，如隧道是否存在裂缝等。

信号采集模块175的信号处理方式包括但不限定于先建立一标准数据库，该标准数据库中存储了超声波发射信号在遇到无缺陷问题存在的待检测物体后反射回来的超声波反射信号，信号采集模块175将当前采集到的超声波反射信号与标准数据库中的超声波反射信号进行比较，如出现较大差异，则认为待检测物体有缺陷。反之，则认为待检测物体无缺陷。

优选地，第一阶段、第二阶段以及第三阶段依次进行。

可以理解，在第一阶段中，开关S1和S2交替关闭即是为了提供一交替变化的电压信号给压电层13以产生超声波发射信号。可以理解VDD和GND即为具有压差的两个电压信号。

可以理解，第一开关1711依次导通对待检测物体进行检测。可以理解，所述的依次导通为某一时刻，有且仅有一个第一开关1711导通。所有的第一开关1711完成一次导通后即完成了对待检测物体的一个周期的检测。

可以理解，本实用新型中第一开关模块171和第二开关模块173通过与其共同连接的控制器控制第一开关1711、子开关1713及开关S1和开关S2的通断。作为一种变形，第一开关模块171连接一控制器，第二开关模块173连接另一控制器。

请参阅图4，本实用新型第二实施例超声波探伤装置20，与第一实施例中超声波探伤装置20的不同之处仅在于：超声波探伤装置20的超声波信号的发射结构不一样。具体地，超声波探伤装置20包括超声波发射器21，压电层23和下电极层25，下电极层25设置在压电层23的一个表面，下电极层25包括多个阵列排布的下电极块251。下电极块251通过数量与下电极块251相等的第一开关2711连接至信号采集模块275，所述多个第一开关2711的一端与所述下电极块251一一对应连接，所述多个第一开关2711的另一端共接于信号采集模块275，信号采集模块275与信号处理模块277电性连接。

超声波探伤装置20进行工作时，包括第一工作阶段：下电极块251接GND以实现电荷清零，第二工作阶段：超声波发射器21工作产生超声波发射信号；第三工作阶段：下电极块251接信号采集单元，超声波反射信号碰到待检测物体反射回来产生超声波反射信号，压电层23将超声波反射信号转换成电信号后传输给与下电极块251连接的信号采集单元275，超声波反射信号进而被与下电极块251连接的信号采集模块275采集。所述信号处理模块根据信号采集模块275采集的超声波反射信号分析待检测物体是否存在缺陷。

优选地，第一工作阶段、第二工作阶段和第三工作阶段依序进行。

可以理解，第一开关2711连接控制器，控制器控制所述第一开关2711依次导通。

超声波探伤装置20中的超声波发射器21设置在待检测物体的一侧，所述下电极层15和压电层13设置在待检测物体相对的另一侧。具体地，如待检测物体为投放使用中的铁轨时，铁轨底面与地面接触，顶面为与火车或高铁的接触面，所述超声波发射器21设置在其左侧面，下电极层15和压电层13设置在其右侧面，可以理解所述两者的位置也可以互换。可以理解，在铁轨的生产车间中，超声波发射器21可以设置在任意与下电极层15和压电层13所在侧的相对侧。

请参阅图5，本实用新型第三实施例超声波探伤装置30，超声波探伤装置30包括压电层33和下电极层35，下电极层35设置在压电层33的表面，下电极层35通过第一开关模块371连接到信号采集模块375，信号采集模块375再与信号处理模块377电性连接。下电极层35包括多个阵列排布的下电极块351。第一开关模块371包括至少一子开关3713和数量与下电极块351相等的第一开关3711，所述多个第一开关3711的一端与所述下电极块351一一对应连接，所述多个第一开关3711的另一端共接于一电性连接点B，所述至少一子开关3713一端连接于所述电性连接点B，另一端可连接至GND或VDD或所述信号采集模块375。本实施例中子开关3713的数量为3个，具体为S3、S4、和S5，通过控制该3个子开关3713的通断以控制下电极块351连接至GND或VDD或所述信号采集模块375。

作为一种变形，子开关3713的数量也可以为单个，优选单刀多掷开关。

超声波探伤装置30进行工作时，包括第一工作阶段：第一开关3711全部导通，控制开关S5断开，S3和S4交替导通以产生方波信号激发压电层33产生超声波发射信号；第二工作阶段：所述第一开关3711依次导通，控制开关S3和S4断开，S5导通，超声波发射信号碰到待检测物体反射回来产生超声波反射信号，压电层33将超声波反射信号转换成电信号后传输给与下电极块351连接的信号采集单元375，超声波反射信号进而被与下电极块351连接的信号采集模块375采集。所述信号处理模块377根据信号采集模块375采集的超声波反射信号分析待检测物体是否存在缺陷。

优选地，第一工作阶段和第二工作阶段依序交替进行。

本实施例中下电极层35既作为激发压电层33产生超声波发射信号的电极，又作为接收超声波接收信号的电极，其结构简单，集成度高。

与现有技术相比，本实用新型所提供的超声波探伤装置结构简单，其通过上电极层、压电层与下电极层的配合实现了超声波信号的发射和接收。超声波探伤装置结构简单，成本低，易于生产制造。

上电极层和下电极层巧妙地通过控制开关的通断来控制压电层产生超声波发射信号，控制压电层上超声波接收信号的接收，从而实现对待检测物体的检测。控制简单，侦测精度好。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的原则之内所作的任何修改，等同替换和改进等均应包含本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超声波探伤装置，用于对待检测物体通过超声波信号进行检测，其特征在于：所述超声波探伤装置包括上电极层、压电层和下电极层，所述上电极层和下电极层分别设置在压电层相对的两个表面，所述上电极层为一整层，其用于加载电压信号以使压电层产生超声波发射信号，所述下电极层包括多个阵列排布的下电极块，所述下电极块用来接收来自压电层所接收到的超声波反射信号。

2.如权利要求1所述的超声波探伤装置，其特征在于：所述超声波探伤装置包括第一开关模块和信号采集模块，所述下电极块通过第一开关模块连接至信号采集模块，当压电层接收到超声波反射信号时，超声波反射信号被压电层转换成电信号传输给下电极块后进而被与下电极块连接的信号采集模块采集。

3.如权利要求2所述的超声波探伤装置，其特征在于：所述第一开关模块包括至少一子开关以及数量与下电极块相等的第一开关，所述多个第一开关的一端与所述下电极块一一对应连接，所述多个第一开关的另一端共接于一电性连接点，所述至少一子开关一端连接于所述电性连接点，另一端可连接至GND或所述信号采集模块。

4.如权利要求3所述的超声波探伤装置，其特征在于：超声波探伤装置包括第一工作阶段：上电极层和下电极块接GND以实现电荷清零，第二工作阶段：下电极块接GND，上电极层交替接VDD及GND以产生方波信号激发压电层产生超声波发射信号；第三工作阶段：上电极层接GND或VDD，下电极块接信号采集单元，超声波反射信号碰到待检测物体反射回来产生所述超声波反射信号，压电层将超声波反射信号转换成电信号后传输给与下电极块连接的信号采集单元。

5.如权利要求2所述的超声波探伤装置，其特征在于：所述超声波探伤装置进一步包括第二开关模块，所述第二开关模块包括至少一第二开关，所述上电极层通过所述至少一第二开关的切换可连接至GND或VDD。

6.如权利要求5所述的超声波探伤装置，其特征在于：所述超声波探伤装置进一步包括控制器，所述控制器控制第一开关模块和第二开关模块的工作。

7.如权利要求3所述的超声波探伤装置，其特征在于：在待检测物体的检测过程中，所述多个第一开关依次导通。

8.如权利要求2所述的超声波探伤装置，其特征在于：所述信号采集模块有且仅有一个。

9.如权利要求2所述的超声波探伤装置，其特征在于：超声波探伤装置进一步包括与信号采集模块连接的信号处理模块，所述信号处理模块根据信号采集模块所采集到的超声波反射信号分析待检测物体是否存在缺陷。

10.如权利要求1所述的超声波探伤装置，其特征在于：所述压电层为原位极化的压电膜。