CN217739088U - 一种超声直探头、超声波传感器及在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种超声直探头、超声波传感器及系统。本实用新型超声直探头的压电层采用基于锆钛酸铅压电陶瓷的1‑3型PZT/环氧树脂，该复合材料具有高机电耦合系数和低声阻抗特性，表现出更高的灵敏度和更宽的带宽。将超声波传感器安装在钢轨结构表面，用以产生和接收用于检测钢轨冲击损伤的应力波信号。同时，对钢轨进行在线监测时的监测装置采用太阳能和蓄电池供电，可以保证超声监测在野外长期稳定工作，同时整体结构轻便紧凑，方便维护更换。钢轨在线监测系统能够在保证无人值守的情况下，超声波传感器可以长期稳定监测和检出钢轨内裂纹缺陷的发展程度，具有很强的使用价值。

Description

一种超声直探头、超声波传感器及在线监测系统

技术领域

本实用新型属于交通行业铁路钢轨的在线(在役)伤损监测领域，具体涉及一种超声直探头、超声波传感器及在线监测系统。

背景技术

铁路、飞机、压力容器等关键结构的完整性需要持续监控，以防止发生灾难性故障。为了应对导致结构失效的任何可能损坏，即使结构可能正在使用中，也应进行监控评估。传统的无损检测/评估(NDT/NDE)技术不能直接应用于监测结构的健康状况，因为这些技术通常基于实验室测试，需要庞大的仪器。具有集成传感器的结构健康监测(SHM)系统称为智能SHM系统，在过去数十年中引起了广泛关注。除了传感器、发射器或执行器，其功能是激发诊断信号，也可以植入结构中以构建有源主动式SHM系统。主动SHM系统可以增加从收集的传感器数据中推断结构状态的可能性。构建有源主动式SHM系统的一个主要问题是选择合适的监测信号。尽管一般意义上任何物理信号都可以用于监测结构健康，但与渗透、涡流、X射线检测等其他NDT检测方案中的诊断信号不同，超声应力波已被认为是主动SHM系统中的主要方法。这种在监测结构上集成传感器的技术应用于结构健康监测(SHM)中，具有很好的监测性能。目前，为了解决在役钢轨的安全问题，急需将超声应力波传感器集成到钢轨表面结构中。

超声波应力波监测系统中，基于超声应力波的测试可以潜在地检测出各种损坏(例如腐蚀、分层、裂纹，这些损伤不仅在表面上，也可以隐藏在结构内部)，并且可以通过提高诊断信号的频率来增加对微小损坏的检出能力。传统的应力波监测方法是应用基于超声波兰姆波的监测方法，这种监测方法的困难在于信号由于其色散特性和复杂的模式转换现象而无法清楚解析声波的传播路径，由于在智能SHM结构中安装结构和传感器之间的相互作用，进一步增加了解析的困难。损伤监测识别的算法依赖于兰姆波的产生和接收方法，相对也比较复杂。

实用新型内容

为了克服现有技术存在的上述缺陷，本实用新型提供一种超声直探头、超声波传感器及系统，用于解决现有技术中存在的上述问题。

一种超声直探头，所述超声直探头包括外壳及设置外壳内部的匹配层、压电层、背衬层和电极片，

其中所述压电层的负极表面与所述匹配层连接；所述压电层的正极表面与所述背衬层连接；

所述电极片设置在所述负极表面与所述匹配层之间，其上设置有负极引线；

所述压电层的正极表面设置有正极引线；

所述压电层为直径4-8mm的圆形锆钛酸铅压电陶瓷层。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述锆钛酸铅压电陶瓷层为1-3型PZT/环氧树脂。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述电极片为2-10微米厚、宽为2-4毫米的铜箔。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述外壳为圆柱形，采用不锈钢材料制成。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述匹配层的厚度为100-200微米。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述外壳上设置有接插件，所述接插件包括正极插槽、负极插槽和输出插槽，其中所述正极插槽、负极插槽分别连接所述正极引线和负极引线；所述输出插槽中设置超声直探头线。

本实用新型还提供一种超声波传感器，所述传感器包括支撑件和所述的超声直探头，所述超声直探头设置在所述支撑件上。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述支撑件包括支撑斜面，所述支撑斜面与水平方向的夹角为40～80度。

本实用新型还提供一种钢轨在线监测系统，所述系统包括监测装置、远程服务器及若干本实用新型所述的超声波传感器，其中所述超声波传感器设置在钢轨上，超声波传感器的探头线连接所述监测装置，所述监测装置无线连接所述远程服务器。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述监测装置包括太阳能板、支架、监测仪、壳体和电池，其中太阳能板设置在支架的顶端，所述壳体设置在支架上，所述监测仪和电池设置在所述壳体内，所述监测仪和每一所述超声波传感器均相连接，且所述监测仪与电池的一端相连接，所述电池的另外一端接太阳能板。

本实用新型的有益效果

本实用新型超声直探头的压电层采用基于锆钛酸铅压电陶瓷的1-3型PZT/环氧树脂，该复合材料具有高机电耦合系数和低声阻抗特性，表现出更高的灵敏度和更宽的带宽。将超声波传感器安装在钢轨结构表面，用以产生和接收用于检测钢轨冲击损伤的应力波信号。同时，对钢轨进行在线监测时的监测装置采用太阳能和蓄电池供电，可以保证超声监测在野外长期稳定工作，同时整体结构轻便紧凑，方便维护更换。钢轨在线监测系统能够在保证无人值守的情况下，超声波传感器可以长期稳定监测和检出钢轨内裂纹缺陷的发展程度，具有很强的使用价值。

附图说明

图1为本实用新型的实施例中的超声直探头结构示意图；

图2为本实用新型的实施例中超声波传感器结构示意图；

图3为本实用新型的实施例中监测装置的结构示意图；

图4为本实用新型的实施例中超声波传感器在钢轨上的布置示意图；

图5为本实用新型的实施例中超声波传感器在钢轨上的固定示意图。

具体实施方式

为了更好的理解本实用新型的技术方案，本实用新型内容包括但不限于下文中的具体实施方式，相似的技术和方法都应该视为本实用新型保护的范畴之内。为使本实用新型要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

应当明确，本实用新型所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本实用新型。在本实用新型实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

如图1所示为本实用新型的超声直探头的结构,包括匹配层1、压电层2、背衬层3和电极片，其中所述压电层2的负极表面与所述匹配层1连接；所述压电层2的正极表面与所述背衬层3连接；所述电极片设置在所述压电层2的所述负极表面与所述匹配层1之间，其上设置有负极引线5；所述压电层2的正极表面设置有正极引线4。由于压电材料本身表现出比常见声学负载高得多的声阻抗，例如用于工业无损检测的楔形延迟块，因此会损失很大一部分声能，如果在声学上没有正确匹配，也会导致分辨率和灵敏度变差，设置在压电材料的压电层2和负载材料之间的匹配层1可以显着提高探头性能。背衬层3是压电超声探头的另一个重要组成部分。由于空气和压电材料之间的声学不匹配，反射波会在探头内部回响，这将会导致超声波脉冲的长时间衰荡，形成振铃效应。因此，为了避免这种振铃效应，提高回波信号的质量，本实用新型的背衬层3选择一种高衰减、高密度的材料，用于通过吸收有源元件背面辐射的能量来控制超声直探头的振动。背衬材料是氧化铁与钨粉的混合物，尺寸规格与压电层2相匹配。压电层2采用的压电复合材料为圆形的锆钛酸铅压电陶瓷1-3型PZT/环氧树脂，尺寸为直径4-10mm，优选8mm。匹配层1的厚度为100-200微米，本实用新型优选厚度140微米，选择该厚度是为了能够使匹配的压电层2得到更窄的脉冲回波信号，提高分辨力。压电层2的负极表面与匹配层1之间用爱牢达AV138MV998环氧胶粘接涂抹均匀，保证没有气泡，再将2-10微米厚、宽为2-4毫米的铜箔，本实用新型优选5微米厚宽1毫米的铜箔设置在压电层2的负极表面与匹配层1的中间以引出负极引线5，等AV138MV998环氧胶完全固化后，再次将铜箔焊接出负极引线5；在压电层2的正电表面焊接正级引线4，即正级引线4直接焊接在压电层2的正级表面，不需要采用铜箔；然后在压电层2的正级表面浇注背衬层3，固化的同时监测波形和频谱；最后，将上述粘接、焊接、浇注后的匹配层1、压电层2及背衬层3的结合体装入外壳6中，该外壳6采用不锈钢材料，用以保护里面的器件不受损坏，并且可防止外界干扰。在不锈钢外壳6的内壁上设置有接插件7，本实用新型优选C5接插件，所述接插件7包括正极插槽、负极插槽和输出插槽，其中所述正极插槽、负极插槽分别连接所述正极引线4和负极引线5；所述输出插槽中设置超声直探头的探头线，C5接插件为标准接插件母头，且在探头线端采用C5接插件公头与该接插件母头进行插接配合。将正级引线4和负极引线5与接插件7相连接，做好的超声直探头在接插件7处引出探头线，该探头线用于连接后面的监测仪器，来传输超声直探头探测的信号，同时不锈钢外壳6保护正负极引线，减少来自周围电磁波的电噪声。衍射波探头要求产生的脉冲波带宽高，振荡周期少，用上述方法制作的超声波直探头具有很好的带宽和周期特性，使得直探头本身就有很好的分辨力，并且与楔块组合以后，更能产生较好的超声衍射波信号，超声直探头供电通过探头线连接仪器，采用C5接插件公头，一端连接仪器，另一端连接超声直探头上的C5接插件母头，用以和探头线进行连接，给超声直探头提供电源及传输信号。

优选地，如图2所示，本实用新型的实施例还提供了一种超声波传感器，包括超声直探头和支撑件，本实用新型中有支撑件选择楔块8来实现，超声直探头产生的衍射波信号方向比较固定，用于监测时容易造成信号的不均匀分布，本实用新型选择楔块8来将超声直探头的衍射波信号进行扩散，用于产生不同角度扩散的衍射波信号，从而是监测时不同的角度会影响监测的效果，楔块8上设置螺纹孔，将超声直探头和楔块8通过螺纹孔进行连接。具体地，将超声直探头拧在楔块8上，将楔块8与超声直探头相连接，楔块8包括支撑斜面，所述支撑斜面与水平方向的夹角为40～80度，本实用新型中基于声波效率优选50度或60度，在这两个角度下，声波在往复过程中的能量损失小，能探测清楚更小的缺陷。因此，采用超声直探头和楔块相匹配形成的衍射超声波传感器，其中，基于PZT/环氧树脂的1-3复合材料的衍射波超声探头具有良好的阻尼效果和相对较短的波形持续时间，非常有利于钢轨内缺陷的高分辨率监测，不同角度的衍射波是通过楔块的波形转换产生，不同角度导致监测的范围不一样，根据伤损处在的范围，选定一个确定的角度进行监测。

优选地，本实用新型的实施例中还提供一种钢轨在线监测系统，包括监测装置、钢轨及若干超声波传感器，其中，所有的超声波传感器设置在钢轨上，如图3所示，监测装置包括太阳能板9、支架10、监测仪、壳体11和电池，其中太阳能板9设置在支架10的顶端，所述壳体11设置在支架10上，所述监测仪和电池设置在所述壳体11内，监测装置布置在野外，监测仪和所有的超声波传感器都采用太阳板9供电，因此监测仪要有保证，在小功率的情况下也可正常工作，为此，本实用新型的监测仪采用32通道小功率超声探伤仪，每个通道连接一个超声波传感器，通过探头线相连接即可，这样能保证长时间可以工作及运行，壳体11采用防水设计，保证了监测仪和电池不被雨淋，也避免距离钢轨太近影响行车安全。

优选地，如图4所示，本实用新型的实施例还提供了超声波传感器在钢轨上的布置方式，将超声波传感器安装粘接在钢轨上，分别在钢轨的底侧12位置处布置两对超声波传感器，在对应的另外一侧跟底侧12一样的位置也布置两对超声波传感器，用来监测钢轨底面，其中布置距离钢轨上的焊缝面13中心近的一对超声波传感器监测浅的缺陷，离焊缝面13中心远的一对超声波传感器用来监测深的缺陷。依此方法，在钢轨的轨底三角区两侧各布置一对超声波传感器，轨腰两侧各布置三对超声波传感器，轨颚三角区两侧各布置一对超声波传感器，布置时采用胶粘接的方法，考虑到操作时间的有限性，采用汉高4070环氧树脂结构铸工胶水粘接，该粘接胶水透射性和抗拉系数很高，一分钟快速固化，二十四小时完全固化，粘接牢固。

优选地，如图5所示，本实用新型的实施例中还提供了在将粘接在钢轨上的超声波传感器用盖板15进行保护，由于考虑到现场焊缝的变化，盖板15可以移动，调整固定螺丝16的松紧度，保证盖板15可以左右移动，将盖板15移动到完全能包裹保护住超声波传感器的位置，避免超声波传感器裸露在外面导致损坏，然后将螺丝16拧紧，这样保证超声波传感器不裸露，保证行车安全。

最后将超声波传感器的探头线全部从轨道地下引出，并连接监测仪，调试超声波传感器与监测仪的信号输入，同时通过监测仪观察信号耦合状态，固定好监测超声波传感器实现超声信号的完好采集。监测仪采用物联网卡以无线方式传输到远程服务器，对检出缺陷实时报警，并在地图上标识显示出报警位置，通知管护人员发现监控点的信号变化，达到了迅速及时反应的目的。该超声波传感器和监控装置可以长期实时监测钢轨内裂纹缺陷的发展情况，防止因裂纹缺陷的扩展导致钢轨折断，保障铁路运输的安全可靠运行。

上述说明示出并描述了本实用新型的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本实用新型并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本实用新型的精神和范围，则都应在本实用新型所附权利要求书的保护范围内。

Claims (10)

1.一种超声直探头，其特征在于，所述超声直探头包括外壳及设置外壳内部的匹配层、压电层、背衬层和电极片，

其中所述压电层的负极表面与所述匹配层连接；所述压电层的正极表面与所述背衬层连接；

所述电极片设置在所述负极表面与所述匹配层之间，其上设置有负极引线；

所述压电层的正极表面设置有正极引线；

所述压电层为直径4-8mm的圆形锆钛酸铅压电陶瓷层。

2.根据权利要求1所述的超声直探头，其特征在于，所述锆钛酸铅压电陶瓷层为1-3型PZT/环氧树脂。

3.根据权利要求1所述的超声直探头，其特征在于，所述电极片为2-10微米厚、宽为2-4毫米的铜箔。

4.根据权利要求1所述的超声直探头，其特征在于，所述外壳为圆柱形，采用不锈钢材料制成。

5.根据权利要求1所述的超声直探头，其特征在于，所述匹配层的厚度为100-200微米。

6.根据权利要求1所述的超声直探头，其特征在于，所述外壳上设置有接插件，所述接插件包括正极插槽、负极插槽和输出插槽，其中所述正极插槽、负极插槽分别连接所述正极引线和负极引线；所述输出插槽中设置超声直探头线。

7.一种超声波传感器，其特征在于，所述传感器包括支撑件和权利要求1-6任一项所述的超声直探头，所述超声直探头设置在所述支撑件上。

8.根据权利要求7所述的超声波传感器，其特征在于，所述支撑件包括支撑斜面，所述支撑斜面与水平方向的夹角为40～80度。

9.一种钢轨在线监测系统，其特征在于，所述系统包括监测装置、远程服务器轨及若干权利要求7-8任一项所述的超声波传感器，中所述超声波传感器设置在钢轨上，超声波传感器的探头线连接所述监测装置，所述监测装置无线连接所述远程服务器。

10.根据权利要求9所述的钢轨在线监测系统，其特征在于，所述监测装置包括太阳能板、支架、监测仪、壳体和电池，其中太阳能板设置在支架的顶端，所述壳体设置在支架上，所述监测仪和电池设置在所述壳体内，所述监测仪和每一所述超声波传感器均相连接，且所述监测仪与电池的一端相连接，所述电池的另外一端接太阳能板。

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