CN2615666Y - 用于固体材料超声无损检测的相控阵探头 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用于固体材料超声无损检测的相控阵探头。该探头包括由换能器单元组成的阵列；换能器单元呈长方体，由压电块和非压电块组成；所述压电块和非压电块在换能器单元的宽度方向上交错放置；各换能器单元的上下表面分别覆盖有上电极和下电极。本实用新型提供的用于固体材料超声无损检测的相控阵探头可以直接产生纯横波，避免了波型转换带来的能量损失或其它干扰，避免了固体中声波波型转换带来的影响；使用该探头，不仅可以利用电子相控技术实现对固体材料的垂直纯横波声束电子扫描，还可对粘接界面的液体夹层及零间隙脱粘进行检测。本实用新型提供的用于固体材料超声无损检测的相控阵探头，可用于固体材料的超声无损检测，其中包括粘接界面的质量评价。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种用于扫描成像装置的探头，具体地说，涉及一种用于固体材料超声无损检测的相控阵探头。
背景技术
传统的相控阵成像技术利用超声纵波探头组成探头阵列对检测对象进行电子扫描成像。由于在固体中存在波型转换，传统的纵波相控阵技术在用于固体介质的检测时会遇到额外的干扰。另外，在粘接界面的液体夹层及零间隙脱粘的检测中，采用超声纵波无法检测。
相对于纵波，横波探测有其独特的优势。从传播理论可知，对于各向异性等复杂介质材料纯横波的散射、反射特性比较单纯，采用横波检测有纵波无法达到的效果。在相同的频率条件下，横波波长比纵波波长几乎要小一倍，因此对同样大小的缺陷，横波的反射能量相对也要大的多。同时，在对粘接界面缺陷中液体夹层的检测中，横波的灵敏度也远比纵波高。
虽然在焊缝的超声检测中，有时使用横波阵列探头([1].Roy，O.，Mahaut，S.，Casula，O.，Development of a smart flexible transducer to inspect component ofcomplex geometry：modeling and experiment，AIP Conference Proceedingsno.615A：908-14，2002)，但是，组成探头阵列的阵元直接辐射纵波，然后倾斜入射在耦合界面上，利用波型转换在检测介质中产生横波。这种利用波型转换技术，产生横波的效率受到影响，并常伴有纵波或表面波使其检测受到影响。也有使用电磁声技术产生SH横波进行金属板测厚[2]，但设备相对比较复杂，检测条件要求高，且只适用于铁磁性介质，目前也还没有实际可以用于小当量缺陷检测的产品。使用其他方法也能够产生横波([2].Murray，P.R.；Dewhurst，R.J.，Laser/EMAT measuremem systems for ultrasound B-scan imaging，Sensors and theirApplications XI.Proceedings of the Eleventh Conference on Sensors and theirApplications：169-74，2001；[3].Every，A.G.；Sachse，W.，Imaging oflaser-generatedultrasonic waves in silicon，Physical Review B(Condensed Matter)，vol.44，no.13：6689-99，1Oct.1991 Language：English；[4].汪承灏，乔东海，固体表面菲涅尔阵列产生的声束聚焦的研究，声学学报，Vol.24，No.4，1999，pp351-356)，但也常伴随纵波，不能够得到模式纯净的横波辐射声场。
发明内容
本实用新型的目的是为了克服现有技术中扫描成像装置的探头不能直接发射横波，因而效率低并限制其应用等缺点，通过设计可直接产生横波的换能器单元，从而提供了一种用于固体材料超声无损检测的相控阵探头。
本实用新型的技术方案为：
一种用于固体材料超声无损检测的相控阵探头，该探头包括由换能器单元2组成的阵列；所述换能器单元2呈长方体，由压电块3和非压电块4组成；所述压电块3和非压电块4在换能器单元2的宽度方向上交错放置；各换能器单元2的上下表面分别覆盖有上电极5和下电极6。
所述探头还包括支撑结构体1，所述换能器单元2嵌在支撑结构体1内。所述换能器单元2的宽度小于等于λ/2，其厚度小于等于λ/2，其中λ等于所需发射声波的波长。所述阵列包括两个或两个以上换能器单元2，并且换能器单元2沿其宽度方向间隔放置。所述阵列为线性阵列或环形阵列。相邻换能器单元2之间的距离大于等于隔离换能器单元间耦合振动需要的最小距离。该探头还包括设置在所述换能器单元2声辐射面上的保护膜，设置在所述换能器单元2背面上的背衬。
在实际使用时，可将本实用新型提供的相控阵探头与现有技术的扫描成像装置的发射/接收电路部分通过多束高频屏蔽电缆连接，从而构成完整的相控阵扫描成像装置。
本实用新型提供的用于固体材料超声无损检测的相控阵探头的优点在于：该探头可以直接产生纯横波，避免了波型转换带来的能量损失或其它干扰，避免了固体中声波波型转换带来的影响；使用该探头，不仅可以利用电子相控技术实现对固体材料的垂直纯横波声束电子扫描，还可对粘接界面的液体夹层及零间隙脱粘进行检测。
本实用新型提供的用于固体材料超声无损检测的相控阵探头，可用于固体材料的超声无损检测，其中包括粘接界面的质量评价。
附图说明
图1是本实用新型线形相控阵探头的结构示意图；
图2是图1中换能器单元的结构示意图；
图3是本实用新型环形相控阵探头的结构示意图；
图4是采用本实用新型相控阵探头的扫描成像装置示意图；
图面说明：
支撑结构体1 换能器单元2 压电块3
非压电块4 上电极5 下电极6
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步详细描述：
如图1所示，8个换能器单元2沿其宽度方向平行间隔组成线性阵列，相邻换能器单元2之间间距为0.1毫米；此阵列嵌在支撑结构体1内，支撑结构体为环氧树脂材料。
换能器单元2的结构如图2所示，它基本上呈长方体，其宽度为0.8毫米，厚度为1.1毫米，长度为10毫米，该换能器单元2发射声波的波长为3毫米(对应于检测体为金属钢的情形)，在其宽度方向方向上，交错放置有长条形的3个压电块3和4个非压电块4；压电块3的偏振方向沿换能器单元2的长度方向；压电块3使用压电材料，可以为锆钛酸铅压电陶瓷，如PZT-5A和PZT-4，也可用其它系列的压电材料如钛酸钡、偏铌酸铅、铌酸钾钠、钛酸铅压电陶瓷或石英晶体。非压电块的材料为环氧树脂如E-51，或其它双酚A型环氧树脂如E-44或E-55。换能器单元2的上下表面分别覆盖有上电极5和下电极6。
换能器单元2的声辐射面上设有材料为环氧树脂加280目金刚砂的保护膜(未示出)，其中，金刚砂也可用硅酸盐类微粉或刚玉类微粉等绝缘体微粉代替。换能器单元2的背面设有环氧树脂加金属粉末的背衬(未示出)，例如加钨粉。
还可将换能器单元2排列成环形阵列的形式，如图3所示。
应用本实用新型的相控阵探头的扫描成像装置如图4所示，该装置的电子部分可采用现有的扫描成像装置中的电子部分。该装置包括相控阵探头、整机控制单元、发射/接收部分、A/D采样与合成处理部分、结果显示与输出部分，其中本实用新型的相控阵探头各换能器单元的电极与发射/接收电路部分通过多束高频屏蔽电缆连接。该装置为全数字化相控阵成像设备，通过整机控制单元产生发射声束偏转和聚焦所需要的延迟触发脉冲，控制发射电路形成高压激励脉冲，激励相控阵各阵元发射纯横波声波。本实用新型中换能器单元产生的纯横波偏振方向与传播方向、单元的排列方向垂直。产生的横波通过扫描阵与检测体表面之间的横波耦合剂(如粘稠的蜂蜜)进入检测体。发射的声束由相控阵发射/接收部分中的发射单元合成偏转聚焦。当遇到声阻抗不连续的区域如缺陷界面、工件底面，声波发生反射，反射信号与反射面/体的大小、形状、性质等因素有关，对于粘接界面。如果存在弱粘接区域或粘接界面存在缺陷，将产生与完全粘好界面不同的反射信号。由于本实用新型使用纯横波技术，因此反射信号的幅度或相位反映了粘接界面的受切变力时的位移或者形变特性。当粘接界面属于液体夹层类缺陷时，界面两侧的纵向位移和应力连续，而切向应力不连续，因此利用横波可以得到很强的反射信号，但纵波的传播不受影响。当夹层的液体属于理想液体时，横波的反射系数等于1。反射信号传播到换能器阵列后，由于晶片的压电效应而在晶片上产生相应的电压信号，该电压信号送到发射/接收部分中的接收单元。经放大、预处理、A/D单元采集输入计算机后，通过信号处理的方法完成数字声束合成、动态聚焦等后续处理，实现检测回波的A、B、C扫描成像，检测结果可在显示终端上显示，也可打印输出。
在相控阵成像检测的过程中应保持耦合状态的稳定，以获得比较一致的检测信号。
Claims (9)
1、一种用于固体材料超声无损检测的相控阵探头，该探头包括由换能器单元(2)组成的阵列；其特征在于，所述换能器单元(2)呈长方体，由压电块(3)和非压电块(4)组成；所述压电块(3)和非压电块(4)在换能器单元(2)的宽度方向上交错放置；各换能器单元(2)的上下表面分别覆盖有上电极(5)和下电极(6)。
2、根据权利要求1所述的用于固体材料超声无损检测的相控阵探头，其特征在于，所述探头还包括支撑结构体(1)，所述换能器单元(2)嵌在支撑结构体(1)内。
3、根据权利要求1或2所述的用于固体材料超声无损检测的相控阵探头，其特征在于，所述换能器单元(2)的宽度小于等于λ/2，其厚度小于等于λ/2，其中λ等于所需发射声波的波长。
4、根据权利要求1或2所述的用于固体材料超声无损检测的相控阵探头，其特征在于，所述阵列包括两个或两个以上换能器单元(2)，并且换能器单元(2)沿其宽度方向间隔放置。
5、根据权利要求1或2所述的用于固体材料超声无损检测的相控阵探头，其特征在于，所述阵列为线性阵列或环形阵列。
6、根据权利要求1或2所述的用于固体材料超声无损检测的相控阵探头，其特征在于，相邻换能器单元(2)之间的距离大于等于隔离换能器单元间耦合振动需要的最小距离。
7、根据权利要求1或2所述的用于固体材料超声无损检测的相控阵探头，其特征在于，所述压电块(3)的偏振方向沿换能器单元(2)的长度方向。
8、根据权利要求1或2所述的用于固体材料超声无损检测的相控阵探头，其特征在于，还包括设置在所述换能器单元(2)声辐射面上的保护膜。
9、根据权利要求1或2所述的用于固体材料超声无损检测的相控阵探头，其特征在于，还包括设置在所述换能器单元(2)背面上的背衬。
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