WO2020169869A1 - Estructura laminar como parte de un transductor ultrasónico piezoeléctrico - Google Patents

Estructura laminar como parte de un transductor ultrasónico piezoeléctrico Download PDF

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WO2020169869A1
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Tomás GÓMEZ ÁLVAREZ-ARENAS
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Consejo Superior De Investigaciones Científicas (Csic)
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Definitions

  • the present invention refers to a laminar structure, its procedure for obtaining it and its use as part of a piezoelectric ultrasonic transducer to operate in broadband pulse-echo mode and with high sensitivity and axial resolution in the presence of a pressurized gas at a pressure between 14 bar and 103 bar. Furthermore, the present invention refers to the transducer comprising said laminar or layered structure.
  • the present invention can be framed in the area of materials with applications as sensors in ultrasonic systems.
  • the so-called pulse-echo ultrasonic technique for the detection of internal discontinuities in solids or their back surface is well known and has numerous industrial applications.
  • This technique always uses liquid couplings (water or gel) or even soft solids (dry coupling) between the ultrasound emitter / receiver (transducer) and the solid to be inspected (part) and it is not particularly complex since this type of coupling transducer / part is an effective way to ensure efficient transmission of ultrasound from the transducer to the solid under inspection.
  • This enables either the detection of internal discontinuities (detection of cracks, cavities or inclusions) in the solid or the opposite surface (measurement of thickness).
  • the transducer band is limited iii) the amplitude of the signal reflected in the first interface of the solid is very high, while that of the internal echoes (or of the back face) is very weak.
  • i) and i) give rise to the transducers used for coupling by gases having a very long response signal in time, which produces a very long dead zone that makes it impossible to discern the presence of close echoes in time , that is, the axial resolution is very poor.
  • the pressures used in gas transportation and distribution are in the range 14-103 bar (200-1500 psi), so this approach to the problem based on the use of conventional transducers for immersion in water is no longer useful. that at these pressures the transducers designed for coupling by means of liquids do not offer acceptable performance.
  • the pressure in the gas decreases (below 103 bar)
  • the attenuation of the ultrasound increases and the impedance decreases, which reduces the sensitivity of the immersion transducers and produces a worsening of the signal-to-noise ratio; in addition, it lengthens the response signal, which produces a loss of axial resolution.
  • the existing transducers for air coupling are not useful for this application as they are designed to operate at pressures reduced and because they are designed to work in transmission mode and not in pulse-echo mode, presenting a poor axial resolution that is not acceptable in these applications.
  • the present invention relates to a laminar or laminated structure and its method of obtaining and to the use of said laminar or laminated structure as part of a piezoelectric ultrasonic transducer and to the transducer comprising said laminar or laminated structure.
  • the piezoelectric ultrasonic transducer referred to in the present invention operates in broadband pulse-echo mode, with high sensitivity (> -35 dB) and high axial resolution ( ⁇ 5 ms) in the presence of a pressurized gas at a pressure of between 14 bar and 103 bar (200-1500 psi), that is, it operates by generating ultrasonic signals and detecting the echoes generated by a solid body in the presence of a pressurized gas at a pressure between 14 bar and 103 bar (200-1500 psi ).
  • This piezoelectric ultrasonic transducer has a high sensitivity> -30 dB and a bandwidth> 90% and can be used to carry out the following measurements in tanks and pipes that contain or transport gases at pressures between 14 bar and 103 bar (of between 200 psi and 1500 psi).
  • the present invention refers to a laminar or stratified structure (from here the structure of the present invention ”) characterized in that it comprises • a resonant adaptive polymeric membrane (7) of thickness between 50 mm and 150 mm presenting
  • f c central frequency
  • a piezoelectric sheet (1) comprising an internal face (i) and an external face (e)
  • a second conductive sheet (2i) with a thickness between 20 nm and 100 nm, located on the internal face (i) of the piezoelectric sheet (1) and covering said sheet (1) completely;
  • the plates (4), (5) and (6) form a set that presents resonance conditions of quarter wave at the central frequency of the transducer (f c ) which in this case is a frequency greater than or equal to 1 MHz , between 1 MHz and 4 MHz.
  • f c central frequency of the transducer
  • the laminar or laminated structure of the present invention can have any section: circular, rectangular, square, etc.
  • resonant adaptive polymeric membrane is understood as that sheet with a porosity greater than 70% and with interconnected pores that presents an acoustic impedance of between 0.1 MRayl and 0.5 MRay and resonance conditions of a quarter waveform at a central frequency greater than or equal to 1 MHz, between 1 MHz and 4 MHz.
  • Said sheet is adaptive because, thanks to its open-pore nature, the gas inside the pores is in equilibrium with the external gas and this allows you to modify its acoustic impedance in accordance with the pressure of the external gas.
  • Said sheet is resonant because its thickness is equal to one quarter of the wavelength of ultrasound at the working frequency of the transducer (f c ).
  • pressure sensitive adhesive sheet is understood as that adhesive tape configured for the permanent bonding of two solid surfaces that does not present any physical support.
  • pressure sensitive is meant in the present invention that its adhesive is activated under pressure.
  • syntactic foam is understood as that foam that is composed of a polymeric matrix to which hollow microspheres of glass or other material with similar characteristics are added, preferably of size ⁇ 20 mm, randomly distributed. For example, these syntactic foams are used in flotation systems for deep-sea submarines, for depths from 700 m to 10,000 m.
  • anechoic conical finish is understood as that cone-shaped finish that presents an internal anechoic structure designed to completely disperse the reflections produced by acoustic waves on any of the surfaces that comprise it.
  • the resonant adaptive polymeric membrane (7) is selected from polypropylene, cellulose nitrate, cellulose ester, polyethersulfone and nylon.
  • the pressure sensitive adhesive sheet (6) is selected from an acrylic sheet or a polyurethane sheet.
  • the syntactic foam sheet (5) is composed of an epoxy resin with hollow spheres with a diameter of between 1 mm and 20 mm.
  • the hollow spheres are preferably glass or polyolefin.
  • the polymeric sheet (4) is preferably an epoxy resin.
  • the conductive sheets (2e) and (2i) are independently composed of a conductive material selected from Au, Ag, Cu, Sn and any of their combinations.
  • composition of the piezoelectric sheet (1) is selected from a ceramic type PZT of lead zirconate titanate PbZrO3-PbTiO3, a composite material of piezoelectric ceramic and resin with type connectivity 1-3 and with a volumetric concentration of ceramic between 25% and 80%, and a piezoelectric single crystal type (PMN-PT).
  • a ceramic type PZT of lead zirconate titanate PbZrO3-PbTiO3 a composite material of piezoelectric ceramic and resin with type connectivity 1-3 and with a volumetric concentration of ceramic between 25% and 80%
  • PMN-PT piezoelectric single crystal type
  • Another aspect of the invention refers to the process for obtaining the structure of the present invention (hereinafter “the process of the invention”) characterized in that it comprises the following steps:
  • the method of the present invention can be verified by measuring the electrical impedance at the terminals (plates (2i) and (2e)) in each stage thereof.
  • the step (e) of metallizing the first face of the piezoelectric sheet (1) to form the conductive sheet (2e) that completely covers the piezoelectric and the edge of the cap is carried out performed by techniques selected from sputtering, vacuum plating, evaporation plating, screen printing plating, dip deposition and spin coating.
  • the deposition of step (f) is carried out by deposition techniques selected from among dip deposition, spin coating, and screen printing.
  • step (g) regarding the gluing of the syntactic foam sheet (5) to the polymer sheet (4) is carried out using an adhesive that has the same chemical composition as polymeric sheet (4).
  • Another aspect of the present invention refers to the use of the structure of the present invention as part of a piezoelectric ultrasonic transducer to detect echoes generated by a solid body in the presence of a pressurized gas at a pressure of 14 bar and 103 bar (from between 200 psi and 1500 psi), for example to detect echoes from natural gas pipelines.
  • the laminar or laminated structure of the present invention can have any section: circular, rectangular, square, etc.
  • the section of said structure will be selected according to the final section that is desired for the transducer;
  • the shape of the metal receptacle (8) of step (b) of the method of the present invention will determine the final section of the transducer. For example, if it is intended to obtain a circular section transducer, then the metal receptacle (8) used in stage (b) of the procedure for obtaining the structure of the present invention will be cylindrical.
  • piezoelectric ultrasonic transducer is understood as that ultrasound generator and receiver based on the use of a piezoelectric material.
  • the piezoelectric ultrasonic transducer works in an echo pulse mode, that is, between the transducer and the solid to be inspected through a pressurized gas, at a pressure between 14 bar and 103 bar (between 200 psi and 1500 psi).
  • the last aspect of the present invention refers to a piezoelectric ultrasonic transducer for detecting echoes generated by a solid body in the presence of a pressurized gas at a pressure between 14 bar and 103 bar (between 200 psi and 1500 psi), characterized by that understands
  • resonant adaptive polymeric membrane (7) is configured to act as a quarter wave resonant layer at the center frequency of the transducer
  • first conductive sheet (2e) and the second conductive sheet (2i) are configured to act as an electrode and enable the application / measurement of electric field in piezoelectric sheet (1), or where the block (3) is configured to damp the vibration of the piezoelectric foil (1) and avoid any background echo,
  • a metal receptacle (8) comprising a coaxial connector (9) with ground connection and an internal connector (10) of a rear cover (12) of the metal receptacle (8) and which is configured to house the laminated structure and provide electromagnetic shielding.
  • a coaxial connector (9) that joins the internal connector (10) of the rear cover (12) of the metal receptacle (8) with the second conductive sheet (2 i) that is configured to apply a voltage to the piezoelectric element through the plug or to measure the voltage generated in the piezoelectric element; and • a protective crown (12) configured to protect the resonant adaptive polymeric membrane (7) and the lateral edge of the resonant adaptive polymeric membrane (7), the set formed by (4), (5) and (6), the block (3), the first conductive sheet (2e) and the second conductive sheet (2i).
  • FIG. 1 Schematic representation of the piezoelectric ultrasonic transducer
  • FIG. 2 Cap, back cover and front crown. Dimensions.
  • FIG. 3 Modulus of the electrical impedance (ohm) of the piezoelectric composite disc [(1), (2 i), (2e)] versus the frequency (MHz) measured in the vicinity of the frequency of resonance (1 MHz). Dashed line: experimental measurement, dotted line: theoretical calculation.
  • FIG. 4 Side view of the piezoelectric disc after soldering (1) the wire (2) to the metallized surface of the piezoelectric (3)
  • FIG. 5 Side view of the fixation of the piezoelectric disk to a polyurethane sheet (2) using a double-sided adhesive (1).
  • FIG. 6 Side view of the piezoelectric disc and the cylindrical bushing (1) ready to be fixed concentrically.
  • FIG. 7 Side view of the piezoelectric disc fixed to the bushing using epoxy resin
  • FIG. 8 Side view of the piezoelectric disc attached to the bushing already released from the manufacturing support.
  • FIG. 9 Side view of the piezoelectric disc fixed to the socket and with the external face completely metallized (1).
  • FIG. 10 Electrical impedance of the free piezoelectric disc (dashed line) and of the disc attached to the sleeve (solid line).
  • FIG. 11 Side view of the deposition of the resin layer (1) on the metallized surface.
  • FIG. 12 Side view of the transducer with the ground and polished resin sheet (1).
  • FIG. 13 Electrical impedance of the transducer before (dashed line) and after (solid line) depositing and sanding the resin layer.
  • FIG. 14 Side view of the transducer with the layers of epoxy adhesive (1) and syntactic foam (2) deposited.
  • FIG. 15 Electrical impedance of the transducer before (dashed line) and after (solid line) depositing the syntactic foam layer.
  • FIG. 16 Side view of the transducer with the layers of adhesive tape (2) and membrane (1).
  • FIG. 17 Electrical impedance of the transducer before (dashed line) and after (solid line) placing the membrane.
  • FIG. 18 Side view of transducer with front crown (1).
  • FIG. 19 Side view of the transducer with the mold (1) for the completion of the counter mass
  • FIG. 20 Side view of the transducer with the counter mass (1) completed.
  • FIG. 21 Electrical impedance of the transducer before (dashed line) and after (solid line) placing the counter mass.
  • FIG. 22 Side view of the transducer with the free end of the cable soldered to the internal pin (3) of the coaxial connector (2) housed in the rear cover (1).
  • FIG. 23 Side view of the transducer closed from the back.
  • FIG. 24 Spectrum of the transmission coefficient (magnitude and phase) of the membrane used for the outer layer of the transducer. Solid line: theoretical calculation of the magnitude, dashed line: theoretical calculation of the phase, points: measurements.
  • FIG. 25 Impulse response (a) and sensitivity band (b) of the 1 MHz transducer in air under normal conditions.
  • FIG. 26 Impulse response (a) and sensitivity band (b) of the 1 MHz transducer in air with an overpressure of 5 bar.
  • the resin is the matrix and the ceramic comes in the form of a stack of abutments.
  • This type of compound is known as 1-3, 1 because the ceramic is connected only in 1 direction, which are the pillars, and 3 because the resin is connected in the three directions of space, which is a matrix.
  • Dice and fill refers to the standard manufacturing method of this material: a ceramic disc is taken, a series of regularly spaced cuts are produced in two orthogonal directions that form the pillars, and the gaps are then filled with resin.
  • Conductive metallic bushing (cylinder with internal diameter 11 mm and wall thickness 1 mm). 25 mm in length.
  • Piezoelectric composite disc [(1), (2i), (2e)], 1-3 connectivity, PZT5A ceramic and 50% epoxy resin. Manufactured by the dice and fill technique. Polarized in the thickness direction and metallized on both flat faces (100 nm thick CuSn coating). 9.83mm diameter disc, 1.54mm thickness. Resonance frequency: 1 MHz.
  • Epoxy resin density 1150 kg / m 3 , ultrasound speed 2450 m / s
  • Syntactic foam [(5)] epoxy resin loaded with hollow spheres, diameter ⁇ 20 mm (acoustic impedance of 0.7 MRayl and ultrasound velocity of 2100 m / s).
  • Double-sided pressure-sensitive adhesive tape [(6)]. Without support, thickness: 60 microns, Acoustic impedance 0.6 MRayl.
  • Material Polypropylene; Impedance: 0.095 MRayl (+ 10%); Porosity: 70%, Porosity type: open (interconnected). Thickness: 90 mGh Diameter: 14 mm.
  • Rubber powder (particle size ⁇ 120 microns).
  • Tungsten powder (particle size: 12 microns).
  • Plastic sheet 200 um, polycarbonate
  • the integrity and suitability of the piezoelectric disk is checked by measuring its electrical impedance in an impedance analyzer or network analyzer in the vicinity of the thickness mode resonance frequency provided by the manufacturer, in this case 1 MHz.
  • the metallized faces are connected to the output terminals of the impedance analyzer.
  • the electrical resonance is verified to be at 1 MHz (tolerance 5%). This will be the center frequency of the transducer to be manufactured.
  • the integrity of the piezoelectric resonance is also verified, comparing the measured impedance curve with that provided by the manufacturer. Likewise, the almost negligible influence of radial modes of vibration is verified (lower frequency resonances and their harmonics that can overlap with the thickness mode resonance located at 1 MHz).
  • Figure 3 shows the Modulus of the electrical impedance (ohm) of the piezoelectric composite disc [(1), (2i), (2e)] versus the frequency (MHz) measured in the vicinity of the resonance frequency (1 MHz ).
  • the curve with the dashed line is the experimental measurement and the dotted curve is the one calculated theoretically (model 1 D).
  • the small oscillations at low frequency are the radial modes in the disc that are practically negligible compared to the thickness mode that appears at 1 MHz.
  • a demolition agent is applied to the other face of the piezoelectric disc.
  • the metal sleeve is glued to the plastic film concentrically to the piezoelectric disk, ensuring the tightness of the cavity formed by the sleeve, piezoelectric disk and polycarbonate sheet. See figure 6.
  • Side view of the piezoelectric disc and the cap ready to be fixed.
  • the edge between the bushing and the piezoelectric disc (width of 1 mm in the present example) is filled with epoxy resin filled with tungsten powder and rubber powder, manufactured following the procedure explained in (3). See figure 7.
  • the resin deposited between the cap and the piezoelectric disk is allowed to cure.
  • the piezoelectric disc is fixed to the bushing by means of a ring of resin loaded with 1 mm thick particles (in this case). See figure 8. Side view of the piezoelectric disk fixed to the bushing already released from the manufacturing support.
  • piezoelectric disc + resin ring + edge of the cap Any available technique can be used, either sputttering, evaporation or screen printing. See figure 9. Side view of the piezoelectric disc fixed to the socket and with the external face completely metallized.
  • the thickness of the previous sheet is lowered, either by means of a numerical control lathe or by using a polishing machine to a thickness of 330 mm, guaranteeing the parallelism of both sides of the sheet.
  • a disc is cut with the same diameter as the external diameter of the transducer sleeve (13.3 mm in this case). This operation can be done using a punch.
  • the syntactic foam sheet is glued to the surface of the transducer using the same epoxy resin that was deposited on the surface of the piezoelectric.
  • the added thickness of epoxy resin to achieve this bond must be 100 mm.
  • the amount of resin added is controlled by weighing on a weighing scale. precision. See figure 14. Side view of the transducer with the layers of epoxy resin and syntactic foam deposited.
  • a sheet of pressure sensitive double sided adhesive tape (thickness 60 mhh) is placed on the outer surface of the syntactic foam layer.
  • the adaptive and resonant polymeric membrane is placed on this sheet of adhesive tape. See figure 16.
  • both the front and side faces are protected by placing the front protection ring, which can simply be fitted or fitted and glued on the cap. See figure 18. Side view of the transducer with frontal crown.
  • the transducer is placed in a vertical position, resting on the front crown.
  • the cavity formed by the bushing and The surface of the piezoelectric disc is filled with the mixture of epoxy resin, tungsten and rubber powder before the mixture begins to cure, up to a height of 2/3 of the total height of the ferrule, ensuring that the free end of the wire welded to the piezoelectric disc is free. Allow the mixture to cure. See figure 19. Side view of the transducer with the counter mass deposited.
  • a disk is cut from the low-density polyurethane foam (100-300 kg / m 3 ), with a diameter equal to the internal diameter of the metal bushing and a thickness equal to the radius.
  • a conical surface with a generatrix at 45 degrees from the axis is carved on one of the faces of this disc.
  • a small hole ( ⁇ 1mm diameter) is made at the vertex.
  • the mold thus manufactured is placed on the counter mass deposited in the bushing by passing the free end of the cable welded to the piezoelectric disk through the hole made at the apex of the conical surface. See figure 20. Side view of the transducer with the mold for the completion of the counter mass.
  • the conical space between the mold and the counter mass is filled with the same mixture of resin, tungsten and rubber powder with which the counter mass was made. It is allowed to heal. See figure 20. Side view of the transducer with the counter mass completed.
  • the panel SMB coaxial connector is attached to the rear cover.
  • the connector ground connects to the back cover.
  • the free end of the cable is soldered to the internal pin of the coaxial connector (SMB). See figure 22. Side view of the transducer with the free end of the cable soldered to the internal pin of the coaxial connector housed in the rear cover.
  • the back cover is attached to the socket ensuring electrical connectivity between the back cover and the socket body and between the internal pin of the connector and the transducer cable. See fig. 23. Side view of the transducer closed from the rear. (7) Manufacture of the material to make the backing of the transducer and of the material to fix the piezoelectric disc to the socket. Both materials are identical.
  • the material consists of epoxy resin, tungsten powder (12 microns) and rubber powder ( ⁇ 120 microns). Weight proportion: Resin: 22%, Tungsten powder: 72%, Rubber powder: 6%
  • Additives are added to component A of the resin.
  • the three components are mixed well.
  • the resin hardener (part B) is added.
  • the mixture is placed in a vacuum to remove trapped gas.
  • the mixture is deposited in its final location.
  • the mixture is again degassed in a vacuum hood.
  • the resin is cured following the manufacturer's instructions.
  • the spectrum of the transmission coefficient of the selected membrane (magnitude and phase) and the theoretical setting that allows to determine the impedance are shown in figure 24.
  • the resonance frequency l / 2 is at 1.95 MHz, so the Resonance 1/4 will be 0.98 MHz, and the impedance value is 0.088 MRayl.
  • Figure 24 shows the spectrum of the transmission coefficient (magnitude and phase) of the membrane used for the outer layer of the transducer. Blue line: theoretical calculation, green points: measurement.
  • an Olympus receiver transmitter (5072) is used from the manufactured transducer, a 90 V amplitude excitation pulse and the received signal is leads directly to the oscilloscope, without any extra amplification.
  • the reflector was a block of steel located at 7 mm.
  • Figure 25 shows the impulse response and the sensitivity band of the pulse-echo mode transducer obtained at ambient pressure.
  • Figure 26 shows the impulse response and pulse-echo mode transducer sensitivity band obtained with an overpressure of 5 bar (73 psi) of air.

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Abstract

La presente invención se refiere a una estructura laminar, a su procedimiento de obtención y a su uso como parte de un transductor ultrasónico piezoeléctrico para operar en modo pulso-eco en banda ancha y con alta sensibilidad y resolución axial en presencia de un gas presurizado a una presión de entre 14 bar y 103 bar. Además la presente invención se refiere al transductor que comprende dicha estructura laminar o estratificada. Por tanto, la presente invención se puede encuadrar en el área de los materiales con aplicaciones como sensores en sistemas ultrasónicos..

Description

ESTRUCTURA LAMINAR COMO PARTE DE UN TRANSDUCTOR ULTRASÓNICO
PIEZOELÉCTRICO
DESCRIPCIÓN La presente invención se refiere a una estructura laminar, a su procedimiento de obtención y a su uso como parte de un transductor ultrasónico piezoeléctrico para operar en modo pulso-eco en banda ancha y con alta sensibilidad y resolución axial en presencia de un gas presurizado a una presión de entre 14 bar y 103 bar. Además la presente invención se refiere al transductor que comprende dicha estructura laminar o estratificada.
Por tanto, la presente invención se puede encuadrar en el área de los materiales con aplicaciones como sensores en sistemas ultrasónicos.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
La técnica ultrasónica denominada de pulso-eco para la detección de discontinuidades internas en sólidos o de la superficie trasera del mismo, es bien conocida y presenta numerosas aplicaciones industriales. Esta técnica siempre emplea acoplantes líquidos (agua o gel) o incluso sólidos blandos (acoplamiento en seco) entre el emisor/receptor de ultrasonidos (transductor) y el sólido a inspeccionar (pieza) y no resulta especialmente compleja ya que, este tipo de acoplamiento transductor/pieza es una manera efectiva de asegurar la eficiente transmisión del ultrasonido desde el transductor al sólido bajo inspección. Esto posibilita bien la detección de discontinuidades internas (detección de grietas, cavidades o inclusiones) en el sólido o bien la superficie opuesta (medida de espesor).
Cuando los transductores ultrasónicos operan mediante acoplamiento por aire o por gases, la detección de ecos procedentes de las interfaces del gas/aire con un sólido, de las discontinuidades internas de dicho sólido, o de la superficie trasera resulta mucho más compleja puesto que existe un fuerte desacoplo de impedancia acústica en las interfaces transductor-gas y gas-sólido. Esto hace que:
i) la sensibilidad del transductor sea muy pobre,
i i) la banda del transductor sea limitada iii) la amplitud de señal reflejada en la primera interfaz del sólido sea muy alta, mientras que la de los ecos internos (o de la cara trasera) sea muy débil.
Además, i) y ¡i) dan lugar a que los transductores empleados para acoplamiento mediante gases tengan una señal de respuesta muy larga en el tiempo, lo cual produce una zona muerta también muy larga que imposibilita discernir la presencia de ecos próximos en el tiempo, es decir, la resolución axial es muy pobre.
Para presiones muy elevadas de gas los problemas anteriores se pueden llegar a reducir de tal forma que se hace posible resolver el problema empleando transductores convencionales para inmersión en agua. Esto es debido a que en este caso de presiones muy elevadas el aumento de densidad del gas contribuye a que, la impedancia acústica del gas aumente en la misma proporción. Para una presión suficientemente elevada, la desadaptación de impedancias entre transductor y gas y entre sólido y gas puede llegar a disminuir tanto que pueda ser posible emplear un transductor diseñado para funcionar mediante acoplamiento líquido. Aunque el resultado no sea óptimo, si la presión es suficientemente elevada y la impedancia del gas aumenta lo necesario, es posible obtener un rendimiento, al menos, aceptable. En la práctica se ha visto que es posible aplicar esta aproximación para presiones mayores que 69-103 bar (1000-1500 psi (US005587534A). Lamentablemente, estas presiones son demasiado elevadas para la mayoría de las aplicaciones que se presentan en la industria por lo que esta aproximación resulta inútil.
Efectivamente, las presiones empleadas en el transporte y distribución de gas se encuentran en el rango 14-103 bar (200-1500 psi), por lo que esta aproximación al problema basada en el uso de transductores convencionales para inmersión en agua no es útil ya que a estas presiones los transductores diseñados para acoplamiento mediante líquidos no ofrecen prestaciones aceptables. A medida que la presión en el gas decrece (por debajo de 103 bar), la atenuación del ultrasonido aumenta y la impedancia disminuye, lo que reduce la sensibilidad de los transductores de inmersión y produce un empeoramiento de la relación señal ruido; además, alarga la señal de respuesta, lo que produce una pérdida de resolución axial.
Por otro lado, los transductores existentes para acoplamiento mediante aire tampoco resulta útiles para esta aplicación pues están diseñados para operar a presiones reducidas y porque se diseñan para trabajar en modo transmisión y no en pulso-eco, presentando una pobre resolución axial que no es aceptable en estas aplicaciones.
Por tanto, es necesario desarrollar nuevos transductores resistentes a altas presiones (>14 bar), con alta sensibilidad (>-35 dB) y buena resolución axial (< 5 ms) para detectar ecos generados por un cuerpo sólido (y sus discontinuidades internas) en presencia de un gas presurizado y empleando dicho gas como medio de acoplamiento.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a una estructura laminar o estratificada y a su procedimiento de obtención y al uso de dicha estructura laminar o estratificada como parte de un transductor ultrasónico piezoeléctrico y al transductor que comprende dicha estructura laminar o estratificada.
El transductor ultrasónico piezoeléctrico al que se refiere la presente invención opera en modo pulso-eco en banda ancha, con alta sensibilidad (>-35 dB) y con alta resolución axial (< 5 ms) en presencia de un gas presurizado a una presión de entre 14 bar y 103 bar (200-1500 psi), es decir, opera generando señales ultrasónicas y detectando los ecos generados por un cuerpo sólido en presencia de un gas presurizado a una presión de entre 14 bar y 103 bar (200-1500 psi).
Dicho transductor ultrasónico piezoeléctrico presenta una alta sensibilidad > -30 dB y un ancho de banda > 90 % y puede servir para realizar las siguientes medidas en depósitos y tuberías que contienen o transportan gases a presiones de entre 14 bar y 103 bar (de entre 200 psi y 1500 psi).
- Perfilometría de la superficie interna
- Medida del espesor de la pared.
- Detección de corrosión por reducción de espesor.
- Detección de grietas u otros defectos.
En un primer aspecto, la presente invención se refiere a una estructura laminar o estratificada (a partir de aquí la estructura de la presente invención”) caracterizada por que comprende • una membrana polimérica adaptativa resonante (7) de espesor de entre 50 mm y 150 mm que presenta
o unas condiciones de resonancia de cuarto de onda a una frecuencia central (fc) mayor o igual de 1 MHz, de entre 1 MHz y 4 MHz, o una impedancia acústica de entre 0,1 MRayl y 0,5 MRayl,
o una porosidad mayor del 70 % y
o unos poros interconectados;
• una lámina adhesiva sensible a la presión (6), de espesor menor de 60 mm, o situada sobre la lámina resonante (7) y cubriendo dicha lámina (7) completamente;
o que presenta una impedancia acústica de entre 0,5 MRayl y 1 ,5 MRayl;
• una lámina de espuma sintáctica (5), de espesor de entre 100 mm y 500 mm o situada sobre la lámina (6) y cubriendo dicha lámina (6) completamente, o que presenta una impedancia acústica de entre 0,5 MRayl y 2 MRayl;
• una lámina polimérica (4) de espesor de entre 100 mm y 500 mm
o situada sobre la lámina (5) y cubriendo dicha lámina (5) completamente, o que presenta una impedancia acústica de entre 1,5 MRayl y 3,5 MRayl;
• una primera lámina conductora (2e), de espesor de entre 20 nm y 100 nm, situada sobre la lámina (4) y cubriendo dicha lámina (4) completamente;
• una lámina piezoeléctrica (1) que comprende una cara interna (i) y una cara externa (e)
o de espesor de entre 0,5 mm y 2 mm,
o que está situada sobre la lámina conductora (2e), donde la cara externa (e) está en contando directo con la lámina conductora (2e), y o que está cubriendo dicha lámina conductora (2e) parcialmente;
• una segunda lámina conductora (2i), de espesor de entre 20 nm y 100 nm, situada sobre la cara interna (i) de la lámina piezoeléctrica (1) y cubriendo dicha lámina (1) completamente;
• un bloque (3), con acabado cónico anecoico,
o de espesor de entre 15 mm y 30 mm,
o situado sobre la lámina conductora (2i) y extendiéndose alrededor de las láminas (2 i) y (1) hasta contactar con la lámina conductora (2e), o que presenta una impedancia acústica de entre 5 MRayl y 10 MRayl, o y que está compuesto por una resina epoxi que comprende partículas de diámetro de entre 1 mm y 50 mm seleccionadas de entre tungsteno, zirconia, alúmina y cualquiera de sus combinaciones;
donde (1), (2i), (2e), (3), (4), (5), (6) y (7) resisten presiones hidrostáticas de hasta 3800 psi (262 bar),
donde la lámina piezoeléctrica está polarizada a lo largo de su espesor, y
donde las láminas (4), (5) y (6) forman un conjunto que presenta unas condiciones de resonancia de cuarto de onda a la frecuencia central del transductor ( fc ) que en este caso es una frecuencia mayor o igual de 1 MHz, de entre 1 MHz y 4 MHz. Cumpliéndose dicha condición cuando se verifica que:
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donde vi y ti son la velocidad de los ultrasonidos y el espesor en la capa i, siendo i = 3, 4, 5. El espesor de la lámina piezoeléctrica (1) se determina a partir de la frecuencia de resonancia del transductor, fijándose de tal forma que la frecuencia de la resonancia eléctrica de la lámina (1) sea igual a fc.
La estructura laminar o estratificada de la presente invención puede tener cualquier sección: circular, rectangular, cuadrada, etc.
En la presente invención se entiende por“membrana polimérica adaptativa resonante” como aquella lámina de porosidad mayor del 70 % y con poros ¡nterconectados que presenta una impedancia acústica de entre 0,1 MRayl y 0,5 MRay y unas condiciones de resonancia de cuarto de onda a una frecuencia central mayor o igual de 1 MHz, de entre 1 MHz y 4 MHz. Dicha lámina es adaptativa porque, gracias a su naturaleza de poro abierto, el gas dentro de los poros está en equilibrio con el gas externo y esto le permite modificar su impedancia acústica en concordancia con la presión del gas externo. Dicha lámina es resonante porque su espesor es igual a un cuarto de la longitud de onda del ultrasonido a la frecuencia de trabajo del transductor ( fc ). Al variar la presión del gas externo, también varía la densidad del mismo y debido a esta naturaleza de poro abierto, la densidad efectiva de la lámina se también se modifica y lo hace en el mismo sentido. Un cambio de densidad en el gas implica un cambio proporcional de impedancia del mismo, de tal forma que, para mantener un acoplamiento óptimo del transductor, también sería necesario modificar la impedancia del material en la cara externa, lo cual no es posible. Este problema se aborda mediante el empleo de esta lámina de poro abierto cuya impedancia varía de la forma necesaria al variar la presión del gas externo. Por este motivo se califica de adaptativa.
En la presente invención se entiende por“lámina adhesiva sensible a la presión”, como aquella cinta adhesiva configurada para la unión permanente de dos superficies sólidas que no presenta ningún soporte físico. Por el término“sensible a la presión” se entiende en la presente invención a aquella que su adhesivo se activa bajo presión. En la presente invención se entiende por“espuma sintáctica” como aquella espuma que está compuesta por una matriz polimérica a la que se añaden microesferas huecas de vidrio u otro material de similares características, preferiblemente de tamaño < 20 mm, distribuidas de forma aleatoria. Por ejemplo dichas espumas sintácticas se utilizan en sistemas de flotación para submarinos de aguas profundas, para profundidades de 700 m a 10.000 m.
En la presente invención se entiende por“acabado cónico anecoico” como aquella terminación en forma de cono que presenta una estructura interna anecoica diseñada para dispersar en su totalidad las reflexiones producidas por ondas acústicas en cualquiera de las superficies que la conforman.
En una realización preferida de la estructura de la presente invención, la membrana polimérica adaptativa resonante (7) se selecciona de entre polipropileno, nitrato de celulosa, ester de celulosa, polietersulfona y nilón.
En otra realización preferida de la estructura de la presente invención, la lámina adhesiva sensible a la presión (6) se selecciona de entre una lámina de acrílico o una lámina de poliuretano.
En otra realización preferida de la estructura de la presente invención, la lámina de espuma sintáctica (5) está compuesta por una resina epoxi con esferas huecas de diámetro de entre 1 mm y 20 mm. Las esferas huecas son preferiblemente de vidrio o poliolefina. La lámina polimérica (4) es una resina epoxi preferiblemente. En otra realización preferida de la estructura de la presente invención, las láminas conductoras (2e) y (2i) están compuestas independientemente por un material conductor seleccionado de entre Au, Ag, Cu, Sn y cualquiera de sus combinaciones. En otra realización preferida de la estructura de la presente invención, donde la composición de la lámina piezoeléctrica (1) se seleccionada de entre una cerámica tipo PZT de titanato zirconato de plomo PbZrO3-PbTiO3, un material compuesto de cerámica piezoeléctrica y resina con conectividad tipo 1-3 y con una concentración volumétrica de cerámica de entre el 25% y el 80%, y un monocristal piezoelectrico tipo
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(PMN-PT).
Otro aspecto de la invención se refiere al procedimiento de obtención de la estructura de la presente invención (a partir de aquí “el procedimiento de la invención”) caracterizado por que comprende las siguientes etapas:
(a) unir la lámina piezoeléctrica (1) cubierta por con las láminas conductoras (2i) y (2e) a una lámina de sacrificio, preferiblemente de pol ¡carbonato, mediante cinta adhesiva (6) por una primera cara,
(b) unir un receptáculo metálico (8), a la lámina de sacrificio con la ayuda de cinta adhesiva (6),
(c) rellenar el espacio formado entre la lámina piezoeléctrica (1) y el receptáculo metálico con resina (3) y curar dicha resina (3),
(d) retirar lámina de sacrificio,
(e) metalizar la primera cara de la lámina piezoeléctrica (1) para que la lámina conductora (2e) cubra completamente el piezoeléctrico y el borde del casquillo,
(f) depositar la lámina polimérica (4) sobre la lámina conductora (2e) curar y pulir,
(g) pegar la lámina de espuma sintáctica (5) a la lámina polimérica (4) preferiblemente el adhesivo tiene la misma composición que la lámina polimérica (4),
(h) adherir la lámina adhesiva sensible a la presión (6) sobre la lámina de espuma sintáctica (5),
(i) pegar la membrana polimérica adaptativa resonante (7) a la lámina adhesiva sensible a la presión (6),
G) fijar el conjunto de láminas (1), (2e), (2i), (3), (4), (5), (6) y (7) por ejemplo con una corona protectora (11) y voltear, y (k) rellenar el espacio interior del receptáculo metálico con la ayuda de un molde cónico para formar una bloque (3) con forma cónica.
El procedimiento de la presente invención se puede verificar mediante la medida de la impedancia eléctrica en los bornes (láminas (2i) y (2e)) en cada etapa del mismo.
En una realización preferida del procedimiento de la presente invención, la etapa (e) de metalizar la primera cara de la lámina piezoeléctrica (1) para formar la lámina conductora (2e) que cubra completamente el piezoeléctrico y el borde del casquillo, se lleva a cabo mediante técnicas seleccionadas de entre pulverización catódica, metalizado a vacío, metalizado por evaporización, metalizado por serigrafía, deposición por inmersión y recubrimiento por rotación.
En otra realización preferida del procedimiento de la presente invención, la deposición de la etapa (f) se lleva a cabo mediante técnicas de deposición seleccionadas de entre deposición por inmersión, recubrimiento por rotación, y serigrafía.
En otra realización preferida del procedimiento de la presente invención, la etapa (g) referente al pegado de la lámina de espuma sintáctica (5) a la lámina polimérica (4) se lleva a cabo utilizando un adhesivo que tiene la misma composición química que la lámina polimérica (4).
Otro aspecto de la presente invención se refiere al uso de la estructura de la presente invención como parte de un transductor ultrasónico piezoeléctrico para detectar ecos generados por un cuerpo sólido en presencia de un gas presurizado a una presión de 14 bar y 103 bar (de entre 200 psi y 1500 psi), por ejemplo para detectar ecos de tuberías de gas natural.
Anteriormente se ha mencionado que la estructura laminar o estratificada de la presente invención puede tener cualquier sección: circular, rectangular, cuadrada, etc. La sección de dicha estructura se seleccionará en función de la sección final que se desee para el transductor; la forma del receptáculo metálico (8) de la etapa (b) del procedimiento de la presente invención determinará la sección final del transductor. Por ejemplo, si se pretende obtener un transductor de sección circular, entonces el receptáculo metálico (8) utilizado en la etapa (b) del procedimiento de obtención de la estructura de la presente invención será cilindrico.
En la presente invención se entiende por“transductor ultrasónico piezoeléctrico” como aquel generador y receptor de ultrasonidos basado en el uso de un material piezoeléctrico.
En la presente invención el transductor ultrasónico piezoeléctrico trabaja en modo pulso eco, es decir, entre el transductor y el sólido a inspeccionar media un gas presurizado, a una presión de entre 14 bar y 103 bar (de entre 200 psi y 1500 psi).
El último aspecto de la presente invención se refiere a un transductor ultrasónico piezoeléctrico para detectar ecos generados por un cuerpo sólido en presencia de un gas presurizado a una presión de entre 14 bar y 103 bar (de entre 200 psi y 1500 psi), caracterizado por que comprende
• la estructura de la presente invención mencionada anteriormente,
o donde la membrana polimérica adaptativa resonante (7) está configurada para actuar como una capa resonante cuarto de onda a la frecuencia central del transductor,
o donde el conjunto formado por (4), (5) y (6) está configurado para que actúe conjuntamente como una única capa resonante a la frecuencia central del transductor y reduzca gradualmente la impedancia acústica de la estructura,
o donde la primera lámina conductora (2e) y la segunda lámina conductora (2i) están configuradas para actuar como electrodo y posibilitar la aplicación/medida de campo eléctrico en lámina piezoeléctrica (1), o donde el bloque (3) está configurado para amortiguar la vibración de la lámina piezoeléctrica (1) y evitar cualquier eco de fondo,
• un receptáculo metálico (8) que comprende un conector coaxial (9) con conexión a tierra y un conector interno (10) de una tapa trasera (12) del receptáculo metálico (8) y que está configurado para alojar la estructura laminada y proporcionar blindaje electromagnético.
o donde (2e), (3), (4), (5), (6) y (7) están en contacto con las paredes internas del receptáculo (8);
• un conector coaxial (9) que une el conector interno (10) de la tapa trasera (12) del receptáculo metálico (8) con la segunda lámina conductora (2 i) que está configurado para aplicar un voltaje al elemento piezoeléctrico a través del conectar o bien para medir el voltaje generado en el elemento piezoeléctrico; y • una corona protectora (12) configurada para proteger la membrana polimérica adaptativa resonante (7) y el borde lateral de la membrana polimérica adaptativa resonante (7), el conjunto formado por (4), (5) y (6), el bloque (3), la primera lámina conductora (2e) y la segunda lámina conductora (2i).
A lo largo de la descripción y las reivindicaciones la palabra "comprende" y sus variantes no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y características de la invención se desprenderán en parte de la descripción y en parte de la práctica de la invención. Los siguientes ejemplos y figuras se proporcionan a modo de ilustración, y no se pretende que sean limitativos de la presente invención.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
FIG. 1 Representación esquemática del transductor ultrasónico piezoeléctrico
(1) Lámina piezoeléctrica
(2) Lámina conductora:
o primera lámina conductora (2e) y segunda lámina conductora (2i)
(3) Bloque de amortiguación
(4) Lámina polimérica
(5) Lámina de espuma sintáctica
(6) Lámina adhesiva sensible a la presión
(7) Membrana polimérica adaptativa resonante
(8) Receptáculo metálico
(9) Cable o conectar coaxial
(10) Conectar interno del conectar coaxial (9)
(11) Corona protectora
(12) Tapa trasera del receptáculo metálico (8)
FIG. 2 Caequillo, tapa trasera y corona frontal. Dimensiones.
FIG. 3 Módulo de la impedancia eléctrica (ohm) del disco de composite piezoeléctrico [(1), (2 i), (2e)] frente a la frecuencia (MHz) medido en el entorno de la frecuencia de resonancia (1 MHz). Línea discontinua: medida experimental, línea de puntos: cálculo teórico.
FIG. 4 Vista lateral del disco piezoeléctrico tras soldar (1) el cable (2) a la superficie metalizada del piezoeléctrico (3)
FIG. 5 Vista lateral de la fijación del disco piezoeléctrico a una lámina de poliuretano (2) empleando un adhesivo de doble cara (1). FIG. 6 Vista lateral del disco piezoeléctrico y del casquillo cilindrico (1) listos para ser fijados de forma concéntrica..
FIG. 7 Vista lateral del disco piezoeléctrico fijado al casquillo empleando resina epoxi
(1).
FIG. 8 Vista lateral del disco piezoeléctrico fijado al casquillo ya liberado del soporte para fabricación.
FIG. 9 Vista lateral del disco piezoeléctrico fijado al casquillo y con la cara externa completamente metalizada (1).
FIG. 10 Impedancia eléctrica del disco piezoeléctrico libre (linea discontinua) y del disco fijado al casquillo (línea continua).
FIG. 11 Vista lateral de la deposición de la capa de resina (1) sobre la superficie metalizada.
FIG. 12 Vista lateral del transductor con la lámina de resina rectificada y pulida (1). FIG. 13 Impedancia eléctrica del transductor antes (línea discontinua) y después (línea continua) de depositar y lijar la capa de resina.
FIG. 14 Vista lateral del transductor con las capas de adhesivo epoxi (1) y espuma sintáctica (2) depositadas. FIG. 15 Impedancia eléctrica del transductor antes (línea discontinua) y después (línea continua) de depositar la capa de espuma sintáctica.
FIG. 16 Vista lateral del transductor con las capas de cinta adhesiva (2) y membrana (1).
FIG. 17 Impedancia eléctrica del transductor antes (línea discontinua) y después (línea continua) de colocar la membrana. FIG. 18 Vista lateral del transductor con corona frontal (1).
FIG. 19 Vista lateral del transductor con el molde (1) para la terminación de la contramasa FIG. 20 Vista lateral del transductor con la contramasa (1) finalizada.
FIG. 21 Impedancia eléctrica del transductor antes (línea discontinua) y después (línea continua) de colocar la contramasa.
FIG. 22 Vista lateral del transductor con el extremo libre del cable soldado al pin interno (3) del conector coaxial (2) alojado en la tapa trasera (1).
FIG. 23 Vista lateral del transductor cerrado por la parte trasera.
FIG. 24 Espectro del coeficiente de transmisión (magnitud y fase) de la membrana empleada para la capa externa del transductor. Línea continua: cálculo teórico de la magnitud, línea discontinua: cálculo teórico de la fase, puntos: medidas.
FIG. 25 Respuesta impulsiva (a) y banda de sensibilidad (b) del transductor de 1 MHz en aire en condiciones normales.
FIG. 26 Respuesta impulsiva (a) y banda de sensibilidad (b) del transductor de 1 MHz en aire con una sobrepresión de 5 bar. EJEMPLOS
A continuación se ilustrará la invención mediante unos ensayos realizados por los inventores, que pone de manifiesto la efectividad del producto de la invención.
El siguiente ejemplo de realización se refiere a un transductor ultrasónico piezoeléctrico de sección circular. En la siguiente tabla 1 se enuncian y describen los elementos que componen el transductor. Tabla 1: Elementos del transductor con su descripción
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* Es un material compuesto de cerámica piezoeléctrica y resina. La resina es la matriz y la cerámica se presenta en forma de un apilamiento de pilares. A este tipo de compuesto se le conoce como 1-3, 1 porque la cerámica esta conectada sólo en 1 dirección, que son los pilares, y 3 porque la resina está conectada en las tres direcciones del espacio que es una matriz. Dice and fill hace referencia al método de fabricación estándar de este material: se toma un disco cerámico se producen una serie de cortes espaciados regularmente en dos direcciones ortogonales que da lugar a los pilares, y luego se rellenan los huecos con resina.
A continuación se listan los materiales utilizados en la fabricación:
Elementos estructurales [(8), (9), (11)]:
• Casquillo metálico conductor (cilindro de diámetro Interno 11 mm y grosor de pared 1 mm). 25 mm de longitud.
• Tapa trasera, plana, con taladro pasante circular en el centro para conector SMB.
• Corona frontal metálica para protección de la cara radiante.
Casquillo, tapa trasera y corona frontal según Figura 2.
Otros materiales:
Conector coaxial de panel, tipo SMB.
Cable (0,2 mm) [(9)].
Disco de material compuesto piezoeléctrlco [(1), (2i), (2e)], conectlvldad 1-3, cerámica PZT5A y resina epoxl al 50%. Fabricado por la técnica dice and fill. Polarizado en la dirección del espesor y metalizado en ambas caras planas (recubrimiento de CuSn de 100 nm de espesor). Disco de 9,83 mm de diámetro, espesor 1,54 mm. Frecuencia de resonancia: 1 MHz.
Resina epoxl, densidad 1150 kg/m3, velocidad de los ultrasonidos 2450 m/s
[(4)]
Espuma sintáctica [(5)] (resina epoxi cargada con esferas huecas, diámetro < 20 mm (de impedancia acústica de 0,7 MRayl y velocidad de ultrasonidos de 2100 m/s).
Cinta adhesiva de doble cara sensible a la presión [(6)]. Sin soporte, grosor: 60 mieras, Impedancia acústica 0,6 MRayl.
Membrana pollmérica resonante [(7)] a la frecuencia central del transductor (1MHz +10%). Material: Polipropileno; Impedancia: 0,095 MRayl (+10%); Porosidad: 70%, Tipo de porosidad: abierta (interconectada). Espesor: 90 mGh Diámetro: 14 mm.
Materiales para la contramasa [(3)]:
• Resina epoxi, densidad 1150 kg/m3, velocidad de los ultrasonidos 2450 m/s
• Polvo de caucho (tamaño de partícula < 120 mieras).
• Polvo de tungsteno (tamaño de partícula: 12 mieras).
Materiales auxiliares:
• Espuma de poliuretano de baja densidad (100-300 kg/m3) para la fabricación del molde cónico para el acabado de la contramasa [(3)].
• Agente demoldeante.
• Lámina de plástico (200 um, policarbonato).
• Estaño y pasta para soldar.
Procedimiento de fabricación:
(1) Procedimiento para la verificación inicial del disco piezoeléctrico por medida de impedancia eléctrica y para verificaciones sucesivas durante el proceso de fabricación.
Se comprueba la integridad e idoneidad del disco piezoeléctrico mediante la medida de su impedancia eléctrica en un analizador de impedancias o un analizador de redes en el entorno de la frecuencia de resonancia del modo espesor proporcionada por el fabricante, en este caso 1 MHz. Para medir la impedancia eléctrica del disco se conectan las caras metalizadas a los bornes de salida del analizador de impedancias. Se verifica que la resonancia eléctrica se encuentra en 1 MHz (tolerancia 5%). Esta será la frecuencia central del transductor a fabricar. También se verifica la integridad de la resonancia piezoeléctrica, comparando la curva de impedancia medida con la proporcionada por el fabricante. Igualmente, se verifica la influencia casi despreciable de modos radiales de vibración (resonancias de menor frecuencia y sus armónicos que pueden solapar con la resonancia del modo espesor situada en 1 MHz).
La Figura 3 muestra el Módulo de la impedancia eléctrica (ohm) del disco de composite piezoeléctrico [(1), (2i), (2e)] frente a la frecuencia (MHz) medido en el entorno de la frecuencia de resonancia (1 MHz). La curva con línea discontinua es la medida experimental y la curva punteada es la calculada teóricamente (modelo 1 D). Las pequeñas oscilaciones a baja frecuencia son los modos radiales en el disco que son prácticamente despreciables frente al modo espesor que aparece a 1 MHz. Esta misma medida de impedancia eléctrica tomada en bornes del disco piezoeléctrico se repite a cada paso del proceso para verificar la integridad de la respuesta piezoeléctrica y del correcto montaje y dimensionamiento de las capas y elementos colocados a cada paso mediante la comparación de la curva de impedancia medida con la que se calcula sabiendo las propiedades (espesor, impedancia y amortiguamiento) de cada capa depositada.
(2) Fijación del disco piezoeléctrico al caequillo y preparación de conexiones eléctrica.
Se toma un trozo de cable de longitud aproximadamente igual a dos veces la longitud del casquillo (60 mm en este caso) y se pelan ambos extremos en una longitud, aproximada, de 3 mm). Se enrolla en forma de solenoide (con un diámetro aproximado de 1/3 el diámetro interno del casquillo, 4 mm en este caso, y una longitud similar a la del casquillo, 28,2 mm en este caso) y se suelda uno de sus extremos a una de las caras del disco piezoeléctrico empleando estaño y pasta para soldar. El otro extremo del cable queda libre. Ver figura 4. Vista lateral del disco piezoeléctrico tras soldar el cable.
Se aplica un agente demoldeante a la otra cara del disco piezoeléctrico.
Se toma una lámina de plástico (policarbonato 200 um, 30 x 30 mm) y se pega cinta adhesiva de doble cara sobre una superficie de 40 x 40 mm. Esto hará de soporte para la fijación del disco piezoeléctrico al casquillo. Se pega el disco piezoeléctrico a esta lámina por la cara sobre la que se aplicó el demoldeante. Ver figura 5. Vista lateral del disco piezoeléctrico con el cable fijado al soporte para fijación al casquillo.
Se pega el casquillo metálico al film de plástico de forma concéntrica al disco piezoeléctrico, asegurando la estanqueidad de la cavidad formada por casquillo, disco piezoeléctrico y lámina de policarbonato. Ver figura 6. Vista lateral del disco piezoeléctrico y del casquillo, listos para ser fijados. Se rellena el borde entre el casquillo y el disco piezoeléctrico (ancho de 1 mm en el presente ejemplo) con resina epoxl cargada con polvo de tungsteno y polvo de goma, fabricado siguiendo el procedimiento explicado en (3). Ver figura 7. Vista lateral del disco piezoeléctrico fijado al casquillo.
Se deja curar la resina depositada entre el casquillo y el disco piezoeléctrico.
Una vez curada la resina, se retira la lámina de policarbonato pegado al disco piezoeléctrico y al cilindro. Se limpia la superficie externa del disco piezoeléctrico y el borde del casquillo metálico de cualquier residuo de adhesivo restante, preservando la metalización del disco piezoeléctrico. El resultado final en este paso es que el disco piezoeléctrico queda fijado al casquillo mediante un anillo de resina cargada con partículas de 1 mm de grosor (en este caso). Ver figura 8. Vista lateral del disco piezoeléctrico fijado al casquillo ya liberado del soporte para fabricación.
Se metaliza la superficie que se acaba de limpiar: disco piezoeléctrico + anillo de resina + borde del casquillo. Se puede emplear cualquier técnica disponible, bien, pulverización catódica (en inglés sputttering), evaporación o serigrafía (en inglés screen printing). Ver figura 9. Vista lateral del disco piezoeléctrico fijado al casquillo y con la cara externa completamente metalizada.
Finalmente, se verifica la conductividad eléctrica entre la superficie que se acaba de metalizar y el casquillo metálico del transductor y se repite la medida de impedancia eléctrica para verificar que la resonancia piezoeléctrica se mantiene inalterada salvo por la introducción de un ligero amortiguamiento debido a la fijación del disco piezoeléctrico al casquillo. El resultado de la medida de impedancia se muestra en la figura 10 donde se ven las medidas correspondientes al disco piezoeléctrico libre y al disco fijado en el casquillo y se puede verificar el efecto de amortiguamiento introducido al fijar el disco piezoeléctrico al casquillo tanto en el modo espesor como en los modos radiales que desaparecen por completo.
(3) Fabricación del material multicapa para la adaptación óptima de impedancias al gas/aire.
Deposición de una lámina de resina de 300-350 mieras, empleando una técnica de screen printing, deep coating o cualquier técnica similar sobre la superficie externa del disco piezoeléctrico. Para este fin, se mezclan ambos componentes de la resina, se elimina el aire atrapado empleando una campana de vacío y se deposita, mientras está en estado líquido, sobre la superficie metalizada, cubriéndola por completo. No es necesario que la capa depositada quede plana ni planoparalela. La cantidad de resina depositada, equivalente a una capa de 300-350 mieras, se controla mediante pesada en una balanza de precisión. El resultado final se puede ver figura 11 Vista lateral de la deposición de la capa de resina sobre la superficie metalizada. La resina así depositada se deja curar siguiendo las instrucciones del fabricante de la resina.
Una vez curada, se pule su superficie externa empleando una pulidora automática para dejar un acabado plano y normal al eje del casquillo. El grosor final de esta capa debe ser 260 mhh, la rugosidad < 5 mm. El resultado tras esta etapa se puede ver en la figura 12. Vista lateral del transductor con la lámina de resina rectificada y pulida.
En este punto se repite la medida de impedancia eléctrica del transductor para verificar la correcta deposición de la lámina de resina, según se explicó en (1). Para esto, se conecta el extremo libre del cable y el casquillo a los terminales del analizador de impedancias. El resultado se muestra en la figura 13.
De un bloque de espuma sintáctica se corta una lámina de 1 mm de grosor, lado > 25 mm.
El grosor de la lámina anterior se rebaja, bien mediante un torno de control numérico o bien empleando una pulidora hasta un grosor de 330 mm, garantizando el planoparalelismo de ambas caras de la lámina. De esta lámina, se corta un disco con el mismo diámetro que el diámetro externo del casquillo del transductor (13,3 mm en este caso). Dicha operación puede hacerse empleando un sacabocados.
Se pega la lámina de espuma sintáctica a la superficie del transductor empleando la misma resina epoxi que se depositó sobre la superficie del piezoeléctrico. El grosor añadido de resina epoxi para conseguir este pegado debe ser de 100 mm. El control de la cantidad de resina añadida se efectúa mediante pesada en una balanza de precisión. Ver figura 14. Vista lateral del transductor con las capas de resina epoxi y espuma sintáctica depositadas.
Una vez curada la capa anterior y por tanto pegada la lámina de espuma sintáctica, se repite la medida de impedancia eléctrica conectando el extremo libre del cable y el casquillo a los terminales del analizador de impedancias para verificar la correcta colocación de esta lámina según se explicó en (1). El resultado se muestra en la figura 15. Impedancia eléctrica del transductor antes (línea discontinua) y después (línea continua) de depositar la capa de espuma sintáctica.
Una vez verificado, se coloca sobre la superficie externa de la capa de espuma sintáctica una lámina de cinta adhesiva de doble cara sensible a la presión (grosor 60 mhh). Sobre esta lámina de cinta adhesiva se coloca la membrana polimérica adaptativa y resonante. Ver figura 16. Vista lateral del transductor con las capas de cinta adhesiva y membrana. Para asegurar un correcto pegado de la lámina de cinta adhesiva de doble cara tanto a la espuma sintáctica como a la membrana, se somete a una presión en la dirección normal del plano de unión de unos 150 kN/m2. Y a una temperatura de 50 °C durante 30 minutos.
Una vez acabado este ciclo y enfriado el transductor, se repite la medida de impedancia eléctrica conectando el extremo libre del cable y el casquillo a los terminales del analizador de impedancias para verificar la correcta colocación de esta lámina según se explicó en (1). El resultado se muestra en la figura 17. (4) Corona frontal.
Una vez depositada la última capa del apilamiento de capas, se procede a proteger tanto la cara frontal como la lateral colocando el anillo frontal de protección, que puede ir simplemente encajado o encajado y pegado sobre el casquillo. Ver figura 18. Vista lateral del transductor con corona frontal.
(5) Colocación de la contramasa (backing).
Una vez colocada la corona frontal de protección se coloca el transductor en posición vertical, apoyado sobre la corona frontal. La cavidad formada por el casquillo y la superficie del disco piezoeléctrico se rellena con la mezcla de resina epoxi, tungsteno y polvo de goma antes de que la mezcla empiece a curar, hasta una altura de 2/3 de la altura total del casquillo, asegurando que el extremo libre del cable soldado al disco piezoeléctrico quede libre. Se deja curar la mezcla. Ver figura 19. Vista lateral del transductor con la contramasa depositada.
Fabricación del molde para el acabado cónico de la contramasa. Se corta un disco de la espuma de poliuretano de baja densidad (100-300 kg/m3), de diámetro igual al diámetro interno del casquillo metálico y grosor igual al radio. En una de las caras de este disco se talla una superficie cónica con generatriz a 45 grados del eje. En el vértice se practica un pequeño agujero (< 1mm diámetro).
Se coloca el molde así fabricado sobre la contramasa depositada en el casquillo haciendo pasar el extremo libre del cable soldado al disco piezoeléctrico por el agujero practicado en el vértice de la superficie cónica. Ver figura 20. Vista lateral del transductor con el molde para la terminación de la contramasa.
Se rellena el espacio cónico que queda entre el molde y la contramasa con la misma mezcla de resina, tungsteno y polvo de goma con la que se fabricó la contramasa. Se deja curar. Ver figura 20. Vista lateral del transductor con la contramasa finalizada.
Una vez colocada la contramasa, se vuelve a verificar el correcto funcionamiento mediante la medida de la impedancia eléctrica del transductor. El resultado se muestra en la figura 21.
(6) Colocación del conector y tapa trasera.
Se fija el conector coaxial SMB de panel a la tapa trasera. La tierra del conector se conecta a la tapa trasera. Se suelda el extremo libre del cable al pin interno del conector coaxial (SMB). Ver figura 22. Vista lateral del transductor con el extremo libre del cable soldado al pin interno del conector coaxial alojado en la tapa trasera.
Se fija la tapa trasera al casquillo asegurando la conectividad eléctrica entre la tapa trasera y el cuerpo del casquillo y entre el pin interno del conector y el cable del transductor. Ver fig. 23. Vista lateral del transductor cerrado por la parte trasera. (7) Fabricación del material para hacer la contramasa (backing) del transductor y del material para fijar el disco piezoeléctrico al casquillo. Ambos materiales son idénticos.
El material se compone de resina epoxi, polvo de tungsteno (12 mieras) y polvo de goma (<120 mieras). Proporción en peso: Resina: 22%, Polvo de tungsteno: 72%, polvo de caucho: 6%
Se añaden al componente A de la resina los aditivos (polvo de tungsteno y polvo de goma).
Se mezclan bien los tres componentes.
Se añade el endurecedor de la resina (parte B).
Se coloca la mezcla en un vacío para eliminar el gas atrapado.
Se deposita la mezcla en su ubicación final. Se vuelve a desgasear la mezcla en campana de vacío.
Se somete a presión hidrostática para eliminar las burbujas más pequeñas (30 min, 6 bar).
Se cura la resina siguiendo las instrucciones del fabricante.
(8) Verificación de las propiedades de la membrana: frecuencia de resonancia e impedancia.
Para verificar la correcta selección de la membrana se aplica la técnica de caracterización descrita en las siguientes referencias
[1] T. Gómez Álvarez-Arenas,“Air-coupled ultrasonic spectroscopy for the study of membrane filters,” J. Memb. Sci., vol. 213, no. 1-2, pp. 195-207, Mar. 2003.
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[3] T. E. Gómez Álvarez-Arenas. Dispositivo para la caracterizad n de materiales por ultrasonidos con acoplamiento por gases (aire) y su aplicación para llevar a cabo un test no destructivo para verificar la integridad de membranas porosas. Patente ES 2239500B1 , 2003
que consiste en la medida del coeficiente de transmisión de la membrana a los ultrasonidos empleando incidencia normal y aire como medio de acoplamiento en un intervalo de frecuencia donde aparezca la resonancia espesor de la membrana. En estas estas condiciones, dicha resonancia, aparece a la frecuencia en la que la longitud de onda es igual a dos veces el espesor (es decir, resonancia l/2). Esta frecuencia tiene que ser el doble que la frecuencia central del transductor, ya que cuando la membrana se deposite sobre el transductor su resonancia será l/4. Es decir, se necesita una membrana cuya frecuencia de resonancia sea 2,0 MHz, la tolerancia para este criterio es del 5%.
Además, del análisis teórico de la magnitud y fase del coeficiente de transmisión también es posible determinar la impedancia del material [4]
[4] T. E. Gómez Alvarez-Arenas, “Simultaneous determination of the ultrasound velocity and the thickness of solid plates from the analysis of thickness resonances using air-coupled ultrasound.,” Ultrasonics, vol. 50, no. 2, pp. 104-9, Feb. 2010.
El espectro del coeficiente de transmisión de la membrana seleccionada (magnitud y fase) y el ajuste teórico que permite determinar la impedancia se muestran en la figura 24. La frecuencia de resonancia l/2 se haya a 1,95 MHz, por lo que la resonancia l/4 estará en 0,98 MHz, y el valor de la impedancia es de 0,088 MRayl.
En la Figura 24 se muestra el Espectro del coeficiente de transmisión (magnitud y fase) de la membrana empleada para la capa externa del transductor. Línea azul: cálculo teórico, puntos verdes: medida.
Para medir la respuesta impulsiva y la banda de sensibilidad a presión ambiente y con una sobrepresión de aire de 5 bar, del transductor fabricado se emplea un emisor receptor de Olympus (5072), un pulso de excitación de amplitud 90 V y la señal recibida se lleva directamente al osciloscopio, sin ninguna amplificación extra. Se coloca una inductancia de 22 uH en paralelo con los bornes del transductor. El reflector era un bloque de acero situado a 7 mm.
La figura 25 muestra la respuesta impulsiva y la banda de sensibilidad del transductor en modo pulso-eco obtenida a presión ambiental.
La figura 26 muestra la respuesta impulsiva y la banda de sensibilidad del transductor en modo pulso-eco del transductor obtenida con una sobrepresión de 5 bar (73 psi) de aire.

Claims

REIVINDICACIONES
1 Estructura laminar caracterizada por que comprende
• una membrana polimérica adaptativa resonante (7) de espesor de entre 50 mm y 150 mm que presenta
o unas condiciones de resonancia de cuarto de onda a una frecuencia central mayor o igual de 1 MHz, de entre 1 MHz y 4 MHz, o una impedancia acústica de entre 0,1 MRayl y 0,5 MRayl,
o una porosidad mayor del 70 % y
o unos poros ¡nterconectados;
• una lámina adhesiva sensible a la presión (6), de espesor menor de 60 mm, o situada sobre la lámina resonante (7) y cubriendo dicha lámina (7) completamente;
o que presenta una impedancia acústica de entre 0,5 MRayl y 1 ,5 MRayl;
• una lámina de espuma sintáctica (5), de espesor de entre 100 mm y 500 mm o situada sobre la lámina (6) y cubriendo dicha lámina (6) completamente, o que presenta una impedancia acústica de entre 0,5 MRayl y 2 MRayl;
• una lámina polimérica (4) de espesor de entre 100 mm y 500 mm
o situada sobre la lámina (5) y cubriendo dicha lámina (5) completamente, o que presenta una impedancia acústica de entre 1,5 MRayl y 3,5 MRayl;
• una primera lámina conductora (2e), de espesor de entre 20 nm y 100 nm, situada sobre la lámina (4) y cubriendo dicha lámina (4) completamente;
• una lámina piezoeléctrica (1) que comprende una cara interna (i) y una cara externa (e)
o de espesor de entre 0,5 y 2 mm,
o que está situada sobre la lámina conductora (2e), donde la cara externa (e) está en contando directo con la lámina conductora (2e), y o que está cubriendo dicha lámina conductora (2e) parcialmente;
• una segunda lámina conductora (2i), de espesor de entre 20 nm y 100 nm, situada sobre la cara interna (i) de la lámina piezoeléctrica (1) y cubriendo dicha lámina (1) completamente;
• un bloque (3), con acabado cónico anecoico,
o de espesor de entre 15 mm y 30 mm,
o situado sobre la lámina conductora (2i) y extendiéndose alrededor de las láminas (2i) y (1) hasta contactar con la lámina conductora (2e), o que presenta una impedancia acústica de entre 5 MRayl y 10 MRayl, o y que está compuesto por una resina epoxi que comprende partículas de diámetro de entre 1 mm y 50 mm seleccionadas de entre tungsteno, zirconia, alúmina y cualquiera de sus combinaciones;
donde (1), (2i), (2e), (3), (4), (5), (6) y (7) resisten presiones hidrostáticas de hasta 262 bar,
donde la lámina piezoeléctrica está polarizada a lo largo de su espesor, y
donde las láminas (4), (5) y (6) forman un conjunto que presenta unas condiciones de resonancia de cuarto de onda a una frecuencia central mayor o igual de 1 MHz, de entre 1 MHz y 4 MHz.
2. Estructura según la reivindicación 1, donde la membrana polimérica adaptativa resonante (7) se selecciona de entre polipropileno, nitrato de celulosa, ester de celulosa, polietersulfona y nilón.
3. Estructura según cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, donde la lámina adhesiva sensible a la presión (6) se selecciona de entre una lámina de acrílico o una lámina de poliuretano.
4. Estructura según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, donde la lámina de espuma sintáctica (5) está compuesta por una resina epoxi con esferas huecas de diámetro de entre 1 mm y 20 mm.
5. Estructura según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde lámina polimérica (4) es una resina epoxi.
6. Estructura según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, donde las láminas conductoras (2e) y (2i) están compuestas independientemente por un material conductor seleccionado de entre Au, Ag, Cu, Sn y cualquiera de sus combinaciones.
7. Estructura según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, donde la composición de la lámina piezoeléctrica (1) se seleccionada de entre una cerámica tipo PZT de titanato zirconato de plomo PbZrO3-PbTiO3, un material compuesto de cerámica piezoeléctrica y resina con conectividad tipo 1-3 y con una concentración volumétrica de cerámica de entre el 25% y el 80%, y un monocristal piezoelectrico tipo
Figure imgf000028_0001
8. Procedimiento de obtención de la estructura según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por que comprende las siguientes etapas:
(a) unir la lámina piezoeléctrica (1) cubierta por con las láminas conductoras (2i) y (2e) a una lámina de sacrificio mediante cinta adhesiva (6) por una primera cara,
(b) unir un receptáculo metálico (8) a la lámina de sacrificio con la ayuda de cinta adhesiva (6),
(c) rellenar el espacio formado entre la lámina piezoeléctrica (1) y el receptáculo metálico con resina (3) y curar dicha resina (3),
(d) retirar lámina de sacrificio,
(e) metalizar la primera cara de la lámina piezoeléctrica (1) para que la lámina conductora (2e) cubra completamente el piezoeléctrico y el borde del casquillo,
(f) depositar la lámina polimérica (4) sobre la lámina conductora (2e), curar y pulir,
(g) pegar la lámina de espuma sintáctica (5) a la lámina polimérica (4),
(h) adherir la lámina adhesiva sensible a la presión (6) sobre la lámina de espuma sintáctica (5),
(i) pegar la membrana polimérica adaptativa resonante (7) a la lámina adhesiva sensible a la presión (6),
(j) fijar el conjunto de láminas (1), (2e), (2 i), (3), (4), (5), (6) y (7) y voltear, y
(k) rellenar el espacio interior del receptáculo metálico con la ayuda de un molde cónico para formar una bloque (3) con forma cónica.
9. El procedimiento según la reivindicación 8, donde la etapa (e) se lleva a cabo mediante técnicas seleccionadas de entre pulverización catódica, metalizado a vacío, metalizado por evaporización, metalizado por serigrafía, deposición por inmersión y recubrimiento por rotación.
10. El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 8 o 9, donde la deposición de la etapa (f) se lleva a cabo mediante técnicas de deposición seleccionadas de entre deposición por inmersión, recubrimiento por rotación, y serigrafía.
11. El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, donde la etapa (g) se lleva a cabo utilizando un adhesivo que tiene la misma composición que la lámina polimérica (4).
12. Uso de la estructura según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, como parte de un transductor ultrasónico piezoeléctrico para detectar ecos generados por un cuerpo sólido en presencia de un gas presurizado a una presión de entre 14 bar y 103 bar.
13. Transductor ultrasónico piezoeléctrico para detectar ecos generados por un cuerpo sólido en presencia de un gas presurizado a una presión de entre 14 bar y 103 bar, caracterizado por que comprende
• la estructura según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7,
o donde la membrana polimérica adaptativa resonante (7) está configurada para actuar como una capa resonante cuarto de onda a la frecuencia central del transductor,
o donde el conjunto formado por (4), (5) y (6) está configurado para que actúe conjuntamente como una única capa resonante de la frecuencia central del transductor y reduzca gradualmente la impedancia acústica de la estructura,
o donde la primera lámina conductora (2e) y la segunda lámina conductora (2i) están configuradas para actuar como electrodo y posibilitar la aplicación/medida de campo eléctrico en la lámina piezoeléctrica (1), o donde el bloque (3) está configurado para amortiguar la vibración de la lámina piezoeléctrica (1),
• un receptáculo metálico (8) que comprende un conector coaxial (9) con conexión a tierra y un conector interno (10) de la tapa trasera (12) del receptáculo metálico (8) y que está configurado para alojar la estructura y proporcionar blindaje electromagnético,
o donde (2e), (3), (4), (5), (6) y (7) están en contacto con las paredes del receptáculo (8);
• un conector coaxial (9) que une el conector interno (10) de la tapa trasera (12) del receptáculo metálico (8) con la segunda lámina conductora (2i) que está configurado para aplicar un voltaje al elemento piezoeléctrico a través del conector o bien para medir el voltaje generado en el elemento piezoeléctrico; y • una corona protectora (12) configurada para proteger la membrana polimérica adaptativa resonante (7) y el borde lateral de la membrana polimérica adaptativa resonante (7), el conjunto formado por (4), (5) y (6), el bloque (3), la primera lámina conductora (2e) y la segunda lámina conductora (2i).
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