專利名稱：用于掃描成像裝置的相控陣探頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于掃描成像裝置的探頭，具體地說(shuō)，涉及一種用于掃描成像裝置的相控陣探頭。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的相控陣成像技術(shù)利用超聲縱波探頭組成探頭陣列對(duì)檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行電子掃描成像。由于在固體中存在波型轉(zhuǎn)換，傳統(tǒng)的縱波相控陣技術(shù)在用于固體介質(zhì)的檢測(cè)時(shí)會(huì)遇到額外的干擾。另外，在粘接界面的液體夾層及零間隙脫粘的檢測(cè)中，采用超聲縱波無(wú)法檢測(cè)。
相對(duì)于縱波，橫波探測(cè)有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。從傳播理論可知，對(duì)于各向異性等復(fù)雜介質(zhì)材料純橫波的散射、反射特性比較單純，采用橫波檢測(cè)有縱波無(wú)法達(dá)到的效果。在相同的頻率條件下，橫波波長(zhǎng)比縱波波長(zhǎng)幾乎要小一倍，因此對(duì)同樣大小的缺陷，橫波的反射能量相對(duì)也要大的多。同時(shí)，在對(duì)粘接界面缺陷中液體夾層的檢測(cè)中，橫波的靈敏度也遠(yuǎn)比縱波高。
雖然在焊縫的超聲檢測(cè)中，有時(shí)使用橫波陣列探頭([1].Roy，O.，Mahaut，S.，Casula，O.，Development of a smart flexible transducer to inspect component ofcomplex geometrymodeling and experiment，AIP Conference Proceedingsno.615A908-14，2002)，但是，組成探頭陣列的陣元直接輻射縱波，然后傾斜入射在耦合界面上，利用波型轉(zhuǎn)換在檢測(cè)介質(zhì)中產(chǎn)生橫波。這種利用波型轉(zhuǎn)換技術(shù)，產(chǎn)生橫波的效率受到影響，并常伴有縱波或表面波使其檢測(cè)受到影響。也有使用電磁聲技術(shù)產(chǎn)生SH橫波進(jìn)行金屬板測(cè)厚[2]，但設(shè)備相對(duì)比較復(fù)雜，檢測(cè)條件要求高，且只適用于鐵磁性介質(zhì)，目前也還沒(méi)有實(shí)際可以用于小當(dāng)量缺陷檢測(cè)的產(chǎn)品。使用其他方法也能夠產(chǎn)生橫波([2].Murray，P.R.；Dewhurst，R.J.，Laser/EMAT measurement systems for ultrasound B-scan imaging，Sensors and theirApplications XI.Proceedings of the Eleventh Conference on Sensors and theirApplications169-74，2001；[3].Every，A.G.；Sachse，W.，Imaging of laser-generatedultrasonic waves in silicon，Physical Review B(Condensed Matter)，vol.44，no.136689-99，1 Oct.1991 LanguageEnglish；[4].汪承灝，喬?hào)|海，固體表面菲涅爾陣列產(chǎn)生的聲束聚焦的研究，聲學(xué)學(xué)報(bào)，Vol.24，No.4，1999，pp351-356)，但也常伴隨縱波，不能夠得到模式純凈的橫波輻射聲場(chǎng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中掃描成像裝置的探頭不能直接發(fā)射橫波，因而效率低并限制其應(yīng)用等缺點(diǎn)，通過(guò)設(shè)計(jì)可直接產(chǎn)生橫波的換能器單元，從而提供了一種用于掃描成像裝置的相控陣探頭。
本發(fā)明的技術(shù)方案為一種用于掃描成像裝置的相控陣探頭，該探頭包括由換能器單元2組成的陣列；所述換能器單元2呈長(zhǎng)方體，由壓電塊3和非壓電塊4組成；所述壓電塊3和非壓電塊4在換能器單元2的寬度方向上交錯(cuò)放置；各換能器單元2的上下表面分別覆蓋有上電極5和下電極6。
所述探頭還包括支撐結(jié)構(gòu)體1，所述換能器單元2嵌在支撐結(jié)構(gòu)體1內(nèi)。所述換能器單元2的寬度小于等于λ/2，其厚度小于等于λ/2，其中λ等于所需發(fā)射聲波的波長(zhǎng)。所述陣列包括兩個(gè)或兩個(gè)以上換能器單元2，并且換能器單元2沿其寬度方向間隔放置。所述陣列為線性陣列或環(huán)形陣列。相鄰換能器單元2之間的距離大于等于隔離換能器單元間耦合振動(dòng)需要的最小距離。該探頭還包括設(shè)置在所述換能器單元2聲輻射面上的保護(hù)膜，設(shè)置在所述換能器單元2背面上的背襯。
在實(shí)際使用時(shí)，可將本發(fā)明提供的相控陣探頭與現(xiàn)有技術(shù)的掃描成像裝置的發(fā)射/接收電路部分通過(guò)多束高頻屏蔽電纜連接，從而構(gòu)成完整的相控陣掃描成像裝置。
本發(fā)明提供的用于掃描成像裝置的相控陣探頭的優(yōu)點(diǎn)在于該探頭可以直接產(chǎn)生純橫波，避免了波型轉(zhuǎn)換帶來(lái)的能量損失或其它干擾，避免了固體中聲波波型轉(zhuǎn)換帶來(lái)的影響；使用該探頭，不僅可以利用電子相控技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)固體材料的垂直純橫波聲束電子掃描，還可對(duì)粘接界面的液體夾層及零間隙脫粘進(jìn)行檢測(cè)。
本發(fā)明提供的用于掃描成像裝置的相控陣探頭，可用于固體材料的超聲無(wú)損檢測(cè)，其中包括粘接界面的質(zhì)量評(píng)價(jià)。


圖1是本發(fā)明線形相控陣探頭的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1中換能器單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明環(huán)形相控陣探頭的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是采用本發(fā)明相控陣探頭的掃描成像裝置示意圖；圖面說(shuō)明支撐結(jié)構(gòu)體1 換能器單元2 壓電塊3非壓電塊4上電極5 下電極具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述如圖1所示，8個(gè)換能器單元2沿其寬度方向平行間隔組成線性陣列，相鄰換能器單元2之間間距為0.1毫米；此陣列嵌在支撐結(jié)構(gòu)體1內(nèi)，支撐結(jié)構(gòu)體為環(huán)氧樹(shù)脂材料。
換能器單元2的結(jié)構(gòu)如圖2所示，它基本上呈長(zhǎng)方體，其寬度為0.8毫米，厚度為1.1毫米，長(zhǎng)度為10毫米，該換能器單元2發(fā)射聲波的波長(zhǎng)為3毫米(對(duì)應(yīng)于檢測(cè)體為金屬鋼的情形)，在其寬度方向方向上，交錯(cuò)放置有長(zhǎng)條形的3個(gè)壓電塊3和4個(gè)非壓電塊4；壓電塊3的偏振方向沿?fù)Q能器單元2的長(zhǎng)度方向；壓電塊3使用壓電材料，可以為鋯鈦酸鉛壓電陶瓷，如PZT-5A和PZT-4，也可用其它系列的壓電材料如鈦酸鋇、偏鈮酸鉛、鈮酸鉀鈉、鈦酸鉛壓電陶瓷或石英晶體。非壓電塊的材料為環(huán)氧樹(shù)脂如E-51，或其它雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂如E-44或E-55。換能器單元2的上下表面分別覆蓋有上電極5和下電極6。
換能器單元2的聲輻射面上設(shè)有材料為環(huán)氧樹(shù)脂加280目金剛砂的保護(hù)膜(未示出)，其中，金剛砂也可用硅酸鹽類微粉或剛玉類微粉等絕緣體微粉代替。換能器單元2的背面設(shè)有環(huán)氧樹(shù)脂加金屬粉末的背襯(未示出)，例如加鎢粉。
還可將換能器單元2排列成環(huán)形陣列的形式，如圖3所示。
應(yīng)用本發(fā)明的相控陣探頭的掃描成像裝置如圖4所示，該裝置的電子部分可采用現(xiàn)有的掃描成像裝置中的電子部分。該裝置包括相控陣探頭、整機(jī)控制單元、發(fā)射/接收部分、A/D采樣與合成處理部分、結(jié)果顯示與輸出部分，其中本發(fā)明的相控陣探頭各換能器單元的電極與發(fā)射/接收電路部分通過(guò)多束高頻屏蔽電纜連接。該裝置為全數(shù)字化相控陣成像設(shè)備，通過(guò)整機(jī)控制單元產(chǎn)生發(fā)射聲束偏轉(zhuǎn)和聚焦所需要的延遲觸發(fā)脈沖，控制發(fā)射電路形成高壓激勵(lì)脈沖，激勵(lì)相控陣各陣元發(fā)射純橫波聲波。本發(fā)明中換能器單元產(chǎn)生的純橫波偏振方向與傳播方向、單元的排列方向垂直。產(chǎn)生的橫波通過(guò)掃描陣與檢測(cè)體表面之間的橫波耦合劑(如粘稠的蜂蜜)進(jìn)入檢測(cè)體。發(fā)射的聲束由相控陣發(fā)射/接收部分中的發(fā)射單元合成偏轉(zhuǎn)聚焦。當(dāng)遇到聲阻抗不連續(xù)的區(qū)域如缺陷界面、工件底面，聲波發(fā)生反射，反射信號(hào)與反射面/體的大小、形狀、性質(zhì)等因素有關(guān)，對(duì)于粘接界面。如果存在弱粘接區(qū)域或粘接界面存在缺陷，將產(chǎn)生與完全粘好界面不同的反射信號(hào)。由于本發(fā)明使用純橫波技術(shù)，因此反射信號(hào)的幅度或相位反映了粘接界面的受切變力時(shí)的位移或者形變特性。當(dāng)粘接界面屬于液體夾層類缺陷時(shí)，界面兩側(cè)的縱向位移和應(yīng)力連續(xù)，而切向應(yīng)力不連續(xù)，因此利用橫波可以得到很強(qiáng)的反射信號(hào)，但縱波的傳播不受影響。當(dāng)夾層的液體屬于理想液體時(shí)，橫波的反射系數(shù)等于1。反射信號(hào)傳播到換能器陣列后，由于晶片的壓電效應(yīng)而在晶片上產(chǎn)生相應(yīng)的電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)送到發(fā)射/接收部分中的接收單元。經(jīng)放大、預(yù)處理、A/D單元采集輸入計(jì)算機(jī)后，通過(guò)信號(hào)處理的方法完成數(shù)字聲束合成、動(dòng)態(tài)聚焦等后續(xù)處理，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)回波的A、B、C掃描成像，檢測(cè)結(jié)果可在顯示終端上顯示，也可打印輸出。
在相控陣成像檢測(cè)的過(guò)程中應(yīng)保持耦合狀態(tài)的穩(wěn)定，以獲得比較一致的檢測(cè)信號(hào)。
權(quán)利要求
1.一種用于掃描成像裝置的相控陣探頭，該探頭包括由換能器單元(2)組成的陣列；其特征在于，所述換能器單元(2)呈長(zhǎng)方體，由壓電塊(3)和非壓電塊(4)組成；所述壓電塊(3)和非壓電塊(4)在換能器單元(2)的寬度方向上交錯(cuò)放置；各換能器單元(2)的上下表面分別覆蓋有上電極(5)和下電極(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于掃描成像裝置的相控陣探頭，其特征在于，所述探頭還包括支撐結(jié)構(gòu)體(1)，所述換能器單元(2)嵌在支撐結(jié)構(gòu)體(1)內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于掃描成像裝置的相控陣探頭，其特征在于，所述換能器單元(2)的寬度小于等于λ/2，其厚度小于等于λ/2，其中λ等于所需發(fā)射聲波的波長(zhǎng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于掃描成像裝置的相控陣探頭，其特征在于，所述陣列包括兩個(gè)或兩個(gè)以上換能器單元(2)，并且換能器單元(2)沿其寬度方向間隔放置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于掃描成像裝置的相控陣探頭，其特征在于，所述陣列為線性陣列或環(huán)形陣列。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于掃描成像裝置的相控陣探頭，其特征在于，相鄰換能器單元(2)之間的距離大于等于隔離換能器單元間耦合振動(dòng)需要的最小距離。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于掃描成像裝置的相控陣探頭，其特征在于，所述壓電塊(3)的偏振方向沿?fù)Q能器單元(2)的長(zhǎng)度方向。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于掃描成像裝置的相控陣探頭，其特征在于，還包括設(shè)置在所述換能器單元(2)聲輻射面上的保護(hù)膜。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于掃描成像裝置的相控陣探頭，其特征在于，還包括設(shè)置在所述換能器單元(2)背面上的背襯。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于掃描成像裝置的相控陣探頭。該探頭包括由換能器單元組成的陣列；換能器單元呈長(zhǎng)方體，由壓電塊和非壓電塊組成；所述壓電塊和非壓電塊在換能器單元的寬度方向上交錯(cuò)放置；各換能器單元的上下表面分別覆蓋有上電極和下電極。本發(fā)明提供的用于掃描成像裝置的相控陣探頭可以直接產(chǎn)生純橫波，避免了波型轉(zhuǎn)換帶來(lái)的能量損失或其它干擾，避免了固體中聲波波型轉(zhuǎn)換帶來(lái)的影響；使用該探頭，不僅可以利用電子相控技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)固體材料的垂直純橫波聲束電子掃描，還可對(duì)粘接界面的液體夾層及零間隙脫粘進(jìn)行檢測(cè)。本發(fā)明提供的用于掃描成像裝置的相控陣探頭，可用于固體材料的超聲無(wú)損檢測(cè)，其中包括粘接界面的質(zhì)量評(píng)價(jià)。
文檔編號(hào)G01N29/00GK1530650SQ03119590
公開(kāi)日2004年9月22日 申請(qǐng)日期2003年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月12日
發(fā)明者李明軒, 廉國(guó)選, 毛捷, 王小民, 楊玉瑞, 李順, 葉青 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所