專利名稱：空氣超聲探頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種檢測探頭，特別是空氣超聲探頭，用于非接觸式無損檢測。
背景技術(shù)：
在超聲檢測技術(shù)中利用超聲探頭將超聲波發(fā)射出去，然后再把超聲波接收回來，變換成電信號。
接觸式超聲檢測方法有超聲波水浸法、反射法及穿透法等檢測方法。反射法及穿透法要求超聲探頭和試件之間必須使用液體或糊狀耦合劑，檢測時(shí)要求探傷表面平直、無溝槽和雜物；水浸法要求超聲探頭和試件全都浸入水中。
近年來，檢測領(lǐng)域提出了一種空氣超聲檢測方法。由于空氣超聲檢測方法，其探頭與檢測試件不接觸，因而具有一系列顯著優(yōu)點(diǎn)。比如，檢測高溫試件；在試件加工過程中進(jìn)行動態(tài)檢測，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制等等。
空氣超聲檢測存在的主要困難是超聲波在空氣中會產(chǎn)生嚴(yán)重的衰減，以至于使超聲波無法達(dá)到被檢工件進(jìn)行檢測。造成超聲波在空氣中嚴(yán)重衰減的主要原因是固體材料與空氣聲阻抗的巨大差異。例如一般金屬及壓電晶體的聲阻抗Z＝30～50×106kgm-2s-1，而空氣的聲阻抗Z＝427kgm-2s-1，在壓電晶體與空氣界面超聲波幾乎會發(fā)生全反射而無法透射。因此，現(xiàn)有技術(shù)的這種探頭無法進(jìn)行空氣超聲檢測。
參照圖2，接觸式超聲檢測方法在進(jìn)行檢測時(shí)，壓電晶片4與被測物件靠耦合劑與被測物件接觸，當(dāng)壓電晶片4與被測物件分開時(shí)，由于壓電晶片4、空氣及被測物件的聲阻抗差異較大，無法進(jìn)行超聲檢測。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)透射率低，不能進(jìn)行空氣超聲檢測的不足，本實(shí)用新型提供一種空氣超聲探頭，在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上增加匹配層和聲聚焦透鏡，使探頭的透射率和靈敏度提高，就可以進(jìn)行空氣超聲檢測。
本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種空氣超聲探頭，包括同軸電纜1，金屬外殼2，吸收塊3，壓電晶片4和絕緣套5，其特征在于還包括匹配層6，聲聚焦透鏡7，環(huán)形壓片9，匹配層6上端面中間與壓電晶片4緊貼，聲聚焦透鏡7緊貼匹配層6，用金屬環(huán)形壓片9將聲聚焦透鏡7和匹配層6壓緊在壓電晶片4的表面，再用若干枚螺絲10將金屬環(huán)形壓片9、匹配層6和聲聚焦透鏡7與金屬外殼2連接在一起。
所述的聲聚焦透鏡7采用硅橡膠，其安裝直徑同金屬外殼2的外徑等大，有效直徑同壓電晶片4的直徑等大，為15～30mm，中部厚度為1～2mm。
所述的匹配層6采用鎂合金，其直徑同金屬外殼2的外徑等大，厚度為3～4.5mm。
本實(shí)用新型相比現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于由于采用了硅橡膠聲聚焦透鏡，硅橡膠的聲阻抗Z＝1.04×106kgm-2s-1，比壓電晶片的聲阻抗小40多倍，故可使透射率提高近40倍；硅橡膠聲聚焦透鏡可使聲場能量聚焦，從而進(jìn)一步提高探頭透射率。
由于采用了鎂合金匹配層，其聲阻抗僅為一般壓電晶體材料的1/3左右，可使新型探頭發(fā)出的聲波透射率提高3倍；由于鎂合金具有良好的塑性，不像壓電晶片易碎，作為匹配層可提高探頭的抗沖擊性及使用壽命，從而起到一定的保護(hù)作用。因此可將壓電晶片的厚度減薄，直徑增大。壓電晶片厚度減薄可提高超聲頻率，頻率可由普通探頭的1.25MHz提高到2.5MHz，從而增加檢測靈敏度。探頭直徑可由普通探頭的15mm左右提高到30mm左右，壓電晶片的面積增加了4倍，由于超聲場的強(qiáng)度與壓電晶片的面積近似成正比，故新型探頭的聲波透射率又可比現(xiàn)有技術(shù)探頭提高幾倍；鎂合金塑性好，極易加工，用其加工的匹配層可有效保證匹配層的尺寸精度，其價(jià)格較壓電晶片又便宜很多，使探頭的制造成本下降許多。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說明。


圖1是本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖圖2是現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)示意圖圖中，1-同軸電纜，2-金屬外殼，3-吸收塊，4-壓電晶片，5-絕緣套，6-匹配層，7-聲聚焦透鏡，9-環(huán)形壓片，10-螺絲具體實(shí)施方式
參照圖1，空氣超聲探頭在由同軸電纜1，金屬外殼2，吸收塊3，壓電晶片4，絕緣套5構(gòu)成普通超聲探頭的基礎(chǔ)上，在普通超聲探頭端面貼合一層匹配層6，再在匹配層6表面加上一層聲聚焦透鏡7，用金屬環(huán)形壓片9將匹配層6和聲聚焦透鏡7壓緊在普通超聲探頭壓電晶片4的表面，再用4枚螺絲10對稱地將金屬環(huán)形壓片9、匹配層6和聲聚焦透鏡7與金屬外殼2連接在一起。
由于硅橡膠的聲阻抗Z＝1.04×106kgm-2s-1，比壓電晶片4的聲阻抗小40多倍，故可使透射率提高近40多倍。用其制作聲聚焦透鏡7后，由于其聚焦作用，又使得聲場能量聚焦，從而進(jìn)一步提高探頭透射率。
匹配層6選取鎂合金是因?yàn)槠ヅ鋵?選用鎂合金，其聲阻抗僅為一般壓電晶體材料的1/3左右，可使新型探頭發(fā)出的聲波透射率提高3倍；由于鎂合金具有良好的塑性，不像壓電晶片易碎，作為匹配層可提高探頭的抗沖擊性及使用壽命，從而起到一定的保護(hù)作用。因此可將壓電晶片的厚度減薄，直徑增大。壓電晶片厚度減薄可提高超聲頻率，頻率可由普通探頭的1.25MHz提高到2.5MHz，從而增加檢測靈敏度。探頭直徑可由普通探頭的15mm左右提高到30mm左右，壓電晶片的面積增加了4倍，由于超聲場的強(qiáng)度與壓電晶片的面積近似成正比，故新型探頭的聲波透射率又可比現(xiàn)有技術(shù)探頭提高幾倍；鎂合金塑性好，極易加工，用其加工的匹配層可有效保證匹配層的尺寸精度，其價(jià)格較壓電晶片又便宜很多，使探頭的制造成本下降許多。
匹配層6選用鎂合金制作，其厚度δMg可選取1～2mm任意厚度。
聲聚焦透鏡7選用硅橡膠制作而成。其中部的厚按度δ硅橡膠可選取3～4.5mm任意厚度。曲率半徑R的選取主要根據(jù)探頭到檢測工件的距離而定，為提高檢測靈敏度，應(yīng)盡可能的小。
通過匹配層6和聲聚焦透鏡7，使得壓電晶片4與空氣的聲阻抗較為匹配，從而使透射率提高幾十，甚至上百倍。
當(dāng)把加在壓電晶片4兩邊的脈沖電壓幅值由650V提高到1600V時(shí)，由于超聲波的聲場強(qiáng)度與壓電晶片4的直徑及脈沖電壓幅值成正比，再加上聲聚焦透鏡使聲束能量聚焦，因此，至少可使射入被檢工作的超聲能量增加幾十甚至近百倍。從而，該實(shí)用新型探頭可實(shí)現(xiàn)空氣超聲檢測。
權(quán)利要求1.一種空氣超聲探頭，包括同軸電纜(1)，金屬外殼(2)，吸收塊(3)，壓電晶片(4)和絕緣套(5)，其特征在于還包括匹配層(6)，聲聚焦透鏡(7)，環(huán)形壓片(9)，匹配層(6)上端面中間與壓電晶片(4)緊貼，聲聚焦透鏡(7)緊貼匹配層(6)，用金屬環(huán)形壓片(9)將聲聚焦透鏡(7)和匹配層(6)壓緊在壓電晶片(4)的表面，再用若干枚螺絲(10)將金屬環(huán)形壓片(9)、匹配層(6)和聲聚焦透鏡(7)與金屬外殼(2)連接在一起。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空氣超聲探頭，其特征在于所述的聲聚焦透鏡(7)采用硅橡膠，其安裝直徑同金屬外殼(2)的外徑等大，有效直徑同壓電晶片(4)的直徑等大，為15～30mm，中部厚度為3～4.5mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空氣超聲探頭，其特征在于所述的匹配層(6)采用鎂合金，其直徑同金屬外殼(2)的外徑等大，厚度為1～2mm。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種空氣超聲探頭，可用于非接觸式無損檢測。包括同軸電纜(1)，金屬外殼(2)，吸收塊(3)，壓電晶片(4)和絕緣套(5)，其特征在于還包括匹配層(6)，聲聚焦透鏡(7)，環(huán)形壓片(9)，匹配層(6)上端面中間與壓電晶片(4)緊貼，聲聚焦透鏡(7)緊貼匹配層(6)，用金屬環(huán)形壓片(9)將聲聚焦透鏡(7)和匹配層(6)壓緊在壓電晶片(4)的表面，再用若干枚螺絲(10)將金屬環(huán)形壓片(9)、匹配層(6)和聲聚焦透鏡(7)與金屬外殼(2)連接在一起。由于采用了硅橡膠聲聚焦透鏡和鎂合金匹配層，透射率提高近40倍，可進(jìn)行空氣超聲檢測。
文檔編號G01N29/02GK2789767SQ20052007877
公開日2006年6月21日 申請日期2005年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月16日
發(fā)明者馬鐵軍, 楊思乾 申請人:西北工業(yè)大學(xué)