一種大功率四晶一體超聲波換能器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】 [0001] :本發(fā)明屬于超聲波檢測(cè)領(lǐng)域,具體涉及非金屬材料超聲波測(cè)厚、非金屬 構(gòu)件超聲波探傷等方面的應(yīng)用。
[0002]
【背景技術(shù)】:目前,在工業(yè)上超聲檢測(cè)主要應(yīng)用于金屬構(gòu)件的探傷、物體間的距離檢 測(cè)和液體或氣體的流速測(cè)量等,所以常用的超聲波換能器通常由一個(gè)或兩個(gè)換能原件組成 一個(gè)換能器,即所謂的單晶換能器或雙晶換能器。目前單晶換能器或雙晶換能器,由于內(nèi)部 換能原件數(shù)量少(1~2個(gè)),在使用過程中,對(duì)于類似混凝土等聲阻較大的非金屬材料,由 于材料對(duì)聲波的散射、吸收造成超聲波衰減嚴(yán)重,即使采用透射法測(cè)量以減少生能量損失, 也不能有效的檢測(cè)非金屬材料的外廓尺寸和內(nèi)部缺陷。其次,現(xiàn)有的工業(yè)超聲檢測(cè)采用的 是0. 25MHZ~ 12MHZ的聲波,屬于中、高超聲頻段,對(duì)于類似混凝土等非金屬高聲阻材料聲波 傳輸衰減迅速,聲波收發(fā)功率小。而且,換能原件的結(jié)構(gòu)參數(shù)未針對(duì)高聲阻材料應(yīng)用進(jìn)行特 別設(shè)計(jì),更沒有考慮換能原件之間相互匹配優(yōu)化問題,也不具備工作模式轉(zhuǎn)換和聚焦功能 (適用性要求:針對(duì)不同的被測(cè)材料,工作模式轉(zhuǎn)換和聚焦通常需要調(diào)整),效率低信號(hào)弱, 而且換能器參數(shù)固定不可調(diào)節(jié)。因此,針對(duì)非金屬高聲阻材料(或?qū)β暡◤?qiáng)吸收的材料) 超聲檢測(cè)應(yīng)用,目前采用的單晶換能器或雙晶換能器不能正常使用。
【發(fā)明內(nèi)容】
:
[0003] 本發(fā)明的目的:針對(duì)非金屬高聲阻材料(或?qū)β暡◤?qiáng)吸收的材料)超聲檢測(cè)應(yīng)用, 研發(fā)了一種特別設(shè)計(jì)的大功率、可轉(zhuǎn)換工作模式的四晶一體超聲波換能器。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)方案:
[0005] -種大功率四晶一體超聲波換能器,裝置整體內(nèi)部包括四個(gè)軸對(duì)稱的圓柱形腔 體,腔體之間由吸音材料形成的隔音層分割,每個(gè)腔體沿軸向從上到下由吸音材料、壓電晶 片獨(dú)立封裝體、和耦合裝置組成,腔體的上部是一體化驅(qū)動(dòng)電路板,裝置整體由圓柱形外殼 封裝成一體,組成組合式超聲波收發(fā)一體的換能器。
[0006] 壓電晶片獨(dú)立封裝體由保護(hù)套、阻尼塊和壓電晶片組成,阻尼塊使用環(huán)氧樹脂與 鎢粉混合后澆注在壓電晶片背面,以達(dá)到阻尼作用,四個(gè)壓電晶片封裝體傾斜對(duì)稱安裝于 四個(gè)腔體中,壓電晶片分為兩組工作,四片壓電晶片中相互間隔的兩片壓電晶片作為一組 壓電晶片,其中一組壓電晶片作為發(fā)射晶片組,另外一組壓電晶片作為接收晶片組,為了加 以區(qū)別,發(fā)射晶片組的兩片壓電晶片稱為1號(hào)和3號(hào)晶片,作為接收晶片的兩片壓電晶片稱 為2號(hào)和4號(hào)晶片;
[0007] 壓電晶片獨(dú)立封裝體中的保護(hù)套是由金屬制成的圓柱形殼體,上表面有一個(gè)開 孔,用于穿過導(dǎo)線,導(dǎo)線用來連接一體化驅(qū)動(dòng)電路和壓電晶片;無(wú)下表面,壓電晶片直接與 耦合裝置的延時(shí)塊接觸;
[0008] 耦合裝置從上到下由延時(shí)塊和耦合塊組成;延遲塊是由有機(jī)玻璃做成的鍥形塊, 耦合塊由耐磨橡膠和塑料膜組成;
[0009] -體化驅(qū)動(dòng)電路由控制器,四通道可控模擬開關(guān),和信號(hào)處理環(huán)節(jié)組成;其中,信 號(hào)處理環(huán)節(jié)由選通控制和功率模塊電路組成。
[0010] 兩片作為發(fā)射晶片的壓電晶片,采用鋯鈦酸鉛的陶瓷片PZT4,經(jīng)過篩選配對(duì)成發(fā) 射組,兩片作為接收壓電晶片的壓電晶片,采用鋯鈦酸鉛PZT5,經(jīng)過篩選配對(duì)成接收組,還 進(jìn)行了發(fā)射組和接收組的機(jī)電匹配;其中,PZT壓電陶瓷(鋯鈦酸鉛):P是鉛元素 Pb的縮 寫,Z是鋯元素 Zr的縮寫,T是鈦元素 Ti的縮寫。PZT壓電陶瓷是將二氧化鉛、鋯酸鉛、鈦 酸鉛在高溫下燒結(jié)而成的多晶體。具有正壓電效應(yīng)和負(fù)壓電效應(yīng)。P-4:鐵鉑、錳鈣改性鋯 鈦酸鉛,P-5:屬La、Nb改性二元系材料。
[0011] 對(duì)于超聲波壓電晶片的主要性能參數(shù)包括結(jié)構(gòu)尺寸,機(jī)電耦合系數(shù),頻率常數(shù),壓 電系數(shù),彈性常數(shù)等,為實(shí)現(xiàn)作為發(fā)射晶片的兩片壓電晶片的匹配,本發(fā)明中選用具有相同 的制作工藝,結(jié)構(gòu)尺寸,相對(duì)脈沖回波靈敏度,壓電系數(shù),彈性常數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)的壓電 晶片;同樣,為實(shí)現(xiàn)作為接收晶片的兩片壓電晶片的匹配,選用具有相同的制作工藝,結(jié)構(gòu) 尺寸,相對(duì)脈沖回波靈敏度,壓電系數(shù),彈性常數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)的壓電晶片;為實(shí)現(xiàn)發(fā)射 組和接收組的機(jī)電匹配,本發(fā)明中選用具有相同的結(jié)構(gòu)尺寸,機(jī)電耦合系數(shù),壓電系數(shù),彈 性常數(shù)的壓電晶片,并將發(fā)射壓電晶片和接收壓電晶片保持相互傾斜對(duì)稱分布于四個(gè)不同 的腔體中,且發(fā)射晶片的發(fā)射頻率和接收晶片相對(duì)脈沖回波最高靈敏度的頻率一致。
[0012] 換能器的工作模式由一體化驅(qū)動(dòng)電路中的控制器統(tǒng)一控制,其具體步驟如下:
[0013] A.控制器通過四個(gè)I/O 口給出選通信號(hào)到四路可控模擬開關(guān);
[0014] B.選通信號(hào)控制多路選擇開關(guān)電路的四路,使與之對(duì)應(yīng)的壓電晶片與控制器另外 四個(gè)I/O 口之間的電路接通或斷開;
[0015] C.控制器通過四個(gè)I/O 口給出的選通信號(hào)同時(shí)控制信號(hào)處理模塊的選通控制電 路,選通對(duì)應(yīng)的功率模塊電路同步工作,由此實(shí)現(xiàn)工作模式的選擇與轉(zhuǎn)換;
[0016] 本發(fā)明中的大功率四晶一體超聲波換能器中,四個(gè)晶片相對(duì)獨(dú)立,各自的工作狀 態(tài)由控制器統(tǒng)一控制,通過控制電路可以根據(jù)實(shí)際需要,靈活的選擇、設(shè)定多種工作模式。 發(fā)射部分由1、3號(hào)單元組成,接收部分由2、4號(hào)單元組成,通過設(shè)定各個(gè)晶片的接通與斷 開工作狀態(tài),即可實(shí)現(xiàn)多種工作模式的組合設(shè)定??刂破魍ㄟ^I/O 口 1~4給出選通信號(hào) (高電平為通,低電平為斷),該信號(hào)選通多路選擇開關(guān)電路TS3A4751芯片的四路中的某一 路或多路,使之對(duì)應(yīng)的壓電晶片與控制器的對(duì)應(yīng)通道接通或斷開;選通信號(hào)同時(shí)連接后面 的信號(hào)處理環(huán)節(jié)的選通控制電路,使之對(duì)應(yīng)通道功率模塊電路同步工作,由此可以實(shí)現(xiàn)表1 所示不同工作模式的選擇與轉(zhuǎn)換。
[0017] 表1工作模式列表
[0019] 根據(jù)實(shí)際檢測(cè)要求,通過控制器程序預(yù)先預(yù)置或切換該裝置工作模式,如雙發(fā)雙 收、雙發(fā)單收、單發(fā)雙收、單發(fā)單收、發(fā)射以及接收模式。
[0020] 本發(fā)明的大功率四晶一體超聲波換能器接收和發(fā)射頻率為20KHZ~ 200KH 2范圍 的超聲波,且頻率可調(diào)。本發(fā)明的超聲波換能器由電路控制可實(shí)現(xiàn)功率、工作模式設(shè)定和調(diào) 整,特別適用于類似混凝土等聲阻較大的非金屬材料的超聲檢測(cè)。
[0021] 本發(fā)明的有益效果:
[0022] 本發(fā)明中的大功率四晶一體超聲波換能器,采用頻率為20KHZ~200腿 2范圍的超 聲波,增加了換能元件,對(duì)結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行特別設(shè)計(jì),考慮了換能器中元件之間相互匹配優(yōu) 化問題,對(duì)應(yīng)每個(gè)晶片都配有各自獨(dú)立的耦合裝置,相互間由隔音層進(jìn)行隔離,極大降低了 晶片間的串?dāng)_影響,可滿足大功率測(cè)量的要求,特別適用于類似混凝土等聲阻較大的非金 屬材料的超聲檢測(cè);通過一體化驅(qū)動(dòng)電路,實(shí)現(xiàn)對(duì)換能裝置工作模式的選擇和轉(zhuǎn)換,能滿 足超聲檢測(cè)過程中的適應(yīng)性要求,可根據(jù)不同的被測(cè)材料,選擇相應(yīng)的工作模式,具有效率 高,能效大的特點(diǎn)。
【附圖說明】:
[0023] 下面結(jié)合附圖,通過非限定性的舉例對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方法作進(jìn)一步說明,在 附圖中:
[0024] 本發(fā)明裝置由四個(gè)互為傾斜軸對(duì)稱安裝的壓電晶體組成,參見圖1~4所示。
[0025] 圖1為立體示意圖。裝置整體內(nèi)部包括四個(gè)軸對(duì)稱的圓柱形腔體,四個(gè)互為傾斜 軸對(duì)稱安裝的壓電晶片分別放置于四個(gè)不同的腔體中,標(biāo)記1號(hào)壓電晶片1,2號(hào)壓電晶片 2,3號(hào)壓電晶片3和4號(hào)壓電晶片4 ;其中,1號(hào)和3號(hào)壓電晶片為發(fā)射晶片,2號(hào)和4號(hào)壓 電晶片為接收晶片。
[0026] 圖2為圖1中A-A'面剖視圖,圖3為圖1中B-B'面剖視圖,圖4為俯視圖。裝置 整體內(nèi)部包括四個(gè)軸對(duì)稱的圓柱形腔體,腔體之間由吸音材料形成的隔音層9分割,每個(gè) 腔體沿軸向從上到下由吸音材料10、壓電晶片獨(dú)立封裝體13和耦合裝置12組成,腔體的上 部是一體化驅(qū)動(dòng)電路8,裝置整體由圓柱形外殼14封裝成一體,其中,壓電晶片獨(dú)立封裝體 13由保護(hù)套5,對(duì)應(yīng)壓電晶片和阻尼塊11組成,耦合裝置12由延時(shí)塊6和耦