[發明專利]一種用于金屬材料檢測的超聲相控線陣換能器及制作方法

無效

• 申請號: 201310232519.8
• 申請日: 2013-06-13
• 公開（公告）號: CN103278570A
• 公開（公告）日: 2013-09-04
• 發明（設計）人: 駱英;王自平;劉軍;陳彩鳳;趙國旗
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: G01N29/34
• 分類號: G01N29/34;G01N29/24
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 汪旭東

?所屬技術領域

本發明屬于金屬材料損傷檢測領域，具體涉及一種用于超聲相控陣掃描成像裝置的線陣換能器技術。

背景技術

超聲相控陣損傷檢測技術始于20世紀60年代，由美國Conoco公司的Crawford等人率先提出^[1]，他們利用超聲相控陣技術控制聲束檢測管道中缺陷，但是直到90年代，由于相關技術與理論的發展未能足以將此思想形成到一定的技術平臺，該技術還僅局限于實驗室，尚未引起人們的注意。隨著計算機技術的發展和信號處理技術的運用^[2]，超聲相控陣技術逐漸成為超聲檢測技術領域中一個新的技術熱點。超聲相控陣技術在早期主要應用于醫療領域^[3]，如醫學超聲成像，一方面是由于超聲波在醫學應用中頻率高（通常為5-10?MHz），波長短，能量較大，采用相控延時可聚焦成很細的定位聲束，完全可抵達人體內部深處，另一方面，人體組織里只有骨骼能夠傳播橫波，因此，醫學超聲應用基本采用縱波，易通過獲得的反映組織信息實現超聲成像，人體組織聲阻抗相差不大，可利用不同組織間聲阻抗差異來形成聲波的反射、散射來識別不同軟組織及各器官的形態與性質。

上世紀90年代以前，由于缺乏對多晶片探頭進行快速激發所需的計算能力以及處理掃查產生的大量數據文件進行處理的能力，且對超聲相控陣相關的理論研究和實踐探索還不夠透徹，一些關鍵的數字控制和信號處理技術尚未突破等，尚未形成足以支持數字化高性能超聲相控陣對結構損傷檢測系統研發的綜合技術基礎，因此，該技術在工業無損檢測中的應用受限。1998年，相關文獻報道了表面波及板波的專用相控陣換能器^[4]，2000年以來，超聲相控陣檢測技術在國外得到了一定的發展并已開始應用于工業檢測中，在超聲相控陣檢測中的金屬焊縫檢測方面形成了專利^[5,6]，專利[5]中采用相控陣斜探頭進行了單一方向的相控聚焦，專利[6]中采用轉換開關激勵多個驅動器形成陣列來監測金屬焊縫缺陷，相關的研究涉及航空工業及核工業領域，如對汽輪機葉片根部和渦輪圓盤的相控陣檢測^[7]，核電站和航空材料的相控陣檢測等^[8]。2005年，加拿大的R/D?TECH公司推出了商用超聲相控陣掃描檢測儀，其超聲相控陣探頭采用普通壓電陶瓷線性陣列，容納晶片60個，掃查角度配置為40°～70°，該儀器已經獲得美國通用航空公司的認定；法國原子能委員會CAE研制了一套基于VXI總線的相控陣掃描聚焦系統，該系統可與多個常規陣列換能器相連^[9]。在超聲相控陣檢測技術發展的同時，相控陣換能器性能的改進也得到了提高，2009年，美國的J.Ritter等采用壓電復合晶體組成16陣元的線性陣列換能器，掃查角度范圍為0°到70°，但這種換能器僅對鐵介質檢測較敏感^[10]。同時，美國麻省理工大學的無損評價實驗室成功地研制了用于混凝土評價的相控陣超聲掃描裝置，該裝置可以初步探測出混凝土中鋼筋的位置和走向，使得該技術的研究范圍進一步擴大，但當時也僅用于檢測最大粒徑16mm的混凝土中較大尺度的損傷(20?mm×10?mm)缺陷^[11]。2011年，美國、日本等國開始將超聲相控陣檢測技術應用于復雜焊接件損傷成像和光測成像中^[12-14]。近年來，國外一些知名公司推出了便攜式的相控陣儀器，可以實現現場動態波束控制、電子掃描和實時成像等功能^[15-17]，如R-D?tech、GE、Siemens公司等。超聲相控陣檢測領域逐步擴大。在超聲相控陣檢測技術諸多應用中，如能夠使超聲相控陣驅動器具備正交各向異性性能，預計將會更有效提高激發對信噪比，如能夠預設精細可控強度信號補償機制等措施，相控陣驅動器的抗干擾性能、檢測精度的改進等，諸項功能的實現將對超聲相控陣成像分辨率有著重要的影響。