[發明專利]一種組合式超聲波收發一體換能器

在審

• 申請號: 201510638090.1
• 申請日: 2015-10-07
• 公開（公告）號: CN105214926A
• 公開（公告）日: 2016-01-06
• 發明（設計）人: 陳建明;劉楷安;王亭嶺;曹文思;王成鳳;尚華;趙明明;白磊;陳嘉琦;劉子介;張喆;鄭彥青;郭香靜;李秋菊
• 申請（專利權）人: 華北水利水電大學
• 主分類號: B06B1/06
• 分類號: B06B1/06
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域：本發明屬于超聲波檢測領域，具體涉及非金屬材料超聲波測厚、非金屬構件超聲波探傷等方面的應用。

背景技術：目前，在工業上超聲檢測主要應用于金屬構件的探傷、物體間的距離檢測和液體或氣體的流速測量等，所以常用的超聲波換能器通常由一個或兩個換能原件組成一個換能器，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，由于內部換能原件數量少(1～2個)，在使用過程中，對于類似混凝土等聲阻較大的非金屬材料，由于材料對聲波的散射、吸收造成超聲波衰減嚴重，即使采用透射法測量以減少生能量損失，也不能有效的檢測非金屬材料的外廓尺寸和內部缺陷。其次，現有的工業超聲檢測采用的是0.25MH_Z～12MH_Z的聲波，屬于中、高超聲頻段，對于類似混凝土等非金屬高聲阻材料聲波傳輸衰減迅速，聲波收發功率小。而且，換能原件的結構參數未針對高聲阻材料應用進行特別設計，更沒有考慮換能原件之間相互匹配優化問題，也不具備工作模式轉換和聚焦功能(適用性要求：針對不同的被測材料，工作模式轉換和聚焦通常需要調整)，效率低信號弱，而且換能器參數固定不可調節。因此，針對非金屬高聲阻材料(或對聲波強吸收的材料)超聲檢測應用，目前采用的單晶換能器或雙晶換能器不能正常使用。

另外，目前超聲波進入被檢工件的方式，主要有接觸法：超聲波探頭通過薄層的液體或流體耦合介質直接與被檢工件的探測面接觸；液浸法：將被檢件置于水槽或在工件與探頭之間噴水流。而這兩種方法會給有些工業檢測應用造成一定的不便，還可能會污染被測工件。

發明內容：

本發明的目的：針對非金屬高聲阻材料(或對聲波強吸收的材料)超聲檢測應用，研發了一種特別設計的大功率、可轉換工作模式的組合式超聲波收發一體換能器。同時，本發明中的組合式收發一體超聲波換能器能實現良好的干耦合測量，避免了超聲檢測中通常需要耦合劑的麻煩。

本發明的技術方案：

一種組合式超聲波收發一體換能器，裝置整體內部包括四個軸對稱的圓柱形腔體，腔體之間由吸音材料形成的隔音層分割，每個腔體沿軸向從上到下由吸音材料、壓電晶片獨立封裝體、和耦合裝置組成，腔體的上部是一體化驅動電路板，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一體的換能器。

壓電晶片獨立封裝體由保護套、阻尼塊和壓電晶片組成，阻尼塊使用環氧樹脂與鎢粉混合后澆注在壓電晶片背面,以達到阻尼作用,四個壓電晶片封裝體傾斜對稱安裝于四個腔體中，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射晶片組，另外一組壓電晶片作為接收晶片組，為了加以區別，發射晶片組的兩片壓電晶片稱為1號和3號晶片，作為接收晶片的兩片壓電晶片稱為2號和4號晶片；

壓電晶片獨立封裝體中的保護套是由金屬制成的圓柱形殼體，上表面有一個開孔，用于穿過導線，導線用來連接一體化驅動電路和壓電晶片；無下表面，壓電晶片直接與耦合裝置的延時塊接觸；

耦合裝置從上到下由延時塊，耦合彈簧和耦合塊組成；

延遲塊是由有機玻璃做成的鍥形塊，耦合塊由耐磨橡膠和塑料膜組成，金屬制成的耦合彈簧位于延時塊的下方，耦合塊的上方，與延時塊和耦合塊通過預應力壓緊；

一體化驅動電路由控制器，四通道可控模擬開關，和信號處理環節組成；其中，信號處理環節由選通控制和功率模塊電路組成。

兩片作為發射晶片的壓電晶片，采用鋯鈦酸鉛的陶瓷片PZT4，經過篩選配對成發射組，兩片作為接收壓電晶片的壓電晶片，采用鋯鈦酸鉛PZT5，經過篩選配對成接收組，還進行了發射組和接收組的機電匹配；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而成的多晶體。具有正壓電效應和負壓電效應。P-4：鐵鉑、錳鈣改性鋯鈦酸鉛，P-5:屬La、Nb改性二元系材料。