高頻窄脈衝水浸聚焦超聲波探頭的製作方法

2023-09-21 08:57:30 1

專利名稱：高頻窄脈衝水浸聚焦超聲波探頭的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於超聲檢測技術領域，特別涉及一種用於檢測工件微小缺陷的高頻窄脈衝水浸聚焦超聲波探頭。
背景技術：
超聲波探傷是屬於無損檢測中主要的一種。從超聲波反射波的位置和波形即可得到金屬內部缺陷的深度和缺陷的性質。目前，超聲波無損探傷廣泛地應用於鍛件、鑄件和焊接件的質量檢測。常規無損檢測方法很難發現精密機械加工零件內部的微小缺陷。厚度在8_以下的工件，使用常規的射線檢測難以很好地檢出其內部缺陷，通常只能使用滲透和磁粉等表面檢測方法檢測工件表面微小缺陷，但對於結構複雜的工件難以實現自動無損檢測。常規超聲檢測檢測盲區較大，解析度、靈敏度均不足，工件的微小缺陷和近表面缺陷難以檢測。

實用新型內容本實用新型的目的是設計一種高頻窄脈衝水浸聚焦超聲波探頭，包括壓電晶片、背襯和外殼,在壓電晶片前方有聲透鏡聚焦超聲波聲束。本實用新型設計的高頻窄脈衝水浸聚焦超聲波探頭包括壓電晶片、背襯和外殼，圓筒形的外殼一端安裝壓電晶片，另一端為接頭，連接壓電晶片的電纜線從接頭引出，外殼內壓電晶片後方安裝有背襯，在壓電晶片前方、外殼端部安裝聲透鏡，聲透鏡聚焦超聲波聲束，並可保護壓電晶片。外殼的外部為密封，以保證水浸條件下安全工作。探頭在耦合劑水中不與工件直接接觸，超聲波的發射與接收比較穩定，探頭不易磨損，壽命長，易於實現自動化在線檢測，並且超聲波在水中便於實現聚焦聲束檢測，滿足高靈敏度、高解析度的檢測要求。本超聲波探頭為8MHz 16MHz的高頻超聲波探頭具有聲束窄，擴散角小、分辨力好，能量集中、缺陷定位準確等特點，適合微小缺陷的有效檢測。本高頻窄脈衝超聲波探頭為產生脈衝寬度僅為70ns 200ns的窄脈衝超聲波探頭，窄脈衝包含的不同頻率諧波都有自己的近場、遠場和軸線上的聲壓分布規律，在近場區內不同頻率諧波的聲壓疊加時，峰谷值相互抵消，使得近場區的聲壓-距離曲線趨於平滑，有利於近場區的檢測，有效降低盲區、提高解析度。所述壓電晶片為直徑5 8_的小晶片，小晶片超聲波探頭近場區內聲束窄，有利於缺陷定位與定量，適合較小厚度工件的檢測。所述壓電晶片為鈦酸鋰材料晶片，壓電性能優秀。超聲探頭髮出的超聲波會在壓電晶片受到電脈衝激勵後在晶片的兩側同時產生，利用晶片正面的超聲波進行超聲檢測，而晶片背面的超聲波會在反射後產生影響接收信號的幹擾波，又由於晶片振動的慣性作用，在電脈衝停止激勵後晶片繼續振動，從而引起探頭脈衝寬度變大，缺陷解析度降低，在晶片背面安裝高性能的背襯是改變探頭性能的有效方法。所述背襯為不同目數的鎢粉和環氧樹脂混合製成的高阻尼背襯，對壓電晶片起阻尼和支撐作用，使壓電晶片起振後儘快停止振動，減小脈衝寬度，提高解析度。同時背襯還吸收壓電晶片背面產生的超聲波，減小對超聲信號接收的幹擾，提高檢測可靠性。所述電纜線為雙層屏蔽高頻同軸電纜線，將傳輸的信號完全封閉在電纜導體內部，具有高頻損耗低、屏蔽及抗幹擾能力強、使用頻帶寬等特點。在檢測過程中可屏蔽外部環境電波對探頭激勵脈衝和回波脈衝的幹擾，並可以防止探頭的高頻脈衝以電磁波的形式向外輻射影響其他電器。本實用新型高頻窄脈衝水浸聚焦超聲波探頭的優點為:融合了高頻率、水浸聚焦、窄脈衝等多種性質，回波信號具有脈衝持續時間短、波形單峰性、頻帶寬和探頭標稱頻率與實測中心頻率應一致等特點，利於提高超聲檢測系統的解析度、靈敏度和信噪比，更易發現微小缺陷。

圖1為本高頻窄脈衝水浸聚焦超聲波探頭實施例的結構示意圖；圖內標號為:1、接頭，2、夕卜殼,3、背襯,4、電纜線,5、壓電晶片,6、聲透鏡。圖2為IOMHz和15MHz的本實施例檢測所得波形圖和頻譜圖。A為本例15MHz探頭產生的超聲波脈衝波形圖；B為本例15MHz探頭產生的超聲波脈衝波形的頻譜圖C為本例IOMHz探頭產生的超聲波脈衝波形圖；D為本例IOMHz探頭產生的超聲波脈衝波形的頻譜圖。
具體實施方式
本高頻窄脈衝水浸聚焦超聲波探頭實施例如圖1所示，包括壓電晶片5、背襯3和外殼2，圓筒形的外殼2 —端安裝壓電晶片5，另一端為接頭I，連接壓電晶片5的電纜線4從接頭I引出，外殼2內在壓電晶片5後方安裝有背襯3,在壓電晶片5前方、夕卜殼2端部安裝聲透鏡6。外殼2的外部為密封。本超聲波探頭為IOMHz或15MHz的高頻窄脈衝超聲波探頭。所述壓電晶片5為直徑6mm的小晶片。所述背襯3為不同目數的鎢粉和環氧樹脂混合製成的高阻尼背襯。所述電纜線4為雙層屏蔽高頻同軸電纜線。以歐洲標準學會頒布的EN12668-2:2001《無損檢測-超聲檢查設備的表徵及驗證-探頭》作為測試標準，並結合其它國際標準，對本實施例的水浸超聲波探頭的頻率特性進行測試。該歐洲標準規定了中心頻率在0.5 15MHz液浸聚焦探頭的回波頻率特性的測試方法。實驗設備採用基於CTS-04PC超聲探傷卡組成的自動超聲檢測系統作為測試儀器，同時配有長度2πι、50Ω的雙層同軸電纜線與探頭相連，並使用尖電脈衝激勵探頭，對指定靶體產生的回波信號進行分析。靶體採用玻璃大平面反射體，靶體的橫向尺寸應比探頭在聚焦區末端的聲束直徑寬10倍，厚度比探頭波長厚5倍。所以選擇長寬厚分別為80mm、80mm,30mm的玻璃平板作為靶體。[0026]安裝檢測儀器與靶體，調整被測探頭與玻璃平板反射體的距離至焦距長度，微調探頭角度使探頭軸線與回波聲束處於同軸狀態，此時從反射體上表面返回的回波聲壓瞬時值達到最大，採集此時超聲回波即為射頻脈衝的波形；再利用離散型傅立葉轉換，以閘門監控反射體回波並確定頻譜。檢測結果如圖2所示，圖2的C和D分別為本例IOMHz探頭產生的超聲波脈衝波形圖和頻譜圖，可以看出IOMHz的高頻窄脈衝超聲探頭的回波信號脈衝寬度僅為140ns，相對帶寬卻有56% ;從圖2的A和B分別為本例15MHz探頭產生的超聲波脈衝波形圖和頻譜圖，15MHz的高頻窄脈衝超聲探頭的回波信號脈衝寬度僅為70ns，相對帶寬卻有110%，並具有脈衝寬度窄、波形單峰性、頻帶寬和探頭標稱頻率與實測中心頻率應一致等特點。具備該特點的探頭在檢測中具有優秀的探傷解析度和數據的再現能力。在實際的檢測中可發現0.3 0.5mm的微小缺陷。上述實施例，僅為對本實用新型的目的、技術方案和有益效果進一步詳細說明的具體個例，本實用新型並非限定於此。凡在本實用新型的公開的範圍之內所做的任何修改、等同替換、改進等，均包含在本實用新型的保護範圍之內。
權利要求1.高頻窄脈衝水浸聚焦超聲波探頭，包括壓電晶片(5)、背襯(3)和外殼(2)，圓筒形的外殼(2)—端安裝壓電晶片(5)，另一端為接頭(1)，連接壓電晶片(5)的電纜線(4)從接頭(O引出，外殼(2)內在壓電晶片(5)後方安裝有背襯(3)，其特徵在於: 所述壓電晶片(5)前方、外殼(2)端部安裝聲透鏡(6);所述外殼(2)的外部為密封。
2.根據權利要求1所述的高頻窄脈衝水浸聚焦超聲波探頭，其特徵在於: 所述超聲波探頭為8MHz 16MHz的高頻超聲波探頭。
3.根據權利要求2所述的高頻窄脈衝水浸聚焦超聲波探頭，其特徵在於: 所述超聲波探頭為為產生脈衝寬度70ns 200ns的窄脈衝超聲波探頭。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的高頻窄脈衝水浸聚焦超聲波探頭，其特徵在於: 所述壓電晶片(5 )為直徑5 8mm的小晶片。
5.根據權利要求1至3中任一項所述的高頻窄脈衝水浸聚焦超聲波探頭，其特徵在於: 所述壓電晶片(5)為鈦酸鋰材料晶片。
6.根據權利要求1至3中任一項所述的高頻窄脈衝水浸聚焦超聲波探頭，其特徵在於: 所述電纜線(4)為雙層屏蔽高頻同軸電纜線。
專利摘要本實用新型為高頻窄脈衝水浸聚焦超聲波探頭，圓筒形外殼一端安裝壓電晶片另一端為接頭，連接壓電晶片的電纜線從接頭引出，外殼內壓電晶片後方安裝有背襯，在壓電晶片前方、外殼端部安裝聲透鏡，聲透鏡聚焦超聲波聲束並保護壓電晶片。外殼外部為密封。本探頭為8～16MHz高頻、脈衝寬度僅為70～200ns，有利於近場區的檢測，有效降低盲區、提高解析度。壓電晶片為直徑5～8mm的小晶片，近場區內聲束窄，有利於缺陷定位與定量，適合較小厚度工件的檢測。電纜線為雙層屏蔽高頻同軸電纜線。本探頭融合了高頻、水浸聚焦、窄脈衝，回波脈衝持續時間短、波形單峰性，利於提高超聲檢測的解析度、靈敏度和信噪比，更易發現微小缺陷。
文檔編號G01N29/24GK202974955SQ20122063785
公開日2013年6月5日 申請日期2012年11月27日 優先權日2012年11月27日
發明者薛興, 李寶強, 鍾慶華 申請人:桂林電子科技大學