一種超聲探傷用橫波斜探頭的製作方法

2023-05-26 23:11:46 3

專利名稱：一種超聲探傷用橫波斜探頭的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種工業產品用探傷儀器，特別是一種用於工業產品中檢測金屬缺陷的超聲探傷用的橫波斜探頭。
背景技術：
在某些工業產品的製造過程中，為確保產品使用的可靠性，需要在零部件或整體結構完成後對其進行無損檢測，如壓力容器的焊縫，鋼軌的內部缺陷等，目前無損檢測主要由X光檢測和超聲探傷，其中超聲探傷的探頭(如圖3所示)由壓電晶片1、有機玻璃斜塊2、背材3、信號線4和地線5、有機玻璃塊吸收膠6等構成。壓電陶瓷片1的兩上電極表面分別焊接信號線4和地線5，並通過它們與主機連接。壓電陶瓷片1通過信號線4接受激勵電信號後發射超聲波。向前傳播的超聲波進入有機玻璃斜塊2，並以一定的角度傾斜入射於斜塊底面耦合的工件，在工件內產生折射橫波，用於進行檢測；聲吸收膠6灌注於有機玻璃斜塊2的前沿，用於吸收掉有機玻璃塊裡反射的雜波；向後傳播的超聲波進入背材，在背材裡面傳播並被衰減和吸收掉，以消除對檢測信號的幹擾。但上述結構的橫波斜探頭，由於其常用的PZT壓電陶瓷片的聲阻抗率為34×106Pa·s/m，有機玻璃斜塊的聲阻抗率為3.1×106Pa·s/m，聲阻抗不匹配，造成探頭靈敏度和軸向分辯率低，中國專利CN2197665Y公開了一種鋼軌超聲探傷探頭，該專利主要從探頭的幾何結構上進行改進，通過減少探頭尺寸，使探頭面與工作面更容易耦合，從而使聲波更多的進入工件，以此來提高探頭的靈敏度，但在聲學結構上，特別是在聲學阻抗上的合理匹配，沒有提出進一步的技術方案。

發明內容
本實用新型的目的在於針對上述存在問題提供一種具有高靈敏度和軸向分辯率的超聲探傷用橫波斜探頭。
本實用新型的技術方案是一種超聲探傷用橫波斜探頭，包括一帶斜面且一端設有吸收膠的有機玻璃塊及設置於有機玻璃塊斜面上的壓電陶瓷片、背材、信號線和地線，其特點是所述有機玻璃塊斜面與壓電陶瓷片之間設有聲學匹配層。
上述聲學匹配層的形式有多種，可為一層匹配層，也可為兩層匹配層，其中，當聲學匹配層為一層時，該匹配層為由環氧樹脂與二氧化鋯固化而成，其聲阻抗率為6.9×106Pa·s/m，匹配層厚度為聲波波長的四分之一厚。當聲學匹配層為兩層時，其具體結構是，第一匹配層為石英玻璃，第二匹配層由環氧樹脂與二氧化鋯固化而成時，其中上述石英玻璃的聲阻抗率為12.2×106Pa·s/m；上述環氧樹脂與二氧化鋯的固化物的聲阻抗率為4.4×106Pa·s/m；第一匹配層和第二匹配層的厚度均為聲波波長的四分之一。
本實用新型由於採用了在橫波斜探頭的有機玻璃塊斜面與壓電陶瓷片之間設置的聲學匹配層，不僅實現了兩種聲阻抗率差別較大的傳播媒質間的聲阻抗過渡，增加了聲透射的能量，而且使壓電陶瓷片和有機玻璃塊的聲阻抗更趨匹配，大大提高了探頭的靈敏度和軸向分辯率。


圖1為本實用新型聲學匹配層為一層時的結構示意圖；圖2為本實用新型聲學匹配層為雙層時的結構示意圖；圖3為本實用新型現有技術中探頭結構示意圖。
具體實施方式
本實用新型如圖1、圖2所示，一種超聲探傷用橫波斜探頭，其具體結構包括一帶斜面2a且一端設有吸收膠6的有機玻璃塊2及設置於有機玻璃塊2斜面上的壓電陶瓷片1、背材3、信號線4和地線5，其特點是所述有機玻璃塊2斜面2a與壓電陶瓷片1之間設有聲學匹配層7。上述匹配層厚度為聲波波長的四分之一，所述匹配層厚度既與匹配層材料的聲速有關，也和探頭的工作頻率有關。材料聲速越高，工作頻率越低，則匹配層厚度越厚。當上述聲學匹配層7為一層，該層由環氧樹脂與二氧化鋯固化而成時，其聲阻抗率為6.9×106Pa·s/m，其匹配層厚度為聲波波長的四分之一，當測得環氧樹脂與二氧化鋯固化物聲速為2900m/s，探頭工作頻率為2.5MHz時，則其匹配層厚度為0.29mm。當然上述聲學匹配層7也可以為雙層，所述第一匹配層7a為石英玻璃，第二匹配層7b由環氧樹脂與二氧化鋯固化而成，其中上述石英玻璃的聲阻抗率為12.2×106Pa·s/m，其匹配層厚度為聲波波長的四分之一，當測得石英玻璃的聲速為5500m/s，探頭工作頻率為2.5MHz時，則探頭其厚度為0.55mm。上述環氧樹脂與二氧化鋯的固化物的聲阻抗率為4.4×106Pa·s/m，當測得其聲速為2870m/s，探頭工作頻率為2.5MHz時，則其厚度為0.287mm。上述石英玻璃設置於壓電陶瓷片1的下表面，上述環氧樹脂與二氧化鋯的固化物設置於有機玻璃塊2斜面2a與石英玻璃之間。上述聲學匹配層7與有機玻璃塊2斜面2a和壓電陶瓷片1之間為粘合。
本實用新型採用上述結構是針對現有技術中的不足而進行改進的，在現有技術中，一般的工業用橫波斜探頭的壓電陶瓷片1和有機玻璃斜塊2直接黏結。由於壓電陶瓷片1的聲阻抗為34×106Pa·s/m，而有機玻璃斜塊的聲阻抗為3.1×106Pa·s/m，兩者的聲阻抗差別很大，聲波由壓電陶瓷片1進入有機玻璃斜塊2時透射係數低，造成探頭靈敏度和軸向解析度降低。本實用新型為增加透射係數在壓電瓷片1和有機玻璃塊2之間設置一聲學匹配層，所述聲學匹配層是指加在兩種聲阻抗率差別很大的傳播媒質間，具有確定的聲阻抗率和厚度的聲學薄層，以實現媒質間的聲阻抗過渡，增聲透射的能量。所述聲學匹配層可以是上述結構中所描述的單層或雙層，其匹配層的厚度一般為聲傳播波長的四分之一，其聲阻抗率也是按KLM模型進行計算而得出的，採用上述結構後，可實現聲阻抗的過渡，從而使探頭的靈敏度和軸向分辯率得以提高。
權利要求1.一種超聲探傷用橫波斜探頭，包括一帶斜面(2a)且一端設有吸收膠(6)的有機玻璃塊(2)及設置於有機玻璃塊(2)斜面上的壓電陶瓷片(1)、背材(3)、信號線(4)和地線(5)，其特徵在於所述有機玻璃塊(2)斜面(2a)與壓電陶瓷片(1)之間設有聲學匹配層(7)。
2.根據權利要求1所述的超聲探傷用橫波斜探頭，其特徵在於上述聲學匹配層(7)為一層，由環氧樹脂與二氧化鋯固化而成，其聲阻抗率為6.9×106Pa·s/m，其厚度為聲波傳播時波長的四分之一。
3.根據權利要求1所述的超聲探傷用橫波斜探頭，其特徵在於上述聲學匹配層(7)為雙層，所述第一匹配層(7a)為石英玻璃，第二匹配層(7b)由環氧樹脂與二氧化鋯固化而成，其中上述石英玻璃的聲阻抗率為12.2×106Pa·s/m，其厚度為聲波波長的四分之一。上述環氧樹脂與二氧化鋯的固化物的聲阻抗率為4.4×106Pa·s/m，其厚度為聲波波長的四分之一。
4.根據權利要求1或3所述的超聲探傷用橫波斜探頭，其特徵在於上述石英玻璃設置於壓電陶瓷片(1)的下表面，上述環氧樹脂與二氧化鋯的固化物設置於有機玻璃塊(2)斜面(2a)與石英玻璃之間。
5.根據權利要求1所述的超聲探傷用橫波斜探頭，其特徵在於上述聲學匹配層(7)與有機玻璃塊(2)斜面(2a)和壓電陶瓷片(1)之間為粘合。
專利摘要一種超聲探傷用橫波斜探頭，包括一帶斜面且一端設有吸收膠的有機玻璃塊及設置於有機玻璃塊斜面上的壓電陶瓷片、背材、信號線和地線，其特點是所述有機玻璃塊斜面與壓電陶瓷片之間設有聲學匹配層。本實用新型由於採用了在橫波斜探頭的有機玻璃塊斜面與壓電陶瓷片之間設置的聲學匹配層，不僅實現了兩種聲阻抗率差別較大的傳播媒質間的聲阻抗過渡，增加了聲透射的能量，而且使壓電陶瓷片和有機玻璃塊的聲阻抗更趨匹配，大大提高了探頭的靈敏度和軸向解析度。
文檔編號G01N29/04GK2648445SQ20032011711
公開日2004年10月13日 申請日期2003年10月17日 優先權日2003年10月17日
發明者吳錦川, 蔡恆輝 申請人:汕頭超聲儀器研究所