超聲導波弛豫鐵電單晶傳感器封裝的保壓裝置的製作方法

2023-12-05 12:12:01 1

本實用新型涉及一種用於管道無損檢測的單晶傳感器，特別涉及一種單晶傳感器封裝的保壓裝置，屬於無損檢測技術領域。

背景技術：

超聲導波檢測作為一種新興的無損檢測技術，已廣泛運用於檢測管道、鐵軌、高速公路防撞護欄和鐵軌等結構體中的缺陷。超聲導波運用低頻超聲波對結構體進行檢測，其衰減較小，因此可實現長距離檢測；超聲導波在結構體中的振動遍及結構體的整個截面，因此可對結構體進行全面檢測。

超聲導波的激勵和接收在超聲導波檢測中尤為重要，能否激勵出期望的導波模態直接關係到檢測的可靠性。在試驗室環境下可以運用壓電晶片直接粘結在管道上進行缺陷檢測，但此方法不適用於工程檢測，因為壓電晶片粘結在管道上以後無法取下，不能重複利用。因此，實際檢測時需要對壓電晶片進行封裝，製作成傳感器。

現有的超聲波傳感器封裝方法為將壓電元件固定在傳感器外殼內，然後將環氧樹脂膠水和軟木粉或金屬粉末混合後灌入外殼內。由於環氧樹脂膠水在固化過程中會產生收縮現象，這必將使壓電元件內部產生一定的壓應力，降低了傳感器的靈敏度。

中國實用新型專利CN201107299Y公開了一種高性能管道超聲導波檢測傳感器，該專利公開了超聲導波弛豫鐵電單晶傳感器的主要結構，其背襯層運用灌裝的方式進行封裝，一定程度上降低了傳感器靈敏度。

中國實用新型專利CN101325824A公開說明書公開了一種超聲波傳感器的製造方法，該方法運用焊接的方法用導線把壓電片的電極引到導電體上，焊接時必然伴隨著對壓電片進行一定程度加熱，這會導致壓電片一定程度的退極化，降低了壓低片的壓電常數，進而降低傳感器的靈敏度。

技術實現要素：

本實用新型的目的是提供一種操作簡單，對人員技術要求較低，成本低，成品率高的超聲導波弛豫鐵電單晶傳感器封裝的保壓裝置。

本實用新型的目的通過以下技術方案予以實現：

一種超聲導波弛豫鐵電單晶傳感器封裝的保壓裝置，包括頂緊螺栓、殼體、上壓塊、下壓塊和導向彈性支撐機構，所述殼體呈矩形，包括連接成一體的上邊、下邊和兩個側邊，所述頂緊螺栓下端垂直擰入殼體的上邊後抵靠在上壓塊上端面上，上壓塊下端面抵靠在下壓塊的上側，下壓塊四角通過導向彈性支撐機構支撐在殼體的下邊上；所述導向彈性支撐機構包括分別設置在下壓塊四角的導向孔、導向螺釘和彈簧；導向螺釘上端的光杆與下壓塊對應的導向孔間隙配合，導向螺釘下端擰入下邊中，彈簧套在導向螺釘中部上，且位於下壓塊和下邊之間。

本實用新型的目的還可以通過以下技術措施來進一步實現。

進一步的，其中所述導向螺釘上端的光杆垂直方向上刻有刻度；所述上壓塊呈T形，所述T形的上橫邊上側設有與頂緊螺栓下端端頭間隙配合的上壓塊沉孔。所述T形的垂直邊的寬度與傳感器寬度相同。

進一步的，其中所述下壓塊上側設有放置傳感器的下壓塊沉孔。

本實用新型採用頂緊螺栓和導向彈性支撐機構夾持粘接體的型式，通過上、下壓塊對封裝的進行對壓，並可通過導向螺釘上端光杆上的刻度設定保壓力，結構簡單，使用方便，提高了弛豫鐵電單晶傳感器的封裝質量，降低了壓電晶片在封裝時產生的內應力，提高了弛豫鐵電單晶傳感器的靈敏度，提高了成品率，降低了的弛豫鐵電單晶傳感器的製造成本。

本實用新型的優點和特點，將通過下面優選實施例的非限制性說明進行圖示和解釋，這些實施例，是參照附圖僅作為例子給出的。

附圖說明:

圖1 是本實用新型保壓裝置的主視圖；

圖2 是圖1的A-A剖視圖；

圖3是導向螺釘上端的光杆垂直方向上刻有刻度的放大示意圖；

圖4是匹配層和壓電晶片組件與背襯層粘接後的立體圖；

圖5是匹配層和壓電晶片組件、背襯層與外殼和同軸連接器的裝配過程的立體圖；

圖6是弛豫鐵電單晶傳感器的結構示意圖。

具體實施方式：

下面結合附圖和實施例，對本實用新型作進一步詳述，所舉實施例僅用於解釋本實用新型，並不構成對本實用新型保護範圍的限定。

如圖1～圖3所示，本實施例的超聲導波弛豫鐵電單晶傳感器封裝的保壓裝置1包括頂緊螺栓11、殼體12、上壓塊13、下壓塊14和導向彈性支撐機構15，殼體12呈矩形，包括連接成一體的上邊121、下邊122和兩個側邊123，頂緊螺栓下11端垂直擰入殼體12的上邊121後抵靠在上壓塊13上端面上，上壓塊13下端面抵靠在下壓塊14的上側，下壓塊14四角通過導向彈性支撐機構15支撐在殼體的下邊122上。下壓塊14上側設有放置傳感器的下壓塊沉孔141。

上壓塊13呈T形，所述T形的上橫邊131上側設有與頂緊螺栓11下端端頭間隙配合的上壓塊沉孔133，T形的垂直邊132的寬度與傳感器寬度相同。本實施例的下壓塊14的下部垂直邊132的寬度為4mm，使得保壓時被保壓部件受力均勻。

導向彈性支撐機構15包括分別設置在下壓塊14四角的導向孔141、導向螺釘151和彈簧152，導向螺釘151上端的光杆151-1與下壓塊14對應的導向孔141間隙配合構成簡易的導套導柱結構，導向螺釘151下端擰入下邊122中，彈簧152套在導向螺釘151中部上，且位於下壓塊14和下邊122之間。導向螺釘151上端的光杆151-1垂直方向上刻有刻度151-2，可以根據彈簧152的壓縮量來計量彈簧152的受力。本實施例彈簧152的K值為0.5N/mm，設置10N保壓力時彈簧152的壓縮量為5mm。

如圖4～圖6所示，採用本實用新型對封裝的弛豫鐵電單晶傳感器的保壓過程如下：

1）粘結匹配層21和壓電晶片22

將聲阻抗接近碳鋼管的不鏽鋼片作為匹配層21放置在工作檯上，用環氧樹脂膠均勻塗覆在匹配層21上，將壓電晶片22的負極面與匹配層21粘結。壓電晶片22採用長度伸縮型弛豫鐵電單晶片，本實施例的壓電晶片22尺寸為25mm×4mm×1mm，壓電晶片22的正負電極面鍍銀，負極通過壓電晶片224的側面經過兩次彎折引到壓電晶片22的正面，引出的負極長度為3mm，正極面的實際長度為20mm，正負極之間的間距為2mm。

2）對匹配層21和壓電晶片22組件加壓並保壓

將粘結後的匹配層21和壓電晶片22組件的中心對準保壓裝置1的下壓塊沉孔141中心後放入到下壓塊沉孔141中；旋轉頂緊螺栓11，使頂緊螺栓11推動上壓塊13壓緊匹配層21和壓電晶片22組件，下壓塊14壓住彈簧152下沉，直至導向螺釘151上端的光杆151-1的刻度指示上壓塊13和下壓塊14對匹配層21和壓電晶片22組件已有10N的壓力，在此壓力下常溫保壓12小時。

3）製備背襯層23

將環氧樹脂膠、碳化矽和聚硫橡膠混合後澆灌到模具中製成長方體形的背襯層23，本實施例的背襯層外形為長方體形，其平尺寸為25mm×4mm×5mm。背襯層高度方向與水平方向相鄰的兩個面的中心向上分別開槽，槽的寬度為2mm，深度為0.2mm，用於嵌入電極銅箔。

4）正極銅箔24和負極銅箔25定位在壓電晶片22上並與背襯層21粘接

將經過步驟2）加壓和保壓的匹配層21和壓電晶片22組件水平放置在工作檯上，使壓電晶片22具有正負極的一面朝上；將垂直於匹配層21和壓電晶片22組件縱向的正極銅箔24放置在壓電晶片22的縱向中心，其中，正極銅箔24與壓電晶片22正極面的重疊長度為3mm；接著將垂直於匹配層21和壓電晶片22組件的負極銅箔25橫向放置在壓電晶片22橫向一側中心，負極銅箔25與壓電晶片22負極面的重疊長度為3mm；然後將環氧樹脂膠均勻塗覆在背襯層23的下面後將背襯層23粘結到壓電晶片22上，此時正極銅箔24及負極銅箔25壓在背襯層23和壓電晶片22之間。

5）對匹配層21和壓電晶片22組件與背襯層23的粘接體加壓並保壓

先將粘結後的匹配層21和壓電晶片22組件與背襯層23的粘接體中心對準保壓裝置1的下壓塊沉孔141中心，再放入到下壓塊沉孔141中；旋轉頂緊螺栓11，使頂緊螺栓11推動上壓塊13壓緊匹配層21和壓電晶片22組件與背襯層23的粘接體，下壓塊14壓住彈簧152下沉，直至導向螺釘151上端的光杆151-1的刻度指示上壓塊13和下壓塊14對匹配層21和壓電晶片22組件與背襯層23的粘接體已有10N的壓力，在此壓力下常溫下保壓12小時；

6）裝配外殼26

先將正極導線27一端和負極導線28一端分別與對應的正極銅箔24上端和負極銅箔25上端焊連，然後將正極導線27和負極導線28從外殼26上部的圓孔261中引出。用環氧樹脂膠均勻塗塗覆在背襯層23上部，然後將匹配層21和壓電晶片22組件與背襯層23的粘接體套進外殼26內，使得外殼26與粘接體粘接成一體。將絕緣漆均勻塗覆於正極銅箔24和負極銅箔25的外表面及其與正極導線27一端和負極導線28焊接點，靜置30分鐘至絕緣漆凝固。絕緣漆可以防止正極銅箔24和負極銅箔25同時與外殼26接通而發生短路。焊接溫度為240℃，焊錫絲選用0.5mm無鉛焊錫絲。

7）對匹配層21和壓電晶片22組件、背襯層23和外殼26的粘接體加壓並保壓

將粘結後的匹配層21和壓電晶片22組件與背襯層23、外殼26的粘接體中心對準保壓裝置1的下壓塊沉孔141中心後放入到下壓塊沉孔141中；旋轉頂緊螺栓11，使頂緊螺栓11推動上壓塊13壓緊匹配層21和壓電晶片22組件與背襯層23、外殼26的粘接體，下壓塊14壓住彈簧152下沉，直至導向螺釘151上端的光杆151的刻度指示上壓塊13和下壓塊14對匹配層21和壓電晶片22組件與背襯層23、外殼26的粘接體已有10N的壓力，在此壓力下常溫下保壓12小時。

8）裝配同軸連接器29

先將正極導線27另一端與同軸連接器29中的中間針腳焊連，再將負極導線28另一端與同軸連接器29的邊緣針腳焊連，用環氧樹脂膠均勻塗覆在同軸連接器28的外表面，然後將同軸連接器29裝配到外殼26上部的圓孔261中，使同軸連接器29上端面與外殼26上端面保持平齊。

9）對匹配層21和壓電晶片22組件、背襯層23和裝有同軸連接器29的外殼26粘接體加壓並保壓

將粘結後的匹配層21和壓電晶片22組件、背襯層23和裝有同軸連接器29的外殼26粘接體的中心對準保壓裝置1的下壓塊沉孔141中心後放入到下壓塊沉孔141中；旋轉頂緊螺栓11，使頂緊螺栓11推動上壓塊13壓緊匹配層21和壓電晶片22組件、背襯層23和裝有同軸連接器29的外殼26的粘接體，下壓塊14壓住彈簧152下沉，直至導向螺釘151上端的光杆151-1的刻度指示上壓塊13和下壓塊14對匹配層和壓電晶片22組件與背襯層23、裝有同軸連接器29的外殼26的粘接體已有10N的壓力，在此壓力下常溫下保壓12小時。

10）粘結擋片30

選用有機玻璃板作為擋片30，將環氧樹脂膠均勻塗覆在擋片30一側面上，然後在匹配層21和壓電晶片22組件、背襯層23和裝有同軸連接器29的外殼26的粘接體的縱向兩端端面各粘接一片擋片30；將匹配層21和壓電晶片22組件、背襯層和裝有同軸連接器29的外殼26的粘接體在常溫下靜置12小時，使環氧樹脂膠完全固化，完成超聲導波弛豫鐵電單晶傳感器的封裝。擋片起到固定背襯層23、壓電晶片22和匹配層21的作用，並保護壓電晶片22免受外界機械力損壞或者化學腐蝕。本實施例擋片30的尺寸為4mm×1mm×6mm。

除上述實施例外，本實用新型還可以有其他實施方式，凡採用等同替換或等效變換形成的技術方案，均落在本實用新型要求的保護範圍內。