專利名稱：一種經(jīng)改進的250℃溫度下測厚用的超聲波傳感器的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種經(jīng)改進的250℃溫度下測厚用的超聲波傳感器，屬于超聲波測厚領域。
鋼板厚度的均勻性，是檢測其品質(zhì)的重要指標之一。要保證鍋爐與管道的正常工作，它們壁厚需要定期或隨機的進行測試，這些都離不開利用超聲波脈沖反射原理來測定工件厚度的超聲波測厚技術(shù)。
在這個檢測領域中，常溫超聲波測厚儀雖已被廣泛應用于石化工業(yè)、造船業(yè)、汽車制造、電站、機器制造業(yè)中對鍋爐、儲油罐、管道、管材、板坯、鍛件、法蘭、船殼、甲板、軌道、機加工零件等的厚度測量和腐蝕測量。但在很多的工作場合，人們需要的是可在高溫下工作的高溫超聲波測厚儀，如前所述的對鋼板厚度的均勻性和對鍋爐與管道壁厚的檢測，這就涉及到在高溫下測厚用的超聲波傳感器。
測厚用的超聲波傳感器，是超聲波測厚儀的重要組成部分，要解決高溫下的超聲波測厚，首先要有能在高溫下正常工作的壓電陶瓷，以保證高溫超聲波測厚儀傳感器在常溫和高溫下檢測的情況一致。這是高溫超聲波測厚儀傳感器的核心。此外，對直接與被測物體接觸的零件-延遲塊的用材，也要重新選擇。
由于壓電陶瓷片的收發(fā)信號，直接反映了被測物體的厚度或被腐蝕情況，因此，對于壓電陶瓷片的電荷引出以及對檢測的可靠性要求非常之高。另外，各種被測信號是通過從超聲波測厚儀傳感器中引出的電纜線，傳輸?shù)斤@示儀表中去的，而這電纜線和超聲波測厚儀傳感器中的壓電陶瓷片是靠兩根很細的引線連接的，即是用焊錫焊接的。這兩根很細的連接線又是用焊錫點焊在壓電陶瓷片上的。
通常，在壓電陶瓷片的兩端面，即在兩個電極上，分別要有引出線，以輸出電荷。因為超聲波測厚儀傳感器內(nèi)部的空間較小，引線較長，所以會經(jīng)常出現(xiàn)短路，即兩根引線之間或引線和外殼之間的短路，以及接觸不好等問題。此外，與這兩根焊接到壓電陶瓷片上的細線相比，傳感器的輸出電纜線是粗得多。因此在裝配中，常常由于這兩根線的緣故造成了很多麻煩。比如，受輸出電纜線的影響，壓電陶瓷片上的鍍銀層(焊點)可能會被細連接線拉起；考慮到裝配方便，細連接線可留得長些，而過長的細連接線極易造成接觸不良或短路。這些都給傳感器的裝配者和測試者的工作帶來了較大的難度。


圖1為一般超聲波測厚儀傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1-外殼；2-延遲塊；3-聲隔離層；4-一般壓電敏感元件；5-下電極引出線；6-上電極引出線；7-匹配層；8-輸出電纜線。通常，在壓電陶瓷片兩端面的被上銀層，即在兩個電極上，分別引出線，以輸出電荷。因為超聲波測厚儀傳感器內(nèi)部的空間較小，引線較長，所以會經(jīng)常出現(xiàn)短路，即兩根引線之間或引線和外殼之間的短路，以及接觸不好等問題。此外，與這兩根焊接到壓電陶瓷片上的細線相比，傳感器的輸出電纜線是粗得多。因此在裝配中，常常由于這兩根線的緣故造成了很多麻煩。比如，受輸出電纜線的影響，壓電陶瓷片上的鍍銀層(焊點)可能會被細連接線拉起；考慮到裝配方便，細連接線可留得長些，而過長的細連接線極易造成接觸不良或短路。這些都給傳感器的裝配者和測試者的工作帶來了較大的難度。最主要是目前尚無能在250℃高溫下使用的測厚用超聲波傳感器。
本發(fā)明的目的在于提供一種經(jīng)改進的能在250℃溫度下測厚用的超聲波傳感器。
為達到本發(fā)明的目的，本組合發(fā)明改進的方面有1、用改性的偏鈮酸鉛高溫壓電陶瓷材料作為高溫超聲波測厚儀傳感器的敏感元件，由于材料的居里溫度提高，使傳感器的應用溫度亦相應提高；2、選用聚酰亞胺材料作為延遲塊；3、對壓電陶瓷片傳統(tǒng)的輸出電極進行了翻邊的技術(shù)改進，以解決電荷輸出不可靠、易短路等問題；4、用可耐較高溫度和耐油的橡塑材料代替常溫下用的軟木材料作為隔聲材料；5、用高溫導電膠取代焊錫來連接壓電陶瓷片和信號輸出線，以提高工作溫度；6、用鈦合金作為傳感器的外殼材料，取代原來的不銹鋼外殼，以提高它的使用溫度；7、用高溫硅橡膠取代環(huán)氧樹脂和鎢粉相配，作為吸聲材料，有利于在較高的溫度下工作；8、在與壓電陶瓷片連接的這兩根細連接線和傳感器的輸出電纜線之間，增加一塊引線板，以解決上述鍍銀層(焊點)可能會被拉起或接觸不良或短路等問題，引線板與輸出電纜線的連接用高溫導電膠。
下面對經(jīng)改進的高溫(250℃)超聲波測厚儀傳感器的實質(zhì)性特點和顯著的進步分三方面作進一步詳細的描述。
一．傳感元件用材的改進選用改性偏鈮酸鉛高溫壓電陶瓷材料改性偏鉛酸鉛是一種利用少量置換物與添加物的偏鈮酸鉛壓電陶瓷材料。偏鈮酸鉛壓電陶瓷有一些非常突出的特點，如低的機械品質(zhì)因素(Qm＜10)、單一的振動模式(Kt＞Kr)和較高的居里溫度(Tc=579℃)等。故在工業(yè)檢測、醫(yī)療診斷與高溫傳感器方面有著十分廣闊的應用前景．對純偏鈮酸鉛PbNb2O6從而言，其鐵電相位于高溫區(qū)(～123℃)，需用淬冷的技術(shù)把它凍結(jié)至常溫或低溫區(qū)進行使用，這就導致純偏鈮酸鉛壓電陶瓷材料與元件的制備工藝變得十分復雜、困難，因而大大限制了這類陶瓷材料的生產(chǎn)與廣泛應用。為了制得可供實際應用的偏鈮酸鉛壓電陶瓷材料與元件，大多采用K+、Ba2+等離子置換和添加ZrO2、TiO2和Nb2O5等辦法來實現(xiàn)。K+、Ba2+等離子的置換和各種氧化物的添加，雖然能較有效地改善材料的工藝性和提高材料的壓電性能，但材料的各向異性變差、Qm增大，居里溫度降低，這就使純偏鈮酸鉛材料的優(yōu)良性能大大下降，而且不宜在高溫下使用。
本發(fā)明使用的改性偏鈮酸鉛高溫壓電陶瓷材料的一類含有效添加劑(稀土氧化物)和少量Ca2+或Ba2+的置換所制得的改性偏鈮酸鉛壓電陶瓷材料，以保持材料在具有純偏鈮酸鉛優(yōu)點的同時，改善了材料的高溫壓電性能和工藝性能。其通式可表示為Pb1-xMexNb2O6+ywt％，其中雖然x、y的量較小，但工藝性良好；其壓電性能優(yōu)于純的PbNb2O6陶瓷；居里溫度為555～570℃，接近或等于純PbNb2O6的居里溫度(570℃)。這種材料可以在室溫～400℃的范圍內(nèi)反復或長期使用。
具體地說，本發(fā)明使用的改性偏鉛酸鉛壓電陶瓷材料的組成通式為Pb1-xMexNb2O6十ywt％，其中，Me為Ca2+或Ba2+x=0.00～0.10；稀土氧化物為CeO2、Sm2O3、Nd2O3或TeO2。y=0.01～0.30。
按上述配方進行配料，用功能陶瓷的一般工藝，經(jīng)球磨混合、干燥、壓塊(壓力為10MPa)、合成800℃/2小時)、細磨(球磨)、烘干、加粘造粒，成型(成型壓力為150～200 MPa)、排塑(800℃/小時)，燒結(jié)(1260～1300℃/20’30’)，燒結(jié)的素坯經(jīng)冷加工、清洗、上電極、極化(極化溫度180℃，極化電壓5KV/mm)，最后進行性能測試，即成可以使用的高溫壓電陶瓷元件。
這種改性偏鉛酸鉛的效果如下．1-1．改善了材料的工藝性能，陶瓷元件在燒結(jié)后無需淬火，隨爐自然冷卻即可將高溫鐵電相保持到室溫；1-2．提高了材料的Kt(Kt=0.38～0.45)；1-3．提高了材料的居里溫度(Tc=530～570℃。)；1-4．降低Qm至10以下；1-5．可以方便地制備各種形狀(圓片、長方片、半球。空心球、圓環(huán)、圓管和圓柱等)的元件，其尺寸可以達到直徑(或長度與寬度)5～200毫米和厚度0.2～10毫米。
二．電極工藝及引線結(jié)構(gòu)的改進1．在高溫壓電敏感元件的制作中，即在被銀過程中，將壓電陶瓷片的其中一個電極翻到另一個面上，使高溫壓電陶瓷片14的兩個電極在同一個端面上(見圖2)，然后對壓電陶瓷片進行極化，以形成在一個端面上將兩個電極分別引出。在圖2中9-非被銀區(qū)；10-負電極引出(小到可以焊錫)；11-正電極引出。在普通型超聲波測厚儀傳感器中，電荷是靠由很細的連接線焊在壓電陶瓷片上引出的，壓電陶瓷片是用導電膠粘接在延遲塊上的。由于焊點的原因，導致壓電陶瓷片和延遲塊這兩個粘接面的不平。通過對壓電敏感元件的輸出電極進行翻邊處理，將兩個電極在同一個端面上分別引出，使粘接面的不平，裝配麻煩這些問題迎刃而解。在這里，電荷是靠由很細的連接線用高溫導電膠粘接在壓電陶瓷片上引出的。高溫導電膠的牌號為DAD-30，由上海市合成數(shù)脂研究所生產(chǎn)。
2．從壓電敏感元件上兩個電極引出的兩根很細的連接線也是用高溫導電膠連接在引線板15(見圖3)的同一面上，引線板用壓環(huán)16固定在超聲波測厚儀傳感器內(nèi)。引線板的另一面與傳感器的輸出電纜線也用高溫導電膠連接，以提高其工作溫度。引線板上兩面對應的連接點相通，方便引線。圖中12-連接壓電陶瓷片的正電極引出和輸出電纜線的正極相連；13-連接壓電陶瓷片的負電極引出和輸出電纜線的負極相連。可以看到，采取了這一改進，可以減少傳感器內(nèi)部的空間小，引線長，而經(jīng)常帶來的短路現(xiàn)象。
三．其它方面的改進1．選用了可在220～250℃高溫下長時間使用的聚酰亞胺，作為與被測物體接觸的零件-延遲塊的材料。以替代在普通型超聲波測厚儀傳感器中延遲塊用的是聚砜材料；
2．用可耐較高溫度和耐油的橡塑材料代替常溫下用的軟木材料作為隔聲材料；3．焊錫的工作溫度是在150℃左右，用可在250℃以上工作的高溫導電膠取代焊錫使壓電陶瓷片和信號輸出線粘接，達到連接目的，以提高傳感器的工作溫度；4．因為鈦合金適合在較高的溫度下使用，所以用鈦合金作為傳感器的外殼材料，取代原來的外殼用材不銹鋼，以提高它的使用溫度；5．由于高溫硅橡膠的工作溫度高于環(huán)氧樹脂，在此用高溫硅橡膠和鎢粉相配，作為吸聲材料，有利于傳感器在較高的溫度下工作。
6．壓環(huán)由一般金屬材料或陶瓷材料構(gòu)成。引線板材料可用耐高溫的氟塑料板。
因為高溫超聲波測厚儀傳感器每次的工作時間僅幾秒鐘，屬瞬間作業(yè)，所以，通過這幾種用材和結(jié)構(gòu)上的改進，尤其是利用了改性偏鈮酸鉛高溫壓電陶瓷材料作為敏感元件，本發(fā)明所提供的這種超聲波測厚儀傳感器可以在被測物體的表面溫度在250℃的條件下工作。
綜上所述，通過上述改進，給高溫超聲波測厚儀傳感器的裝配帶來了方便，增加了高溫超聲波測厚儀傳感器在裝配和測試過程中的成功率。
圖4為本發(fā)明提出的，經(jīng)過了上述工藝改進和選用了改性偏鈮酸鉛高溫壓電陶瓷材料作為敏感元件的高溫超聲波測厚儀傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1-外殼；2-延遲塊；3-聲隔離層；14-有翻邊的高溫壓電陶瓷片；5-下電極引出線；6-上電極引出線；7-匹配層；8-輸出電纜線；15-引線板；16-壓環(huán)?？梢钥吹?，壓電陶瓷片的輸出形式改變，大大降低了裝配工作的難度，減少了因高溫超聲波測厚儀傳感器內(nèi)部的空間較小，引線較長，而經(jīng)常帶來的短路現(xiàn)象，從而增加了高溫超聲波測厚儀傳感器在裝配和測試過程中的成功率。
下面通過實施例，進一步說明本發(fā)明，但決不局限於實施例。
實施例1．選用x=0.03(Me=Ca),y=0.1(CeO2)的改性偏鈮酸鉛高溫壓電陶瓷材料取代一般超聲波測厚儀傳感器中用的壓電陶瓷材料，對并改性偏鈮酸鉛高溫壓電陶瓷材料的輸出電極方式進行改進，采用翻邊技術(shù)，將原來由在兩個端面分別輸出的電極改為在同一端面上輸出，如圖2所示的正、負兩個電極引出區(qū)10、11在同一端面上，中間由非被銀區(qū)3隔開。其中，正電極引出區(qū)較大，負電極引出區(qū)較小，只要小到可以用高溫導電膠將φ1mm很細的連接線粘住為止；用聚酰亞胺作為延遲塊的材料；用橡塑材料作為隔聲材料；用高溫導電膠來粘接壓電陶瓷片和信號輸出線；用鈦合金作為傳感器的外殼材料；引線板用氟塑料板制成，引線板上兩面各對應的連接點導通；壓環(huán)由一般金屬材料或陶瓷材料構(gòu)成；用高溫硅橡膠和鎢粉相配，作為吸聲材料，按圖4所示的高溫超聲波測厚儀傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖裝配而成。
實施例2．選用x=0.07(Me=Ba),y=0.05(Nb2O3)的改性偏鈮酸鉛高溫壓電陶瓷材料取代一般超聲波測厚儀傳感器中用的壓電陶瓷材料，其余同實施例1。
權(quán)利要求
1．一種經(jīng)改進的250℃高溫下測厚用的超聲波傳感器，包括外殼、延遲塊、聲隔離層、高溫壓電敏感元件、電極引出線、匹配層以及輸出電纜線，其特征在於(1)選用改性偏鈮酸鉛材料作為高溫超聲波測厚儀傳感器的敏感元件；(2)延遲塊的材料，選用了的聚酰亞胺；(3)隔聲材料為可耐較高溫度和耐油的橡塑材料；(4)壓電陶瓷片和信號輸出線用高溫導電膠粘接；(5)吸聲材料為高溫硅橡膠和鎢粉；(6)對壓電敏感元件的輸出電極進行了翻邊，電荷是靠很細的連接線，用高溫導電膠粘接在壓電敏感元件上引出的；(7)在壓電敏感元件的信號引出線和傳感器的輸出電纜線之間，增加一塊以氟塑料板為材料的引線板。用高溫導電膠將壓電敏感元件上電荷引出線的另一端固定在引線板上；(8)用壓環(huán)將引線板固定在傳感器內(nèi)。
2．按權(quán)利要求1所述的經(jīng)改進的250℃高溫下測厚用的超聲波傳感器，其特征在於所述的改性偏鈮酸鉛高溫壓電陶瓷材料的通式為Pb1-xMexNb2O6+Yywt％稀土氧化物或TeO2，其中Me為Ca2+或Ba2+,x=0.01～0.10,y=0.01～030，添加物為稀土氧化物是CeO2、Sm2O3、Nd2O3中的一種或TeO2。
3．按權(quán)利要求1所述的經(jīng)改進的250℃高溫下測厚用的超聲波傳感器，其特征在於所述的改性偏鈮酸鉛高溫壓電材料的制備條件是(1)合成溫度為800℃/2小時；(2)燒結(jié)溫度是1260～1300℃/20～30分鐘；(3)極化溫度180℃，極化電壓5KV/mm。
4．按權(quán)利要求1或2所述的經(jīng)改進的250℃高溫下測厚用的超聲波傳感器，其特征在於所述的高溫壓電敏感元件翻邊是在被銀過程中，將壓電陶瓷片的其中一個電極翻到另一個面上，使兩個電極在同一個端面上，然后進行極化，以形成在一個端面上將兩個電極分別引出。
5．按權(quán)利要求1或2所述的經(jīng)改進的250℃高溫下測厚用的超聲波傳感器，其特征在於所述的壓電敏感元件上兩個電極引出的二根很細的連接線是用高溫導電膠連接在引線板的同一面上；引線板的另一面與傳感器的輸出電纜線也用高溫導電膠連接，引線板上兩面對應的連接點相通。
全文摘要
一種經(jīng)改進的250℃溫度下測厚用的超聲波傳感器,屬于超聲波測厚領域。特征在於:(1)壓電敏感元件為Ca
文檔編號G01B17/02GK1321873SQ01113500
公開日2001年11月14日 申請日期2001年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月22日
發(fā)明者胡子儉 申請人:中國科學院上海硅酸鹽研究所