專利名稱：一種高靈敏度超聲波探頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于各種管材、棒材、鑄件、鍛件及焊縫等材料和工 件的缺陷探測(cè)用的超聲波檢測(cè)傳感器，屬于無(wú)損檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別提供 了一種高靈敏度超聲波探頭。
技術(shù)背景高靈敏度、高分辨力缺陷探測(cè)是人們追求的一個(gè)理想目標(biāo)。在航天、 航空、核電、艦船、石化、鋼鐵等重要軍用和民用工業(yè)領(lǐng)域，都要使用大 量管材、棒材、鍛件、鑄件及焊縫等材料和工件作為壓力管路和壓力容器 以及作為承載零部件，涉及的材料除不銹鋼外，還有高溫合金、稀有金屬、 高強(qiáng)度鋼和高強(qiáng)度鋁合金等。這些材料和工件一般都使用在十分苛刻的環(huán) 境條件下，如高溫、高壓、復(fù)雜的載荷、水腐蝕、核輻射等等。這些工件 一旦失效會(huì)造成十分嚴(yán)重的后果。因此要求進(jìn)行高靈敏度、高分辨率的無(wú) 損探傷以保證這些工件在無(wú)缺陷狀態(tài)運(yùn)行(即不允許任何超過所規(guī)定的人 工傷當(dāng)量的宏觀和微觀缺陷存在)，以保證設(shè)備的使用安全性，防止災(zāi)難性 事故。目前，在工程上超聲探傷是最常用和實(shí)用的缺陷探傷方法，比其他方法 檢測(cè)能力相對(duì)更強(qiáng)，檢測(cè)結(jié)果的可信度相對(duì)更高，檢測(cè)效果更好。上述的 材料或工件往往要進(jìn)行嚴(yán)格的超聲波探傷。在超聲波探傷技術(shù)中有三個(gè)要 素需要(1)儀器的優(yōu)良性能；(2)探頭(傳感器)的優(yōu)良性能；(3)科 學(xué)合理的檢測(cè)工藝方法。其中探頭的性能也是一個(gè)決定性要素，對(duì)檢測(cè)結(jié)果有重要的影響。但是在許多場(chǎng)合下，目前的超聲波探頭的性能仍不能達(dá) 到檢測(cè)的要求?，F(xiàn)有的超聲波探頭一般分為單晶探頭和雙晶探頭，而雙晶探頭在探傷時(shí) 工作于一發(fā)一收模式。在這些探頭的工作中，人們通常是以晶片的聲束軸 線確定超聲波的傳播路徑，實(shí)際上超聲波具有一定的聲束直徑范圍，而且 超聲波在傳播過程中會(huì)有一定的擴(kuò)散。擴(kuò)散角的計(jì)算公式為sin(l)-l, ^為擴(kuò)散角，義為超聲波在介質(zhì)中傳播的波長(zhǎng)，Z)為晶片的直徑。由此公式知， 人們?yōu)榱说玫胶玫穆暿赶蛐?即e角要小，擴(kuò)散小)，往往采用提高檢測(cè) 頻率(即使義減小)，或采用較大晶片的方法。但是隨著檢測(cè)頻率的增加， 超聲波的衰減也會(huì)急劇增加，影響超聲波的檢測(cè)能力，因而提高檢測(cè)頻率 會(huì)受到限制。而增加晶片的直徑也會(huì)明顯地降低缺陷的分辨率，也受到限 制。目前人們?cè)谔絺型槍?duì)檢測(cè)對(duì)象折衷選擇頻率和直徑的相應(yīng)參數(shù)。 比如在檢測(cè)航空用的小直徑管材方面，需要分辨0.5mm壁厚上的內(nèi)表面缺 陷和外表面缺陷，以目前國(guó)內(nèi)外的各種探頭的技術(shù)性能就不能滿足要求， 其檢測(cè)靈敏度和信噪比較差，檢測(cè)可靠性差，難以滿足上述重要工業(yè)應(yīng)用 領(lǐng)域的無(wú)損檢測(cè)要求。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供了一種高靈敏度、高分辨率的超聲波探頭設(shè)計(jì) 制作方法以及相應(yīng)的與探傷儀的配合方法。一種高靈敏度超聲波探頭，包括連接頭(1)、外殼(2)、阻尼塊(3)、 電纜線(4)、 二極管(5)、聲透鏡(6)、電纜線(7)、其特征在于所述的高靈敏度超聲波探頭包括2到64個(gè)能發(fā)射和接收超聲波的元件(8)，其 中連接頭(1)與外殼(2)固連，阻尼塊(3)固定安裝在外殼(2)的 內(nèi)部，電纜線(4)與二極管(5)相連，安裝在外殼(2)的內(nèi)部，聲透鏡 (6)安裝在能發(fā)射和接收超聲波的元件(8)的下面。所述的能發(fā)射和接收超聲波的元件(8)為壓電晶片和/或具有壓電效 應(yīng)的復(fù)合材料，其中至少有一個(gè)能發(fā)射和接收超聲波的元件(8)為超聲波 的接收敏感元件，其余為發(fā)射超聲波的元件。所述的能發(fā)射和接收超聲波的元件(8)中，其中大尺寸的具有優(yōu)異發(fā) 射性能的晶片作為超聲波發(fā)射源，小尺寸的具有優(yōu)異接收性能的晶片作為 接收敏感元件。所述的能發(fā)射和接收超聲波的元件(8)為環(huán)形或矩形。所述的超聲波探頭為直探頭，斜探頭，點(diǎn)聚焦探頭，線聚焦探頭，接 觸聚焦探頭，雙晶探頭之一。當(dāng)工作模式為多發(fā)少收時(shí)，將接收晶片設(shè)計(jì)于整個(gè)探頭的聲束軸線位 置，以利于提高缺陷分辨率和檢測(cè)靈敏度；在少發(fā)多收模式時(shí)，則將發(fā)射 晶片置于探頭的中間位置，將接收晶片置于周邊位置，這樣周邊的某個(gè)晶 片接收到超聲波則能指示出缺陷的方向性。探頭通常是要實(shí)現(xiàn)多晶片同時(shí)激發(fā)，以盡量形成一個(gè)類似于單個(gè)整塊 晶片所激發(fā)的超聲波聲場(chǎng)，以得到好的聲束指向性和得到足夠的超聲波激 勵(lì)能量。而只用聲束軸線位置的小尺寸的壓電晶片作為接收元件，接收特 定的聲束軸線方向的超聲波，得到優(yōu)良的缺陷分辨率。所述的高靈敏度超聲波探頭實(shí)現(xiàn)接收晶片同時(shí)參與激發(fā)超聲波，而激勵(lì)晶片只激發(fā)超聲波而不參與接收超聲波，實(shí)現(xiàn)這一 目的有兩種方案一種方案是在超聲波探傷儀中增加一個(gè)控制電路。該控制電路利用超聲 波脈沖發(fā)射控制信號(hào)，使得發(fā)射晶片的電流回路只在脈沖發(fā)射期間導(dǎo)通見 圖1。第二種方案是在探頭中的發(fā)射晶片的電流回路中加接1到63個(gè)二極管， 利用二極管特性，當(dāng)激勵(lì)時(shí)激勵(lì)電壓施加在二極管上，使二極管正向?qū)ǎ?這樣不影響發(fā)射晶片的發(fā)射性能。這樣，當(dāng)在接收脈沖回波時(shí)，即使發(fā)射 晶片也接收到超聲回波信號(hào)，但由于超聲回波信號(hào)一般較弱，其電壓較低， 達(dá)不到二極管的導(dǎo)通電壓時(shí)，二極管相當(dāng)于一個(gè)高阻值的電阻器。用多個(gè) 二極管串聯(lián)使得發(fā)射晶片得到的回波信號(hào)需要經(jīng)過一個(gè)很大的電阻才能連 通到接收電路，這樣就相當(dāng)于阻斷了發(fā)射晶片的回波信號(hào)。而發(fā)射/接收晶片得到的回波在如圖2的電路下則能順利連接到探傷儀的接收電路，實(shí)現(xiàn)正常的接收放大。所述的第二種方案中，有兩種探頭電路連接方式 一種是將探傷儀設(shè)置于單探頭工作模式，探頭內(nèi)部連接形式見圖3， 4，5;第二種是將探傷儀設(shè)置于雙探頭工作模式，探頭內(nèi)部連接形式如下圖6，圖7。所述的超聲波探頭由多個(gè)具有壓電效應(yīng)的晶片(和/或具有壓電效應(yīng)的 復(fù)合材料)組成。探頭的連接頭、外殼、阻尼塊、電纜線、保護(hù)膜、楔塊等可采用通常的設(shè)計(jì)制作方法。多晶片可設(shè)計(jì)為TTR模式(即多個(gè)晶片同 時(shí)發(fā)射，少數(shù)幾個(gè)特定晶片同時(shí)接收)，和TRR模式(即少數(shù)幾個(gè)晶片同時(shí) 發(fā)射和多個(gè)晶片同時(shí)接收超聲波)。還可設(shè)計(jì)為TTRR模式(即某個(gè)晶片發(fā)射而其它晶片都同時(shí)接收并輪換進(jìn)行，或者是多個(gè)探頭同時(shí)發(fā)射，而只有某個(gè)晶片接收并輪換進(jìn)行)。TTR模式時(shí)，用多個(gè)壓電晶片同時(shí)激發(fā)， 一方 面以改善聲束指向性；另一方面也增大所激發(fā)的超聲波的能量，利于改善 探頭的檢測(cè)靈敏度，而只用其中的一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)晶片作為超聲波的接收 敏感元件，改善缺陷分辨率。也可以用其中的大尺寸的具有優(yōu)異發(fā)射性能 的晶片作為超聲波激勵(lì)源，而用小尺寸的具有優(yōu)異接收性能的晶片作為接 收敏感元件。使小尺寸的接收敏感元件只接收特定方向超聲波，從而提高 缺陷的分辨率。當(dāng)然也可以采用相同的發(fā)射、接收綜合性能好的壓電晶片 作為激勵(lì)源和接收敏感元件，按上述設(shè)計(jì)，也能提高檢測(cè)靈敏度和提高分 辨率。這里的激勵(lì)元件和接收元件需要具有相同的超聲波工作頻率。還有 一種情況是(即TRR):用其中的一個(gè)或特定的幾個(gè)壓電晶片作為激勵(lì)源， 而采用周圍的多個(gè)接收晶片分別接收各自特定方向的超聲波，從而可以分 辨特定位置和特定方向的缺陷，提高缺陷的分辨率。所述的探頭可設(shè)計(jì)成為直探頭、斜探頭、各種聚焦探頭(點(diǎn)聚焦、線 聚焦、接觸聚焦等)以及雙晶探頭等多種形式。通常在TTR模式，即多發(fā) 少收模式時(shí)將接收晶片設(shè)計(jì)于整個(gè)探頭的聲束軸線位置，以利于提高缺陷 分辨率和檢測(cè)靈敏度；在TRR模式，即少發(fā)多收模式時(shí)，則將發(fā)射晶片置 于探頭的中間位置，將接收晶片置于周邊位置，這樣周邊的某個(gè)晶片接收 到超聲波則能指示出缺陷的方向性。所述的探頭通常是要實(shí)現(xiàn)多晶片同時(shí)激發(fā)，以盡量形成一個(gè)類似于單 個(gè)整塊晶片所激發(fā)的超聲波聲場(chǎng)，以得到好的聲束指向性和得到足夠的超 聲波激勵(lì)能量。而只用聲束軸線位置的小尺寸的壓電晶片作為接收元件，接收特定的聲束軸線方向的超聲波，得到優(yōu)良的缺陷分辨率。這里并不意 味著聲場(chǎng)內(nèi)聲束軸線以外的缺陷探測(cè)不到，因?yàn)殡S著探頭的掃查移動(dòng)，缺陷探測(cè)是不會(huì)遺漏的。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)檢測(cè)缺陷的靈敏度高，信噪比高，對(duì)相鄰缺陷的分辨能 力強(qiáng)，檢測(cè)盲區(qū)小，易于對(duì)缺陷精確定位和精確測(cè)量其大小以及方向性。


下面結(jié)合附圖及實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。圖l為控制電路之一；圖2為控制電路之二；圖3為單探頭工作模式之一；圖4為單探頭工作模式之二；圖5為單探頭工作模式之三；圖6為雙探頭工作模式之一；圖7為雙探頭工作模式之二；圖8為新結(jié)構(gòu)探頭探測(cè)缺陷回波聲程示意圖;圖9為傳統(tǒng)的A掃描圖；圖10為改進(jìn)后的A掃描圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例l TTR直探頭在超聲波探傷中，例如對(duì)鍛件進(jìn)行探傷時(shí)，探頭中壓電晶片的直徑越大， 擴(kuò)散角越小，則超聲波信號(hào)的擴(kuò)散小，聲束的指向性好。所以采用環(huán)狀晶片和小晶片同時(shí)發(fā)射超聲波。偏離主聲束軸線方向的回波聲程較長(zhǎng)，其回 波幅度比主聲束軸線方向上的回波幅度相對(duì)較低，直徑小的晶片只能接受 主聲束軸線方向上的缺陷回波，采用小晶片來(lái)接受超聲波的回波，能夠更 準(zhǔn)確地定位缺陷的位置和大小。因而在鍛件探傷中利用直徑大的晶片發(fā)射、 直徑小的晶片接收提高了探頭對(duì)缺陷定位的準(zhǔn)確性，能夠收到良好的效果如圖8。實(shí)施例2 一種TTR水浸點(diǎn)聚焦超聲波探頭在水浸聚焦超聲波探傷中，例如在探測(cè)航空小口徑管材時(shí)，尤其是在探 測(cè)小口徑薄壁管時(shí)，國(guó)內(nèi)外尚沒有較理想的探頭。這是由于在以前的探頭 設(shè)計(jì)中，按理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，聚焦的焦點(diǎn)圓柱直徑為c/aF.1，其中F為焦距，義為水中波長(zhǎng)，D為晶片直徑。在一定的檢測(cè)條件下，F(xiàn)不能太小，為 了得到好的聚焦效果，只有加大晶片直徑。但是當(dāng)超聲波束到達(dá)管表面時(shí) 必然會(huì)有漫反射，其中以主聲束軸線的反射回波為最強(qiáng)，其中的非主聲束 軸線的反射回波比主聲束回波的聲程要長(zhǎng)，必然落后于主聲束回波，逐漸 下降。因此晶片越大則界面回波越寬，如圖9所示。超聲波在界面的反射同 時(shí)，超聲波主聲束折射進(jìn)入管材遇到缺陷時(shí)會(huì)立即沿原路返回到探頭，由 于超聲波在鋼中比在水中傳播的更快，當(dāng)界面漫反射回波尚未消失時(shí)，缺 陷回波也已到達(dá)晶片中心，缺陷回波信號(hào)往往比較小，這樣缺陷回波就往 往淹沒在界面回波中，導(dǎo)致缺陷無(wú)法分辨。按照本發(fā)明所述方法，將中心的小圓形晶片設(shè)計(jì)作為發(fā)射/接收晶片， 而與此圓晶片同平面的圓環(huán)形晶片只作為發(fā)射晶片，這樣的發(fā)射聚焦效果同上，可得到理想的細(xì)聚焦效果，提高檢測(cè)靈敏度，而界面的漫反射回波 則不被接收放大，小圓形晶片只接收主聲束軸上的回波，因此界面回波急劇下降，缺陷回波落后于界面回波，因而清晰可辨,如圖io所示。這樣設(shè)計(jì)的探頭具有很高的信噪比，抗干擾能力強(qiáng)，檢測(cè)更加可靠。實(shí)施例3 TTR線聚焦探頭在民用管探傷中，為了提高檢測(cè)效率，經(jīng)常用到線聚焦探頭。線聚焦探 頭是能檢測(cè)有一定裂紋長(zhǎng)度缺陷的探頭，它是按線掃查材料或工件。本發(fā)明是將線聚焦探頭的圓形或長(zhǎng)方形壓電晶片改成三個(gè)長(zhǎng)方形晶片 并列，三塊晶片一起作為發(fā)射晶片，只有中間的長(zhǎng)方形晶片作為接收晶片， 以實(shí)施例2所述的工作方式，這樣可以得到更好的聚焦效果，提高了檢測(cè)靈 敏度，有效地抑制了界面的漫反射回波。位于中間的長(zhǎng)方形晶片接收主聲 束軸線上的回波，更好地定位了缺陷的大小和位置，提高了線聚焦探頭的 分辨率以及檢測(cè)的準(zhǔn)確度見圖5。 實(shí)施例4: TRR直探頭在現(xiàn)有超聲波探傷技術(shù)中，例如對(duì)鍛件進(jìn)行探傷時(shí)，往往只能探測(cè)鍛件 內(nèi)部的缺陷面與探測(cè)面平行的缺陷，而與探測(cè)面相傾斜的缺陷則探測(cè)不到。 所以采用中部晶片發(fā)射超聲波，而用周邊其余的晶片分別接收超聲波，這 時(shí)需要使用多通道超聲波探傷儀，這樣當(dāng)只有周邊的某個(gè)晶片接收到超聲 波時(shí)就意味著缺陷是傾斜的，根據(jù)缺陷的聲程和探頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)可計(jì)算出 缺陷的傾斜角度，從而提髙對(duì)缺陷的檢測(cè)能力。
權(quán)利要求
1、一種高靈敏度超聲波探頭，包括連接頭(1)、外殼(2)、阻尼塊(3)、電纜線(4)、二極管(5)、聲透鏡(6)、電纜線(7)、其特征在于所述的高靈敏度超聲波探頭包括2到64個(gè)能發(fā)射和接收超聲波的元件(8)；其中連接頭(1)與外殼(2)固連，阻尼塊(3)固定安裝在外殼(2)的內(nèi)部，電纜線(4)與二極管(5)相連，安裝在外殼(2)的內(nèi)部，聲透鏡(6)安裝在能發(fā)射和接收超聲波的元件(8)的下面。
2、 按照權(quán)利要求1所述的高靈敏度超聲波探頭，其特征在于所述的 能發(fā)射和接收超聲波的元件(8)為壓電晶片和/或具有壓電效應(yīng)的復(fù)合材 料，其中至少有一個(gè)能發(fā)射和接收超聲波的元件(8)為超聲波的接收敏感 元件，其余為發(fā)射超聲波的元件。
3、 按照權(quán)利要求1所述的高靈敏度超聲波探頭，其特征在于所述的 能發(fā)射和接收超聲波的元件(8)中，其中大尺寸的具有優(yōu)異發(fā)射性能的晶 片作為超聲波發(fā)射源，小尺寸的具有優(yōu)異接收性能的晶片作為接收敏感元 件。
4、 按照權(quán)利要求1所述的高靈敏度超聲波探頭，其特征在于所述的 能發(fā)射和接收超聲波的元件(8)為環(huán)形。
5、 按照權(quán)利要求1所述的高靈敏度超聲波探頭，其特征在于所述的 能發(fā)射和接收超聲波的元件(8)為矩形。
6、 按照權(quán)利要求1所述的高靈敏度超聲波探頭，其特征在于所述的超聲波探頭為直探頭，斜探頭，點(diǎn)聚焦探頭，線聚焦探頭，接觸聚焦探頭， 雙晶探頭之一。
7、按照權(quán)利要求1所述的高靈敏度超聲波探頭，其特征在于所述的 高靈敏度超聲波探頭實(shí)現(xiàn)接收晶片同時(shí)參與激發(fā)超聲波，而激勵(lì)晶片只激 發(fā)超聲波而不參與接收超聲波，實(shí)現(xiàn)這一目的有兩種方案一種方案是在超聲波探傷儀中增加一個(gè)控制電路。該控制電路利用超聲 波脈沖發(fā)射控制信號(hào)，使得發(fā)射晶片的電流回路只在脈沖發(fā)射期間導(dǎo)通。第二種方案是在探頭中的發(fā)射晶片的電流回路中加接1到63個(gè)二極管， 利用二極管特性，當(dāng)激勵(lì)時(shí)激勵(lì)電壓施加在二極管上，使二極管正向?qū)ā?8、按照權(quán)利要求7所述的高靈敏度超聲波探頭，其特征在于所述的 第二種方案中，有兩種探頭電路連接方式 一種是將探傷儀設(shè)置于單探頭 工作模式；第二種是將探傷儀設(shè)置于雙探頭工作模式。
全文摘要
一種高靈敏度超聲波探頭，包括連接頭(1)、外殼(2)、阻尼塊(3)、電纜線(4)、二極管(5)、聲透鏡(6)、電纜線(7)；其特征在于所述的高靈敏度超聲波探頭包括2到20個(gè)能發(fā)射和接收超聲波的元件(8)；其中連接頭(1)與外殼(2)固連，阻尼塊(3)固定安裝在外殼(2)的內(nèi)部，電纜線(4)與二極管(5)相連，安裝在外殼(2)的內(nèi)部，聲透鏡(6)安裝在能發(fā)射和接收超聲波的元件(8)的下面。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于檢測(cè)缺陷的靈敏度高，信噪比高，對(duì)相鄰缺陷的分辨能力強(qiáng)，檢測(cè)盲區(qū)小，易于對(duì)缺陷精確定位和精確測(cè)量其大小以及方向性。
文檔編號(hào)G01N29/04GK101308118SQ20071001128
公開日2008年11月19日 申請(qǐng)日期2007年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月14日
發(fā)明者暢 劉, 薇 張, 林青云, 董瑞琪, 蔡桂喜, 曦 陳 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所