CN103977949A - 一种柔性梳状导波相控阵换能器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种柔性梳状导波相控阵换能器，所述换能器可以在曲面板或管内激励接收导波，并通过相控延时实现导波声束的偏转与聚焦。换能器包括多个柔性梳状阵列、吸声填充物、背衬吸声层、匹配层、保护膜、电路板、外套、多芯同轴电缆、接头和电缆固定外壳，其中柔性梳状二维阵列、柔性吸声填充物、柔性背衬吸声层、柔性匹配层、柔性保护膜和柔性电路板形成柔性梳状导波相控阵换能器主体。由于换能器具有柔性结构，特别适用于变曲率曲面板和管类零件缺陷检测。换能器厚度小于6mm，且可通过电子扫描完成整个表面检测，无需机械扫查，可用于伸入狭小空间或贴装在密闭空间内的零构件表面，实现嵌入式原位检测或在役实时监测。

Description

一种柔性梳状导波相控阵换能器

一、技术领域

本发明涉及一种用于激励和接收导波的柔性梳状相控阵换能器，特别适用于任意复杂曲面板、管类零件的快速无损检测和嵌入式原位无损检测。

二、背景技术

曲面板管类零件广泛应用于国民经济生产生活的各个领域。航空、航天、能源领域旋转机械中采用大量具有复杂曲面板类形状的叶片、涡流盘等关键零构件，其材料要求特殊，机加工、热处理工艺复杂，工作环境恶劣，周期性载荷高，受力情况复杂，腐蚀性冲击多，工作时间长，在生产、工作过程中极易形成各种类型的缺陷。由于其通常在机器运转中承担着关键性作用，因此在该类复杂关键零构件的生产制造和在役过程中，需对其表面缺陷进行严格无损检测与监测，对保障各工业领域关键装置的安全运行具有重大意义。在国民经济生产、生活中大量采用各种管线，承担着各种液体的运载功能，由于高压、腐蚀工作环境，及现有管线在役时间长等因素，近年来时常会出现由于缺陷引发的管线爆裂事故发生，急需对其进行快速、定期原位无损检测。

复杂曲面板类零件由于表面曲率不等，表面形貌复杂，采用传统的超声无损检测方法很难实现其快速检测，且检测成本大大增加。如对叶片、机翼类三维曲面零件进行检测时，若采用采用传统超声C扫描进行检测，需采用5轴联动装置进行扫查，方能完成扫查检测，费时费力、检测效率极低、成本高，且表面盲区大、无法全面检测出表面微裂纹。若采用目前常用斜楔式导波换能器，由于其斜楔为刚性其尺寸较大，无法与曲表面进行贴合，无法保证激励导波所需的入射角，耦合效果差，检测信号能量转换率和检测灵敏度极差。因此，急需开发一种能够适用于复杂曲面表面裂纹缺陷检测的导波换能器，这种换能器应能贴合复杂曲表面，且具有安装简单、体积小等特点，能够满足曲面构件表面的快速或嵌入式原位无损检测需求。各种管线安装时一般采用架空、埋地形式，或铺设在狭小密闭空间内，不利于检测人员进行操作，也急需一种适用于原位或嵌入式快速无损检测手段。

传统的相控阵成像技术采用超声纵波探头组成探头阵列，利用相控原理对检测对象进行电子扫描成像。由于纵波是沿零件表面法向传播的，对大型板材进行全面扫查时，由于板材厚度小，无法正常利用传统相控阵换能器纵波波前聚焦产生的不同角度辐射的纵波声束，且无法实现整个试样表面的快速扫描检测。

今年来，出现使用带斜楔的相控阵换能器在被测试样表面激励导波，但由于其采用刚性斜楔，且尺寸较大，无法与曲表面进行贴合，无法保证激励导波所需的入射角，耦合效果差，检测信号能量转换率和检测灵敏度极差。同时相控阵换能器在其中所起作用仅为利用声束偏转调整入射角度，其产生的导波与传统单晶压电换能器斜入射激励的导波一样，仅为沿斜入射方向传播的一维声束。为完成整个试样表面的检测，必须配合机械扫描运动。控制刚性斜楔沿空间曲面进行一维扫查时，除了一维移动外，还至少必须增加其两个转角运动，以控制斜楔姿态，保证与曲面的良好耦合。

因此，急需开发一种能够适用于复杂曲面板或管缺陷检测、且无需机械扫查的导波换能器，这种换能器应能贴合复杂曲表面，且具有安装简单、体积小等特点，能够满足曲面构件表面的快速或嵌入式原位无损检测需求。

国家知识产权局公开了一篇公开号为CN103157594A的专利：“一种柔性超声相控阵阵列换能器及制作方法”，目前该专利处于实效审查状态，该专利描述了一种柔性超声相控阵阵列换能器及其制作方法，所述换能器包括柔性压电陶瓷复合材料晶片、阻尼背材、匹配层、柔性线路板、同轴电缆线和探头接口；所述匹配层、柔性压电陶瓷复合材料晶片和阻尼背材依次粘接在一起形成声学叠层；所述柔性线路板与柔性压电陶瓷复合材料晶片连接，并从柔性线路板引出多芯同轴电缆线到所述探头接口。公开号为CN101152646A的专利：“柔性超声换能器阵列及其应用装置”，目前该专利已授权，该专利描述了一种柔性超声换能器阵列，该超声换能器的超声换能器单元、超声发射器/超声发射接收器、超声耦合介质、微处理器、及柔性层介质，该超声换能器单元以阵列形式安置于该柔性层介质中或表面而构成柔性超声换能器阵列，柔性超声换能器阵列能够贴合各种具有不同表面形状的身体部位，从而能够获得现有技术无法达到的超声治疗/超声成像效果。上述两种柔性阵列换能器均是通过对阵列中的不同压电振子单元施加具有一定延时的脉冲激励，在被测试样内部沿柔性层法向方向激励具有电子偏转或聚焦扫描特点的纵向体波，而不能在板管类零件中激励沿板延展方向或管轴线方向传播的具有电子偏转或聚焦扫描特点的导波。

三、发明内容

本发明提供了一种特别适用于曲面板或管类零件检测的柔性梳状导波相控阵换能器，具有能够贴合曲表面、厚度小的特点，可以实现曲面板或管类零件缺陷的快速嵌入式原位无损检测。

该导波相控阵换能器由多个柔性梳状阵列组成，具体个数由检测曲面尺寸确定。

每个柔性梳状阵列至少包括2个以上多个条形压电振子，一般为4到8个条形压电振子，多个条形压电振子沿宽度方向排列形成梳状阵列结构。各压电振子之间的中心间距w为被测试样相应导波模式的相速度波长，即期望在被测试样中激励的某种模式的导波相速度与换能器中心频率之比，该导波相速度受换能器频率与被测板或管厚度乘积和期望激励的导波模式控制，可以从导波频散曲线中获得。通过对换能器的所有压电振子同时施加电激励，如周期脉冲激励或正弦串激励，在被测曲面板或管壁内激励出沿柔性层内阵列排布方向传播的导波。

多个上述柔性梳状阵列构成的二维阵列构成本柔性梳状导波相控阵换能器主体，激励时根据相控声束偏转或聚焦原理，确定各个柔性梳状阵列之间的激励时间差，控制所有柔性梳状阵列激励的合成导波声束在被测曲面板或管壁内的偏转或聚焦，改变激励时间差，在被测试样表面完成电子扫描。

如图2所示，该导波相控阵换能器包括多个条形压电振子(1)、正负电极(2)、吸声填充物(3)、背衬吸声层(4)、匹配层(5)、保护膜(6)、电路板(7)、、外套(8)、电缆固定外壳(9)、同轴电缆(10)、接头(11)，其中由多个条形压电振子形成的梳状阵列规则排列形成二维阵列，如图1所示。压电振子采用柔性压电陶瓷复合材料，吸声填充物、背衬吸声层、匹配层、保护膜和电路板均采用柔性材料，以保证换能器能够适应曲表面，与之完全贴合。

如图2所示，条形柔性压电振子宽度d为被测试样相应导波模式相速度波长的二分之一，振子与振子之间的间隙s亦为被测试样相应导波模式相速度波长的二分之一，振子与振子之间的中心间距w为被被测试样相应导波模式相速度波长。振子长度l为梳状阵列总长度D的0.618倍并取整，即:取整[(振子间中心间距w×振子个数n-振子间隙s)×0.618]，一般振子长度l与宽度d之比不超过10:1。

如图1所示，各柔性梳状阵列沿压电振子长度方向排列形成二维阵列，各梳状阵列之间间隙Δs相同，一般不超过被测试样相应导波模式相速度波长。

本导波相控阵换能器为接触式换能器，使用时通过耦合剂与被测试样表面耦合。该换能器为激励/接收一体换能器，可采用周期性脉冲信号或正弦串进行激励，检测***如图3所示，包括：柔性梳状导波相控阵换能器、相控阵超声信号激励接收装置、计算机和被测试样。

板类检测时，将研制导波相控阵换能器耦合在曲面板一侧表面。激励时，如图4所示根据相控声束偏转或聚焦原理，确定各个柔性梳状阵列之间的激励时间差，控制所有柔性梳状阵列激励的合成导波在被测曲面板内偏转或聚焦。接收时，同样根据相控声束偏转或聚焦原理，采用该时间差对各个柔性梳状阵列接收到的导波回波信号进行合成，形成相控合成回波信号。利用相控阵超声信号激励接收装置改变该时间差，完成被测曲面板二维电子扫描。该相控阵换能器安装于板壁一侧表面可以检测出整个壁厚范围内的缺陷，且无需机械扫查，即可实现曲表面的二维扫查，如图5或6所示的S扫查或B扫查。可实现变曲面板的快速扫描检测。

管类检测时，将梳状阵列导波相控阵换能器耦合包裹在管壁外表面，使梳状阵列排布方向与管母线重合。激励、接收时，同样根据相控声束偏转或聚焦原理，控制导波声束在管壁内的偏转和聚焦，遇到被测管壁内缺陷，产生缺陷回波，根据缺陷回波的有无可判断被测管壁厚范围内是否存在缺陷。利用相控阵超声信号激励接收装置改变该时间差，完成被测管壁二维电子扫描。将该导波相控阵换能器安装于管壁外表面，一次安装，无需机械扫查，即可实现整个管壁的全面二维扫查，可实现管类零件的快速扫描检测。

本发明的的优点在于：

1.本发明研制的导波相控阵换能器具有柔性结构，适用于检测变曲率曲面板和管；

2.本发明研制的导波相控阵换能器，可根据相控原理，通过相位延迟激励及合成各柔性梳状阵列接收的导波信号，在被测曲面板或管壁形成偏转或聚焦导波声束。

3.本发明研制的导波相控阵换能器，可通过电子扫描完成被测曲面板和管的二维扫查，无需复杂多轴机械扫查即可实现曲面板和管的二维检测。

4.本发明研制的导波相控阵换能器总厚度不超过6mm，可伸入狭窄空间检测，且特别适用于嵌入式贴合安装在狭小空间或封闭空间中的零构件表面上或架空、埋地铺设的管线上，以实现关键易损在役件和在役管线的原位检测或实时监测。

5.本发明研制的导波相控阵换能器，可以通过选择激励适当的导波模式，减小包覆层及管内运载液体的影响，特别适合于具有防腐包覆层、埋地或运载有液体的管线的在线检测。

四、附图说明

图1为一种柔性梳状导波相控阵换能器整体结构示意图。

图2为一种柔性梳状导波相控阵换能器组成分布图。

图3为一种柔性梳状导波相控阵换能器检测***示意图。

图4为相控声束偏转或聚焦原理示意图。

图5为一种柔性梳状导波相控阵换能器S扫查图。

图6为一种柔性梳状导波相控阵换能器B扫查图。

图7为板、管相速度频散曲线。

五、具体实施方式

该导波相控阵换能器由多个柔性梳状阵列组成，具体个数由检测曲面尺寸确定。每个柔性梳状阵列至少包括2个以上多个条形压电振子，一般为4到8个条形压电振子，多个条形压电振子沿宽度方向排列形成梳状阵列结构。各柔性梳状阵列沿压电振子长度方向排列形成二维阵列。

各条形压电振子采用柔性1-3型压电陶瓷复合材料。根据压电振子设计原则，将压电振子层制备为中心频率为期望频率的纵振压电振子层。制备柔性匹配层，其厚度为匹配层纵波波长的四分之一。将柔性压电振子与柔性匹配层贴合安装，形成压电-匹配叠层。

如图7所示根据期望激励的导波模式、换能器频率与被测试样壁厚乘积，由板或管导波相速度频散曲线获得期望激励的导波模式的相速度C_p。

切割压电-匹配叠层，切割深度为压电振子层厚度，即将压电振子层切割为二维压电振子梳状阵列。如图2所示，条形柔性压电振子宽度d为期望激励导波模式相速度波长的二分之一，振子与振子之间的间隙s亦为期望激励导波模式相速度波长的二分之一，振子与振子之间的中心间距w为期望激励导波模式相速度波长，梳状阵列总长度D：(振子间中心间距w×振子个数n-振子间隙s)，振子长度l为梳状阵列总长度D的0.618倍并取整，即:取整(梳状阵列总长度D×0.618)，一般振子长度l与宽度d之比不超过10:1。各梳状阵列之间间隙Δs相同，一般不超过被测材料导波波长。

在二维梳状阵列上贴合柔性背衬吸声层，并使用柔性吸声填充材料填充梳状阵列间间隙，在匹配层外侧贴合柔性保护膜。在背衬吸声层外侧贴合柔性电路板，并连接电极，形成柔性梳状导波相控阵换能器主体。

如图1所示，其中柔性电路板将各梳状阵列中的条形压电振子的正负极分别并联汇集，形成各梳状阵列的正负极，并引出。

将换能器正负极与多芯同轴电缆各芯的正负极焊接，在柔性梳状导波相控阵换能器主体除保护膜一侧以外的其他5个表面安装柔性外套，并在柔性电路板与同轴电缆连接处安装刚性电缆固定外壳，以保护连接点。为保证柔性梳状导波相控阵换能器主体能完好贴合在曲表面上，柔性梳状导波相控阵换能器主体边缘与刚性电缆固定外壳间应具有一定宽度的柔性保护外套，宽度一般为10～30mm。最后在同轴电缆的末端焊接安装与相控阵超声信号激励/接收装置配合的多芯同轴电缆标准通用接头，如D38999、DL-260P、Hypertronic、Omni Connector30056等。

本导波相控阵换能器可以用作激励/接收一体换能器，或作为导波的激励或接收换能器。作为激励/接收换能器检测时，如图3所示，导波相控阵换能器与被测试样表面耦合，将换能器接头连接至相控阵超声信号激励/接收装置，激励/接收装置的信号输出端接示波器或经模数转换装置接计算机。换能器在相控脉冲或正弦串信号的激励下，在被测曲面板或管壁内激励偏转或聚焦导波声束。导波在曲面板或管壁内传播，经缺陷反射后，由各梳状阵列接收，各接收信号经相控阵超声信号激励/接收装置形成相控合成回波信号。利用相控阵超声信号激励接收装置改变该时间差，完成被测曲面板或管壁二维电子扫描，各扫描回波信号由计算机进行显示成像。该相控阵换能器安装于板壁一侧表面或管壁外表面可以检测出整个壁厚范围内的缺陷，且无需机械扫查，即可实现曲面板或管的二维扫查，可实现变曲面板或管的快速扫描检测。换能器厚度小于6mm，可以深入狭小空间或贴装在密闭空间的零构件表面，实现嵌入式快速原位检测或在役监测。通过选择适当的导波模式，减小包覆层及管内运载液体的影响，本导波相控阵换能器可用于于具有防腐包覆层、埋地或运载有液体的管线的在线检测。

Claims (11)

1.一种特别适用于曲面板或管类零件快速扫描检测和嵌入式原位检测的柔性梳状导波相控阵换能器，其特征在于：由多个柔性梳状阵列组成，每个柔性梳状阵列至少包括2个以上多个条形压电振子，一般为4到8个条形压电振子，多个条形压电振子沿宽度方向排列形成梳状阵列结构，各柔性梳状阵列沿压电振子长度方向排列形成二维阵列。

2.根据权利要求1所述的柔性梳状导波相控阵换能器，其特征在于：柔性压电陶瓷复合材料压电振子二维阵列，柔性吸声填充物、柔性背衬吸声层、柔性匹配层、柔性保护膜、柔性电路板和柔性外套构成所述柔性梳状导波相控阵换能器的柔性结构，使其可以与各种曲面良好耦合，实现曲面板或管类结构缺陷的检测。

3.根据权利要求1所述的柔性梳状导波相控阵换能器，其特征在于：柔性电路板中的布线将各柔性梳状阵列内的各条形压电振子的正极并联汇集形成各梳状阵列的正极、负极并联汇集形成各梳状阵列的负极，各梳状阵列正负极通过多芯同轴电缆引出。

4.根据权利要求1所述的柔性梳状导波相控阵换能器，其特征在于：根据相控声束偏转或聚焦原理，确定各个柔性梳状阵列之间的激励时间差，控制各柔性梳状阵列激励的导波声束合成后在被测试样表面形成偏转或聚焦。接收时，同样根据相控声束偏转或聚焦原理，采用该时间差对各个柔性梳状阵列接收到的导波回波信号进行合成，形成相控合成回波信号。

5.根据权利要求1所述的柔性梳状导波相控阵换能器，其特征在于：利用相控阵超声信号激励接收装置改变该时间差，在被测曲面板或管类零件完成二维电子扫描。无需机械扫查，即可利用本柔性梳状导波相控阵换能器实现曲面板或管类零件的二维扫查。

6.根据权利要求1所述的柔性梳状导波相控阵换能器，其特征在于：相控阵换能器梳状阵列的各条形柔性压电振子宽度d为被测试样相应导波模式相速度波长的二分之一，振子与振子之间的间隙s亦为被测试样相应导波模式相速度波长的二分之一，振子与振子之间的中心间距w为被测试样相应导波模式相速度波长，振子长度l为梳状阵列总长度D的0.618倍并取整，即:取整(梳状阵列总长度D×0.618)，一般振子长度l与宽度d之比不超过10:1，各梳状阵列之间间隙Δs相同，一般不超过被测试样相应导波模式相速度波长。

7.根据权利要求1所述的柔性梳状导波相控阵换能器，其特征在于：为保护柔性电路板焊盘与多芯同轴电缆焊接点的持久可靠连接，在柔性电路板与多芯同轴电缆连接处安装刚性电缆固定外壳。

8.根据权利要求1所述的柔性梳状导波相控阵换能器，其特征在于：为保证二维柔性阵列换能器主体与曲表面完全贴合，柔性保护套在柔性梳状换能器主体边缘与刚性电缆固定外壳间具有一定宽度的过渡，宽度一般为10～30mm。

9.根据权利要求1所述的导波柔性梳状换能器，其特征在于：该换能器耦合在被测曲面板一侧表面或管壁外表面可检测整个壁厚范围内的缺陷，且无需机械扫查，即可实现曲面板或管的二维扫查，可实现变曲面板或管的快速二维扫描检测。

10.根据权利要求1所述的柔性梳状导波相控阵换能器，其特征在于：换能器厚度小于6mm，可以深入狭小空间或贴装在密闭空间的零构件表面，实现嵌入式快速原位检测或在役检测。

11.根据权利要求1所述的导波柔性梳状换能器，其特征在于：可以通过选择激励适当的导波模式，减小包覆层及管内运载液体的影响，特别适合于具有防腐包覆层、埋地或运载有液体的管线的在线检测。