CN117732704A - 一种低频窄脉冲点接触超声换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种低频窄脉冲点接触超声换能器，包括上壳体和下壳体，上壳体内设置有第一内腔体，下壳体内设置有第二内腔体，第一内腔体与第二内腔体连通，上壳体与下壳体的连接处形成限位台阶，限位台阶上设置有法兰盘，设置在第一内腔体中的压电陶瓷晶体经法兰盘中心通孔伸入第二内腔体中；压电陶瓷晶体的正负极上分别焊接有正负极导线，正负极导线均与设置在上壳体顶板上的BNC电缆接头相连；压电陶瓷晶体侧壁上设置有呈螺旋缠绕式结构的背衬材料层；下壳体底板上开设有安装孔，安装孔内穿设有压电陶瓷匹配层，压电陶瓷匹配层穿入压电陶瓷晶体内。本发明装置具有低频率、大振幅、高灵敏度、点接触的特点。
Description
技术领域
本发明属于超声换能器技术领域，具体涉及一种低频窄脉冲点接触超声换能器。
背景技术
超声换能器主要分为高频检测超声换能器和功率超声换能器，其中，高频检测换能器的频率一般在兆赫兹(MHz)级别以上，其优点是脉冲窄、尺寸小，但辐射能量低，传播距离短，主要应用在金属无损检测、医学检测方面；近年来，高频范围(兆赫兹级别以上)的点接触窄脉冲压电换能器已经应用成熟，但由于此类换能器的辐射能量小、高频信号衰减快，导致其在非金属材料的无损检测、道路桥梁检测、地震物理模拟实验等很多方面无法得到应用。
要实现对大尺寸非金属材料的高精度无损探伤、道路桥梁内部的高精度检测、石油及煤炭等领域的高精度地震物理模拟实验，就需要开发低频窄脉冲点接触超声换能器，但现有技术中的低频(几十千赫兹级别)换能器存在以下缺陷：换能器的辐射能量和尺寸成反比，辐射能量强则超声换能器尺寸大；换能器频率与尺寸成反比，频率越低尺寸越大；低频和窄脉冲相互制约；频率越低辐射能量越大，脉冲尾波越多，频带越窄，亟需改进。
发明内容
为解决现有技术中的上述问题，本发明提供一种低频窄脉冲点接触超声换能器，以提高大尺寸非金属材料的无损探伤精度、道路桥梁内部检测精度以及煤炭和石油领域的地震物理模拟实验探测精度。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种低频窄脉冲点接触超声换能器，包括一体化连通设置的上壳体和下壳体，所述上壳体内设置有第一内腔体，所述下壳体内设置有第二内腔体，所述第一内腔体与第二内腔体连通，所述上壳体与下壳体的连接处形成限位台阶，所述限位台阶上设置有法兰盘，设置在第一内腔体中的压电陶瓷晶体经法兰盘中心通孔伸入第二内腔体中；
所述压电陶瓷晶体的正负极上分别焊接有正负极导线，所述正负极导线分别经开设在上壳体顶板上的出线孔穿出，并与设置在上壳体顶板上的BNC电缆接头相连；
所述压电陶瓷晶体侧壁上设置有呈螺旋缠绕式结构的背衬材料层；
所述下壳体底板上开设有安装孔，所述安装孔内穿设有压电陶瓷匹配层，所述压电陶瓷匹配层穿入压电陶瓷晶体内。
本发明还具有以下技术特征：
具体的，所述低频窄脉冲点接触超声换能器的脉冲范围为20～100kHz。
更进一步的，所述上壳体与下壳体均为圆柱形，且上壳体的直径大于下壳体的直径。
更进一步的，所述背衬材料层由质量比为1:2的环氧树脂与硅橡胶制成。
更进一步的，所述背衬材料层由螺旋缠绕在压电陶瓷晶体侧壁上的背衬材料条带构成，所述背衬材料条带的宽度为1～2cm、厚度为1～2mm。
更进一步的，所述法兰盘设置在压电陶瓷晶体共振位移节点x0＝0处。
更进一步的，所述正负极导线的焊接在压电陶瓷晶体共振位移节点x0＝0处。
更进一步的，所述压电陶瓷匹配层为圆柱体结构，压电陶瓷晶体为长方体结构。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)采用本发明装置能够进行点接触式检测，并通过在压电陶瓷晶体外表面设置背衬材料层，以及在背衬材料层于壳体之间设置的充填材料提高换能器的带宽、减少余振，本发明装置具有辐射能量强，低频率、大振幅、高灵敏度、点接触的特点，能够满足大尺寸非金属材料的无损探伤精度、道路桥梁内部检测精度以及煤炭和石油领域的地震物理模拟实验探测精度提高需求。
(2)本发明装置结构简单，使用方便，具有很强的推广使用价值。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
图1是本发明装置的整体结构示意图；
图2是实施例1的40kHz超声换能器的时域波形图；
图3是实施例1的40kHz超声换能器的频域波形图。
图中各标号表示为：
1-上壳体，2-下壳体，3-限位台阶，4-法兰盘，5-压电陶瓷晶体，6-正负极导线，7-BNC电缆接头，8-背衬材料层，9-压电陶瓷匹配层。
以下结合附图和具体实施方式对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是，本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、底、顶”通常是指以相应附图的图面为基准定义的，“内、外”是指以相应附图的轮廓为基准定义的。
实施例1
遵循上述技术方案，如图1所示，本实施例中公开了一种低频窄脉冲点接触超声换能器，包括一体化连通设置的上壳体1和下壳体2，上壳体1内设置有第一内腔体，下壳体2内设置有第二内腔体，第一内腔体与第二内腔体连通，上壳体1与下壳体2的连接处形成限位台阶3，限位台阶3上设置有法兰盘4，设置在第一内腔体中的压电陶瓷晶体5经法兰盘4中心通孔伸入第二内腔体中。
压电陶瓷晶体5为长方体形状，其材质为收发型压电陶瓷，采用长方体结构是为了充分利用晶体长度伸缩振动模式，一方面能够降低频率，另一方面长条形晶体在长度方向伸缩振动时的声波相位不同，余振相互抵消，可以达到增大带宽的效果；法兰盘4由高分子绝缘材料制成；背衬材料层8以高分子绝缘材料制成。
作为本实施例的一种优选方案，压电陶瓷晶体5的正负极上分别焊接有正负极导线6，正负极导线6经开设在上壳体1顶板上的出线孔穿出后与设置在上壳体1顶板上的BNC电缆接头7相连；
压电陶瓷晶体5侧壁上设置有呈螺旋缠绕式结构的背衬材料层8；
下壳体2底板上开设有安装孔，安装孔内穿设有压电陶瓷匹配层9。
本实施例中，压电陶瓷匹配层9为耐磨的氧化锆材质，压电陶瓷匹配层9穿入压电陶瓷晶体5内。压电陶瓷匹配层9***压电陶瓷晶体5后形成阶梯型结构，阶梯型结构的放大倍数大，能满足小尺寸大振幅的要求，最终能够提高换能器的转换效率，插接处用硅胶固定风干。压电陶瓷匹配层9的下端可以实现点接触检测。
作为本实施例的一种优选方案，低频窄脉冲点接触超声换能器的脉冲范围为20～100kHz。
作为本实施例的一种优选方案，上壳体1与下壳体2均为圆柱形，且上壳体1的直径大于下壳体2的直径。
作为本实施例的一种优选方案，背衬材料层由质量比为1:2的环氧树脂与硅橡胶制成，背衬材料层8由螺旋缠绕在压电陶瓷晶体5侧壁上的背衬材料条带构成，背衬材料条带的宽度为1～2cm、厚度为1～2mm，背衬材料层用于吸收向后和周围径向传递的余振。
作为本实施例的一种优选方案，背衬材料层8与上壳体1内壁之间形成的间隙内填充有充填材料，充填材料由氧化铝颗粒和硅橡胶混合后制成，氧化铝颗粒与硅橡胶的质量比为1:1.2～1.5。
填充的充填材料的目的在于，进一步吸收向后和周围径向传递的余振，并对压电陶瓷晶体5进行加固。
与通过阻尼材料内部的相互摩擦发热耗散向后传导的声波，以吸收抑制余振相比，将背衬材料层8直接缠绕在压电陶瓷晶体5上的优点在于：背衬材料层8的凝固时间短、背衬材料层厚度可控且能够有效吸收抑制余振，不会出现背衬材料层一旦凝固便不可做任何更改、只能报废的情况。
作为本实施例的一种优选方案，法兰盘4设置在压电陶瓷晶体5与压电陶瓷匹配层8的共振位移节点x0＝0处，共振位移节点通过计算压电陶瓷晶体的波长λ，其位置在λ/4处。
在基频振动下，压电陶瓷晶体5的共振位移节点x0＝0处的振幅等于零，与共振位移节点距离最远的端点的振幅最大，为避免压电陶瓷晶体5产生其他杂波，必须将法兰盘4固定在此处。
作为本实施例的一种优选方案，正负极导线6的焊接在在压电陶瓷晶体5共振位移节点x0＝0处，因为在共振位移节点x0＝0处，振动最弱，将焊点设置在此处，可以避免导线产生振动引起其他杂波。
作为本实施例的一种优选方案，压电陶瓷匹配层8为圆柱体结构，压电陶瓷晶体5为长方体结构。
本装置的装配过程如下：
(1)制备压电陶瓷晶体；
(2)制备氧化锆材质的压电陶瓷匹配层，用超声打孔机在压电陶瓷晶体端面打孔深为5～7mm的安装孔，且安装孔与压电陶瓷晶体端面垂直并居中；
(3)将压电陶瓷匹配层***安装孔，然后用AB胶粘接缝隙；
(4)焊接导线，然后安装法兰盘；
(5)将背衬材料条带缠绕在压电陶瓷晶体侧壁上；
(6)将压电陶瓷晶体装入壳体，然后填充充填材料。
(7)正负极导线连接BNC电缆接头，并封装完成。
装配完成后，在进行检测时，将本实施提供的超声换能器和接收换能器分别放置在待检测物体的一侧，形成一个透射观测***，超声换能器在一侧将电脉冲信号转换为超声振动信号，接收换能器在另外一侧接收振动信号后将其转换为电信号，然后对采集到的信号存储和分析解释。
采用本实施例制提供的40kHz超声换能器进行以换能器直接对接换能器，中间不加其他被测物体的方式进行检测，得到了如图2所示的时域波形图和如图3所示的频域波形图；从图2可以看出本实施例提供的超声换能器激发的为窄脉冲波形，几乎无余振，且辐射能量大；从图3可以看出换能器的主频为40kHZ左右，实现了低频。
对比例1
本对比例中使用现有的超声换能器，其结构为：将匹配层、压电陶瓷片和背衬材料层由前向后依次粘接，压电晶体采用院采用常规压电陶瓷片，背衬材料层采用钨粉+高塑性金属粉混合材料/热塑性塑料粉末或树脂材料，通过高压或热压成片后粘合在压电陶瓷晶体上。
经检测，本对比例提供的超声换能器的谐振频率为460kH～470kH，无法达到实施例1的低频指标；背衬材料层只能粘贴在压电陶瓷片背面，无法吸收径向振动的杂波；无法实现点接触。
检测时，由于换能器直径太大只能放置在薄板上形成反射观测***，无法实现透射观测***采集。
综上所述，采用本发明装置能够进行点接触式检测，并通过在压电陶瓷晶体外表面设置背衬材料层，以及在背衬材料层于壳体之间设置的充填材料提高换能器的带宽、减少余振，本发明装置具有辐射能量强，低频率、大振幅、高灵敏度、点接触的特点，能够满足大尺寸非金属材料的无损探伤精度、道路桥梁内部检测精度以及煤炭和石油领域的地震物理模拟实验探测精度提高需求。
在以上的描述中，除非另有明确的规定和限定，其中的“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是拆卸连接或成一体；可以是直接连接，也可以是间接连接等等。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术方案中的具体含义。
在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，只要其不违背本发明的思想，同样应当视其为本发明所公开的内容。
Claims (9)
1.一种低频窄脉冲点接触超声换能器，包括一体化连通设置的上壳体(1)和下壳体(2)，所述上壳体(1)内设置有第一内腔体，所述下壳体(2)内设置有第二内腔体，所述第一内腔体与第二内腔体连通，其特征在于，所述上壳体(1)与下壳体(2)的连接处形成限位台阶(3)，所述限位台阶(3)上设置有法兰盘(4)，设置在第一内腔体中的压电陶瓷晶体(5)经法兰盘(4)中心通孔伸入第二内腔体中；
所述压电陶瓷晶体(5)的正负极上分别焊接有正负极导线(6)，所述正负极导线(6)经开设在上壳体(1)顶板上的出线孔穿出后与设置在上壳体(1)顶板上的BNC电缆接头(7)相连；
所述压电陶瓷晶体(5)侧壁上设置有呈螺旋缠绕式结构的背衬材料层(8)；
所述下壳体(2)底板上开设有安装孔，所述安装孔内穿设有压电陶瓷匹配层(9)，所述压电陶瓷匹配层(9)穿入压电陶瓷晶体(5)内。
2.如权利要求1所述的低频窄脉冲点接触超声换能器，其特征在于，所述低频窄脉冲点接触超声换能器的脉冲范围为20～100kHz。
3.如权利要求1所述的低频窄脉冲点接触超声换能器，其特征在于，所述上壳体(1)与下壳体(2)均为圆柱形，且上壳体(1)的直径大于下壳体(2)的直径。
4.如权利要求1所述的低频窄脉冲点接触超声换能器，其特征在于，所述背衬材料层(8)由质量比为1:2的环氧树脂与硅橡胶制成。
5.如权利要求1所述的低频窄脉冲点接触超声换能器，其特征在于，所述背衬材料层(8)由螺旋缠绕在压电陶瓷晶体(5)侧壁上的背衬材料条带构成，所述背衬材料条带的宽度为1～2cm、厚度为1～2mm。
6.如权利要求1所述的低频窄脉冲点接触超声换能器，其特征在于，所述背衬材料层(8)与所述上壳体(1)内壁之间形成的间隙内填充有充填材料，所述充填材料由质量比为1:(1.2～1.5)氧化铝颗粒和硅橡胶混合制成。
7.如权利要求1所述的低频窄脉冲点接触超声换能器，其特征在于，所述法兰盘(4)设置在压电陶瓷晶体(5)共振位移节点x0＝0处。
8.如权利要求1所述的低频窄脉冲点接触超声换能器，其特征在于，所述正负极导线(6)的焊接在在压电陶瓷晶体(5)共振位移节点x0＝0处。
9.如权利要求1所述的低频窄脉冲点接触超声换能器，其特征在于，所述压电陶瓷匹配层(9)为圆柱体结构，压电陶瓷晶体(5)为长方体结构。
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