CN210665625U - 一种具有高灵敏度的双晶复合超声探头 - Google Patents
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Abstract
一种具有高灵敏度的双晶复合超声探头，包括外壳，楔块，隔声层，背衬材料，超声波发射晶片和超声波接收晶片，所述楔块呈八边形，楔块左上斜边和右上斜边的角度均为第一临界折射纵波角θ，左下斜边角度和右下斜边角度相同，隔声层竖直布置在楔块中间位置；所述超声波发射晶片为1‑3型PZT压电陶瓷，超声波接收晶片为聚偏氟乙烯压电薄膜；所述超声波发射晶片和超声波接收晶片的中心距隔声层水平距离为a，
楔块下底面长度为L，
其中，h为超声波发射晶片的中心距楔块下底面的垂直距离，D为超声波发射晶片的直径，b为隔声层厚度。该超声探头具有高空间分辨率、高灵敏度、低功率损耗和宽带宽等优势。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种具有高灵敏度的双晶复合超声探头，属于超声波无损检测技术领域。
背景技术
残余应力的存在对材料的力学性能有重大影响，在焊接构件的制造和热处理过程中尤为明显。因此，金属构件及焊接接头残余应力的检测对于热处理工艺、表面强化处理工艺、消除应力工艺的效果等均具有非常重要的意义。超声波检测方法是利用材料的声弹效应，通过准确测定超声波在构件内传播速度的变化得出应力分布，具有灵敏度高、检测简便快速、设备轻便且成本低的优点。
目前超声波检测残余应力主要采用双晶斜探头，其检测精度与探头硬件、耦合效果和空间分辨率有关。在探头硬件方面，现有技术中作为换能元件的PZT压电陶瓷(锆钛酸铅系压电陶瓷)晶片存在声阻抗高、带宽窄、机械品质因子高，无法满足无损检测中宽带宽要求等缺点。因此，开发一种高空间分辨率、高灵敏度和宽带宽的超声波探头对残余应力的测量是十分重要的。
实用新型内容
本实用新型的发明目的是提供一种双晶复合超声探头，该超声探头具有高空间分辨率、高灵敏度、低功率损耗和宽带宽等优势，大大提高了其用于残余应力检测的检测精度。
本实用新型实现其发明目的所采取的技术方案如下：
一种具有高灵敏度的双晶复合超声探头，包括外壳，楔块，隔声层，背衬材料，超声波发射晶片和超声波接收晶片，所述楔块设置在外壳内的下部，背衬材料注满外壳内楔块的上层空间，其结构特征是：
所述楔块呈八边形，楔块左上斜边和右上斜边的角度均为第一临界折射纵波角θ，左下斜边角度和右下斜边角度相同，隔声层竖直布置在楔块中间位置；
所述超声波发射晶片为1-3型PZT压电陶瓷，超声波接收晶片为聚偏氟乙烯压电薄膜；超声波发射晶片和超声波接收晶片对称固定于楔块的左上斜边和右上斜边；
所述超声波发射晶片的中心距隔声层水平距离为a(超声波发射晶片和超声波接收晶片对称固定于楔块的左上斜边和右上斜边，所以超声波接收晶片的中心距隔声层水平距离也为a)，
楔块下底面长度为L，
其中，h为超声波发射晶片的中心距楔块下底面的垂直距离，θ为第一临界折射纵波角，D为超声波发射晶片的直径，b为隔声层厚度。
进一步，本实用新型所述隔声层厚度b为1-2mm，隔声层距楔块上顶面距离为2-3mm。
进一步，本实用新型所述楔块为有机玻璃、聚苯乙烯或聚砜板。
本实用新型的背衬材料可采用现有背衬材料，优选为采用质量比为3：1的纳米钨粉与环氧树脂的混合材料。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
一、本实用新型探头将常用双晶斜探头的平面楔块设计为八边形，减小了探头与工件的接触面积，降低了耦合程度对残余应力测量的影响，并且减小了应力测量距离，提高了超声应力测量的空间分辨率，有利于狭小焊缝的残余应力检测。
二、1-3型PZT压电陶瓷是压电陶瓷柱按照一定规律排列的聚合材料，与普通PZT压电陶瓷晶片相比具有更佳的机电耦合系数，和较低的输入功率损耗，具有高发射灵敏度，是一种良好的发射型压电材料。聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜弹性刚度小，机械阻尼大，具有较高的接收灵敏度和较宽的频带接收范围，是一种良好的接收型压电材料。本实用新型采用1-3型PZT压电陶瓷材料作为超声波发射晶片，采用聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜材料作为超声波接收晶片，综合利用了1-3型PZT的高发射灵敏度和PVDF高接收灵敏度、宽频带接收的优势，克服了现有超声波探头带宽窄和功率损耗高等缺陷，提高了超声波探头的带宽和灵敏度。
附图说明
图1是本实用新型整体结构示意图。
图2为本实用新型楔块尺寸的设计原理图。
图3为本实用新型实施例楔块尺寸示意图。
图中，1表示背衬材料；2表示超声波发射晶片；3表示楔块；4表示隔声层；5表示超声波接收晶片；6表示外壳。
具体实施方式
一种具有高灵敏度的双晶复合超声探头，如图1所示，包括外壳6，楔块3，隔声层4，背衬材料1，超声波发射晶片2和超声波接收晶片，所述楔块3设置在外壳6内的下部，背衬材料1注满外壳6内楔块3的上层空间；包括楔块3，隔声层4，背衬材料1，超声波发射晶片2和超声波接收晶片5，所述楔块3呈八边形，楔块3左上斜边和右上斜边的角度均为第一临界折射纵波角θ，左下斜边角度和右下斜边角度相同，隔声层4竖直布置在楔块3中间位置，隔声层厚度为1-2mm，隔声层4距上顶面2-3mm(隔声层4距楔块3上顶面的距离设置可防止切割隔声层时将楔块完全切开，方便后续加工)；
所述超声波发射晶片2为1-3型PZT压电陶瓷，超声波接收晶片5为聚偏氟乙烯压电薄膜；超声波发射晶片2和超声波接收晶片5对称固定于楔块3的左上斜边和右上斜边；
所述超声波发射晶片2的中心距隔声层4水平距离为a，
楔块3下底面长度为L，
其中，h为超声波发射晶片2的中心距楔块3下底面的垂直距离，θ为第一临界折射纵波角，D为超声波发射晶片2的直径，b为隔声层4厚度。
所述楔块3为有机玻璃、聚苯乙烯或聚砜板。
图2为本实用新型楔块尺寸的设计原理图。进行超声波应力检测时，超声波发射晶片发出的超声波传播区域如图2阴影部分，超声波传播至ABC段，其中起检测作用的为BC段，为了探头提高空间分辨率，应减少应力测量距离，控制起检测作用的BC段长度，但根据前期实验，至少一半超声波发射晶片发出的超声波用于检测才可满足测量要求；同时为了获得更好的检测效果，需要使得超声波发射晶片发出的超声波刚好接触到隔声层一端C处。所以，根据大量实验，通过对楔块的尺寸设计，控制超声波发射晶片2的中心距隔声层4水平距离为
楔块3下底面长度L的范围为
可获得高灵敏度、低功率损耗和宽带宽的探头。
实施例
一种具有高灵敏度的双晶复合超声探头，包括外壳6，楔块3，隔声层4，背衬材料1，超声波发射晶片2和超声波接收晶片，所述楔块3设置在外壳6内的下部，背衬材料1注满外壳6内楔块3的上层空间；所述楔块3呈八边形，楔块3左上斜边和右上斜边的角度均为第一临界折射纵波角θ，θ＝22°，左下斜边角度和右下斜边角度相同，本例中均为22°，隔声层4竖直布置在楔块3中间位置，隔声层厚度为2mm，隔声层4距楔块上顶面距离为2mm；
本例中所述超声波发射晶片2为直径D＝5mm、中心频率2.5MHz的1-3型PZT压电陶瓷，超声波接收晶片5为直径为5mm的聚偏氟乙烯压电薄膜；超声波发射晶片2和超声波接收晶片5对称固定于楔块3的左上斜边和右上斜边；
所述超声波发射晶片2和超声波接收晶片5的中心距隔声层4水平距离为a，
楔块3下底面长度为L，
其中，h为超声波发射晶片2和超声波接收晶片5的中心距楔块3下底面的垂直距离，h＝10mm，θ为第一临界折射纵波角，θ＝22°，D为超声波发射晶片2的直径D＝5mm，b为隔声层4厚度，b＝2mm，本例中楔块下底面长度L＝8mm；本实施例楔块尺寸如图3所示。
本例中所述背衬材料1使用纳米钨粉与环氧树脂混合材料，质量比为3：1，背衬材料1注满外壳6内楔块3的上层空间。
本例中所述楔块3材料为有机玻璃。
本例中所述超声波发射晶片2和超声波接收晶片5与超声波信号处理***相连。超声波发射晶片1-3型PZT压电陶瓷通过超声波信号处理***电路控制，可产生不同频率的振动，将输入电信号转为超声波信号，经楔块传送至待测焊件。超声波接收晶片PVDF压电薄膜将由待测焊件经楔块传来的超声波信号转为电信号，输出至超声波信号处理***的信号处理器中，PVDF压电薄膜的压电响应在大范围内都呈线性，信号容易被过滤器采集，宽带宽，灵敏度高。
Claims (3)
1.一种具有高灵敏度的双晶复合超声探头，包括外壳，楔块，隔声层，背衬材料，超声波发射晶片和超声波接收晶片，所述楔块设置在外壳内的下部，背衬材料注满外壳内楔块的上层空间，其特征在于：
所述楔块呈八边形，楔块左上斜边和右上斜边的角度均为第一临界折射纵波角θ，左下斜边角度和右下斜边角度相同，隔声层竖直布置在楔块中间位置；
所述超声波发射晶片为1-3型PZT压电陶瓷，超声波接收晶片为聚偏氟乙烯压电薄膜；超声波发射晶片和超声波接收晶片对称固定于楔块的左上斜边和右上斜边；
所述超声波发射晶片的中心距隔声层水平距离为a，
楔块下底面长度为L，
其中，h为超声波发射晶片的中心距楔块下底面的垂直距离，θ为第一临界折射纵波角，D为超声波发射晶片的直径，b为隔声层厚度。
2.根据权利要求1所述的一种具有高灵敏度的双晶复合超声探头，其特征在于：所述隔声层厚度b为1-2mm，隔声层距楔块上顶面距离为2-3mm。
3.根据权利要求1所述的一种具有高灵敏度的双晶复合超声探头，其特征在于：所述楔块为有机玻璃、聚苯乙烯或聚砜板。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113533518A (zh) * | 2021-07-14 | 2021-10-22 | 北京信泰智合科技发展有限公司 | 一种大角度纵波探头及制备方法 |
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2019
- 2019-09-26 CN CN201921608777.0U patent/CN210665625U/zh active Active
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| CN113533518B (zh) * | 2021-07-14 | 2024-04-26 | 北京信泰智合科技发展有限公司 | 一种大角度纵波探头及制备方法 |
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