专利名称：一种经改进的250℃温度下测厚用的超声波传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种经改进的250℃温度下测厚用的超声波传感器，属于超声波测厚领域。
钢板厚度的均匀性，是检测其品质的重要指标之一。要保证锅炉与管道的正常工作，它们壁厚需要定期或随机的进行测试，这些都离不开利用超声波脉冲反射原理来测定工件厚度的超声波测厚技术。
在这个检测领域中，常温超声波测厚仪虽已被广泛应用于石化工业、造船业、汽车制造、电站、机器制造业中对锅炉、储油罐、管道、管材、板坯、锻件、法兰、船壳、甲板、轨道、机加工零件等的厚度测量和腐蚀测量。但在很多的工作场合，人们需要的是可在高温下工作的高温超声波测厚仪，如前所述的对钢板厚度的均匀性和对锅炉与管道壁厚的检测，这就涉及到在高温下测厚用的超声波传感器。
测厚用的超声波传感器，是超声波测厚仪的重要组成部分，要解决高温下的超声波测厚，首先要有能在高温下正常工作的压电陶瓷，以保证高温超声波测厚仪传感器在常温和高温下检测的情况一致。这是高温超声波测厚仪传感器的核心。此外，对直接与被测物体接触的零件-延迟块的用材，也要重新选择。
由于压电陶瓷片的收发信号，直接反映了被测物体的厚度或被腐蚀情况，因此，对于压电陶瓷片的电荷引出以及对检测的可靠性要求非常之高。另外，各种被测信号是通过从超声波测厚仪传感器中引出的电缆线，传输到显示仪表中去的，而这电缆线和超声波测厚仪传感器中的压电陶瓷片是靠两根很细的引线连接的，即是用焊锡焊接的。这两根很细的连接线又是用焊锡点焊在压电陶瓷片上的。
通常，在压电陶瓷片的两端面，即在两个电极上，分别要有引出线，以输出电荷。因为超声波测厚仪传感器内部的空间较小，引线较长，所以会经常出现短路，即两根引线之间或引线和外壳之间的短路，以及接触不好等问题。此外，与这两根焊接到压电陶瓷片上的细线相比，传感器的输出电缆线是粗得多。因此在装配中，常常由于这两根线的缘故造成了很多麻烦。比如，受输出电缆线的影响，压电陶瓷片上的镀银层(焊点)可能会被细连接线拉起；考虑到装配方便，细连接线可留得长些，而过长的细连接线极易造成接触不良或短路。这些都给传感器的装配者和测试者的工作带来了较大的难度。
图1为一般超声波测厚仪传感器的结构示意图。图中1-外壳；2-延迟块；3-声隔离层；4-一般压电敏感元件；5-下电极引出线；6-上电极引出线；7-匹配层；8-输出电缆线。通常，在压电陶瓷片两端面的被上银层，即在两个电极上，分别引出线，以输出电荷。因为超声波测厚仪传感器内部的空间较小，引线较长，所以会经常出现短路，即两根引线之间或引线和外壳之间的短路，以及接触不好等问题。此外，与这两根焊接到压电陶瓷片上的细线相比，传感器的输出电缆线是粗得多。因此在装配中，常常由于这两根线的缘故造成了很多麻烦。比如，受输出电缆线的影响，压电陶瓷片上的镀银层(焊点)可能会被细连接线拉起；考虑到装配方便，细连接线可留得长些，而过长的细连接线极易造成接触不良或短路。这些都给传感器的装配者和测试者的工作带来了较大的难度。最主要是目前尚无能在250℃高温下使用的测厚用超声波传感器。
本发明的目的在于提供一种经改进的能在250℃温度下测厚用的超声波传感器。
为达到本发明的目的，本组合发明改进的方面有1、用改性的偏铌酸铅高温压电陶瓷材料作为高温超声波测厚仪传感器的敏感元件，由于材料的居里温度提高，使传感器的应用温度亦相应提高；2、选用聚酰亚胺材料作为延迟块；3、对压电陶瓷片传统的输出电极进行了翻边的技术改进，以解决电荷输出不可靠、易短路等问题；4、用可耐较高温度和耐油的橡塑材料代替常温下用的软木材料作为隔声材料；5、用高温导电胶取代焊锡来连接压电陶瓷片和信号输出线，以提高工作温度；6、用钛合金作为传感器的外壳材料，取代原来的不锈钢外壳，以提高它的使用温度；7、用高温硅橡胶取代环氧树脂和钨粉相配，作为吸声材料，有利于在较高的温度下工作；8、在与压电陶瓷片连接的这两根细连接线和传感器的输出电缆线之间，增加一块引线板，以解决上述镀银层(焊点)可能会被拉起或接触不良或短路等问题，引线板与输出电缆线的连接用高温导电胶。
下面对经改进的高温(250℃)超声波测厚仪传感器的实质性特点和显著的进步分三方面作进一步详细的描述。
一．传感元件用材的改进选用改性偏铌酸铅高温压电陶瓷材料改性偏铅酸铅是一种利用少量置换物与添加物的偏铌酸铅压电陶瓷材料。偏铌酸铅压电陶瓷有一些非常突出的特点，如低的机械品质因素(Qm＜10)、单一的振动模式(Kt＞Kr)和较高的居里温度(Tc=579℃)等。故在工业检测、医疗诊断与高温传感器方面有着十分广阔的应用前景．对纯偏铌酸铅PbNb2O6从而言，其铁电相位于高温区(～123℃)，需用淬冷的技术把它冻结至常温或低温区进行使用，这就导致纯偏铌酸铅压电陶瓷材料与元件的制备工艺变得十分复杂、困难，因而大大限制了这类陶瓷材料的生产与广泛应用。为了制得可供实际应用的偏铌酸铅压电陶瓷材料与元件，大多采用K+、Ba2+等离子置换和添加ZrO2、TiO2和Nb2O5等办法来实现。K+、Ba2+等离子的置换和各种氧化物的添加，虽然能较有效地改善材料的工艺性和提高材料的压电性能，但材料的各向异性变差、Qm增大，居里温度降低，这就使纯偏铌酸铅材料的优良性能大大下降，而且不宜在高温下使用。
本发明使用的改性偏铌酸铅高温压电陶瓷材料的一类含有效添加剂(稀土氧化物)和少量Ca2+或Ba2+的置换所制得的改性偏铌酸铅压电陶瓷材料，以保持材料在具有纯偏铌酸铅优点的同时，改善了材料的高温压电性能和工艺性能。其通式可表示为Pb1-xMexNb2O6+ywt％，其中虽然x、y的量较小，但工艺性良好；其压电性能优于纯的PbNb2O6陶瓷；居里温度为555～570℃，接近或等于纯PbNb2O6的居里温度(570℃)。这种材料可以在室温～400℃的范围内反复或长期使用。
具体地说，本发明使用的改性偏铅酸铅压电陶瓷材料的组成通式为Pb1-xMexNb2O6十ywt％，其中，Me为Ca2+或Ba2+x=0.00～0.10；稀土氧化物为CeO2、Sm2O3、Nd2O3或TeO2。y=0.01～0.30。
按上述配方进行配料，用功能陶瓷的一般工艺，经球磨混合、干燥、压块(压力为10MPa)、合成800℃/2小时)、细磨(球磨)、烘干、加粘造粒，成型(成型压力为150～200 MPa)、排塑(800℃/小时)，烧结(1260～1300℃/20’30’)，烧结的素坯经冷加工、清洗、上电极、极化(极化温度180℃，极化电压5KV/mm)，最后进行性能测试，即成可以使用的高温压电陶瓷元件。
这种改性偏铅酸铅的效果如下．1-1．改善了材料的工艺性能，陶瓷元件在烧结后无需淬火，随炉自然冷却即可将高温铁电相保持到室温；1-2．提高了材料的Kt(Kt=0.38～0.45)；1-3．提高了材料的居里温度(Tc=530～570℃。)；1-4．降低Qm至10以下；1-5．可以方便地制备各种形状(圆片、长方片、半球。空心球、圆环、圆管和圆柱等)的元件，其尺寸可以达到直径(或长度与宽度)5～200毫米和厚度0.2～10毫米。
二．电极工艺及引线结构的改进1．在高温压电敏感元件的制作中，即在被银过程中，将压电陶瓷片的其中一个电极翻到另一个面上，使高温压电陶瓷片14的两个电极在同一个端面上(见图2)，然后对压电陶瓷片进行极化，以形成在一个端面上将两个电极分别引出。在图2中9-非被银区；10-负电极引出(小到可以焊锡)；11-正电极引出。在普通型超声波测厚仪传感器中，电荷是靠由很细的连接线焊在压电陶瓷片上引出的，压电陶瓷片是用导电胶粘接在延迟块上的。由于焊点的原因，导致压电陶瓷片和延迟块这两个粘接面的不平。通过对压电敏感元件的输出电极进行翻边处理，将两个电极在同一个端面上分别引出，使粘接面的不平，装配麻烦这些问题迎刃而解。在这里，电荷是靠由很细的连接线用高温导电胶粘接在压电陶瓷片上引出的。高温导电胶的牌号为DAD-30，由上海市合成数脂研究所生产。
2．从压电敏感元件上两个电极引出的两根很细的连接线也是用高温导电胶连接在引线板15(见图3)的同一面上，引线板用压环16固定在超声波测厚仪传感器内。引线板的另一面与传感器的输出电缆线也用高温导电胶连接，以提高其工作温度。引线板上两面对应的连接点相通，方便引线。图中12-连接压电陶瓷片的正电极引出和输出电缆线的正极相连；13-连接压电陶瓷片的负电极引出和输出电缆线的负极相连。可以看到，采取了这一改进，可以减少传感器内部的空间小，引线长，而经常带来的短路现象。
三．其它方面的改进1．选用了可在220～250℃高温下长时间使用的聚酰亚胺，作为与被测物体接触的零件-延迟块的材料。以替代在普通型超声波测厚仪传感器中延迟块用的是聚砜材料；
2．用可耐较高温度和耐油的橡塑材料代替常温下用的软木材料作为隔声材料；3．焊锡的工作温度是在150℃左右，用可在250℃以上工作的高温导电胶取代焊锡使压电陶瓷片和信号输出线粘接，达到连接目的，以提高传感器的工作温度；4．因为钛合金适合在较高的温度下使用，所以用钛合金作为传感器的外壳材料，取代原来的外壳用材不锈钢，以提高它的使用温度；5．由于高温硅橡胶的工作温度高于环氧树脂，在此用高温硅橡胶和钨粉相配，作为吸声材料，有利于传感器在较高的温度下工作。
6．压环由一般金属材料或陶瓷材料构成。引线板材料可用耐高温的氟塑料板。
因为高温超声波测厚仪传感器每次的工作时间仅几秒钟，属瞬间作业，所以，通过这几种用材和结构上的改进，尤其是利用了改性偏铌酸铅高温压电陶瓷材料作为敏感元件，本发明所提供的这种超声波测厚仪传感器可以在被测物体的表面温度在250℃的条件下工作。
综上所述，通过上述改进，给高温超声波测厚仪传感器的装配带来了方便，增加了高温超声波测厚仪传感器在装配和测试过程中的成功率。
图4为本发明提出的，经过了上述工艺改进和选用了改性偏铌酸铅高温压电陶瓷材料作为敏感元件的高温超声波测厚仪传感器的结构示意图。图中1-外壳；2-延迟块；3-声隔离层；14-有翻边的高温压电陶瓷片；5-下电极引出线；6-上电极引出线；7-匹配层；8-输出电缆线；15-引线板；16-压环。可以看到，压电陶瓷片的输出形式改变，大大降低了装配工作的难度，减少了因高温超声波测厚仪传感器内部的空间较小，引线较长，而经常带来的短路现象，从而增加了高温超声波测厚仪传感器在装配和测试过程中的成功率。
下面通过实施例，进一步说明本发明，但决不局限於实施例。
实施例1．选用x=0.03(Me=Ca),y=0.1(CeO2)的改性偏铌酸铅高温压电陶瓷材料取代一般超声波测厚仪传感器中用的压电陶瓷材料，对并改性偏铌酸铅高温压电陶瓷材料的输出电极方式进行改进，采用翻边技术，将原来由在两个端面分别输出的电极改为在同一端面上输出，如图2所示的正、负两个电极引出区10、11在同一端面上，中间由非被银区3隔开。其中，正电极引出区较大，负电极引出区较小，只要小到可以用高温导电胶将φ1mm很细的连接线粘住为止；用聚酰亚胺作为延迟块的材料；用橡塑材料作为隔声材料；用高温导电胶来粘接压电陶瓷片和信号输出线；用钛合金作为传感器的外壳材料；引线板用氟塑料板制成，引线板上两面各对应的连接点导通；压环由一般金属材料或陶瓷材料构成；用高温硅橡胶和钨粉相配，作为吸声材料，按图4所示的高温超声波测厚仪传感器的结构示意图装配而成。
实施例2．选用x=0.07(Me=Ba),y=0.05(Nb2O3)的改性偏铌酸铅高温压电陶瓷材料取代一般超声波测厚仪传感器中用的压电陶瓷材料，其余同实施例1。
权利要求
1．一种经改进的250℃高温下测厚用的超声波传感器，包括外壳、延迟块、声隔离层、高温压电敏感元件、电极引出线、匹配层以及输出电缆线，其特征在於(1)选用改性偏铌酸铅材料作为高温超声波测厚仪传感器的敏感元件；(2)延迟块的材料，选用了的聚酰亚胺；(3)隔声材料为可耐较高温度和耐油的橡塑材料；(4)压电陶瓷片和信号输出线用高温导电胶粘接；(5)吸声材料为高温硅橡胶和钨粉；(6)对压电敏感元件的输出电极进行了翻边，电荷是靠很细的连接线，用高温导电胶粘接在压电敏感元件上引出的；(7)在压电敏感元件的信号引出线和传感器的输出电缆线之间，增加一块以氟塑料板为材料的引线板。用高温导电胶将压电敏感元件上电荷引出线的另一端固定在引线板上；(8)用压环将引线板固定在传感器内。
2．按权利要求1所述的经改进的250℃高温下测厚用的超声波传感器，其特征在於所述的改性偏铌酸铅高温压电陶瓷材料的通式为Pb1-xMexNb2O6+Yywt％稀土氧化物或TeO2，其中Me为Ca2+或Ba2+,x=0.01～0.10,y=0.01～030，添加物为稀土氧化物是CeO2、Sm2O3、Nd2O3中的一种或TeO2。
3．按权利要求1所述的经改进的250℃高温下测厚用的超声波传感器，其特征在於所述的改性偏铌酸铅高温压电材料的制备条件是(1)合成温度为800℃/2小时；(2)烧结温度是1260～1300℃/20～30分钟；(3)极化温度180℃，极化电压5KV/mm。
4．按权利要求1或2所述的经改进的250℃高温下测厚用的超声波传感器，其特征在於所述的高温压电敏感元件翻边是在被银过程中，将压电陶瓷片的其中一个电极翻到另一个面上，使两个电极在同一个端面上，然后进行极化，以形成在一个端面上将两个电极分别引出。
5．按权利要求1或2所述的经改进的250℃高温下测厚用的超声波传感器，其特征在於所述的压电敏感元件上两个电极引出的二根很细的连接线是用高温导电胶连接在引线板的同一面上；引线板的另一面与传感器的输出电缆线也用高温导电胶连接，引线板上两面对应的连接点相通。
全文摘要
一种经改进的250℃温度下测厚用的超声波传感器,属于超声波测厚领域。特征在於:(1)压电敏感元件为Ca
文档编号G01B17/02GK1321873SQ01113500
公开日2001年11月14日 申请日期2001年6月22日 优先权日2001年6月22日
发明者胡子俭 申请人:中国科学院上海硅酸盐研究所