一种用于检测复合材料的集成式脉冲超声-声发射换能器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于检测复合材料的集成式脉冲超声-声发射换能器。包括压电传感元件、换能器壳体、阻尼背村块、延时块、电极、连接座、封盖和锁紧环。采用宽频带压电晶体作为超声激励和声发射信号的接收，属于集成式超声-声发射换能器，体积小，时域脉冲特性好，检测灵敏度和分辨率高，超声-声发射信号规律十分清晰，缺陷检测定性定量的准确性，适用性非常好，可用于不同复合材料零件的手工扫描检测和自动扫描检测与缺陷成像分析，显著改善了复合材料超声检测分辨率和表面检测盲区，极大地提高了复合材料缺陷检测能力，检测厚度可达50mm，检测灵敏度可达Ф3mm、45mm深缺陷，频率选择范围1-7.5MHz。
【专利说明】一种用于检测复合材料的集成式脉冲超声-声发射换能器
【技术领域】
[0001]本发明属于无损检测技术，涉及一种用于航空、航天、兵器、船舶、冶金、钢铁、交通、建筑等领域复合材料及金属材料结构的无损检测的用于检测复合材料的集成式脉冲超声-声发射换能器。
【背景技术】
[0002]超声是目前广泛用于各种材料及其结构缺陷定量无损检测的重要方法，已在航空航天、兵器、电子、船舶、冶金、石化石油、交通、建筑等领域得到广泛应用，特别是在复合材料领域，目前80%复合材料结构都采用了超声检测。目前，用于复合材料超声检测方法主要有反射法和穿透法，利用外部超声脉冲声源，在被检测复合材料中形成的反射/透射声波行为，进行缺陷的检测和判别，其主要不足是:(1)对缺陷取向非常敏感，随着缺陷取向与入射声波传播方向之间的夹角增大，对缺陷的检出能力显著下降，进而容易造成漏检；(2)声波衰减剧烈，难以实现大厚度复合材料及多孔隙复合材料等声波衰减剧烈的材料的无损检测。
[0003]超声-声发射检测已成为解决上述问题的一个重要的无损检测方法。通常复合材料超声-声发射需要通过一个超声发射换能器产生激励超声波，在被检测复合材料中形成声发射信号，同时需要另一个换能器接收来自复合材料内部的声发射信号，通常采用频率特性相匹配的两个独立分布的分离式换能器，参见图1所示，他由声发射激励换能器10、声发射接收换能器11、声发射信号12和被检测复合材料零件13构成。其主要不足是(I)体积太大，同步困难；(2)几何扫查盲区大；(3)换能器的时域脉冲特性差；(4)分辨率和检测灵敏度低，检测信号规律复杂，缺陷定性定量困难。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种用于复合材料检测的集成式脉冲超声-声发射换能器，减少传统超声-声发射几何扫查盲区，改善换能器的时域脉冲特性，提高检测灵敏度和分辨率及超声-声发射缺陷检测定性定量的准确性与缺陷检出能力。
[0005]本发明的技术解决方案是，包括换能器壳体、阻尼背村块、压电传感元件、延时块、匹配层、锁紧环、电极、封盖和连接座，
[0006]阻尼背村块下端面与压电传感元件的上表面粘接固定；压电传感元件由一对频率特性匹配的压电晶体加工而成，采用对称或非对称两种频率特性匹配模式，频率范围为IMHz-lOMHz，几何布局为3种不同的布局之一:1)压电晶体加工成两个对称的半圆形；2)压电晶体加工成圆形，压电晶体加工成圆环形，压电晶体置于压电晶体的圆环内；3) —个压电晶体加工成圆环形，另一个压电晶体加工成圆形，圆形压电晶体置于圆环形压电晶体的圆环内；
[0007]匹配层采用透声材料制成，匹配层的上端面与两个压电晶体的下表面胶粘固定；
[0008]延时块采用透声材料，加工成圆柱形透声柱，此透声柱加工成上下2个不同直径的圆柱体，透声柱上段的外圆直径与锁紧环上段内圆直径间隙配合，透声柱下段的外圆直径与锁紧环下端间隙配合，延时块上下两个端面平行；匹配层置于延时块上端面上，阻尼背村块、压电传感元件、匹配层延时块安装固定在换能器壳体中；
[0009]电极由两组正负电极组成，其中一组的正级一端与一个压电晶体的正级连接，另一端与连接座相接，负级的一端与该压电晶体的负级连接，另一端与连接座相接，另一组的正级一端与另一个压电晶体的正级连接，另一端与连接座相接，负级的一端与该压电晶体的负级连接，另一端与连接座相接；
[0010]连接座通过螺母与换能器壳体固定。
[0011 ] 换能器壳体为一圆柱体，在该圆柱体轴向加工有一个贯通的中心孔，在中心孔的下端加工有内凸圆台，此内凸圆台的内径为压电传感元件外径的0.8-0.9倍，在中心孔的上端，加工有一内螺纹凸台，压电传感元件固定在换能器壳体内凸圆台上方，匹配层下端面与换能器壳体内凸圆台的下端面齐平；在换能器壳体的上端一侧加工有一通孔，此通孔直径与连接座匹配，在换能器壳体下端加工有外圆螺纹，此外圆螺纹与锁紧环内螺纹匹配。
[0012]锁紧环由一圆柱体加工而成，在此圆柱体中心轴线方向加工有一轴向通孔，此通孔的内径与延时块下段的外圆直径间隙配合，将轴向通孔的上段加工成内螺纹孔，此螺纹孔的外径与延时块上段的外圆直径间隙配合，此螺纹孔的高度为轴向通孔的0.8-0.9倍。
[0013]延时块采用固体透声材料或液体透声材料，延时块长度为l-100mm。
[0014]根据被检测复合材料零件特点和检测要求不同，通过选择超声-声发射换能器中的两个压电晶体的尺寸规格和压电特性及频率特性，提高超声-声发射检测灵敏度及缺陷检出能力和对大厚度复合材料的检测能力。
[0015]换能器为手持式或安装在自动检测设备上。
[0016]换能器的频率选择范围为lMHz-7.5MHz，适应不同检测要求和不同厚度与不同特性的复合材料零件的检测。
[0017]本发明具有的优点和有益效果，
[0018]本发明采用宽频带压电晶体作为超声激励和声发射信号的接收，通过频率特性组合和优化，改善换能器的品质，大大地改善了换能器的时域脉冲特性，显著提高了检测灵敏度和分辨率，使超声-声发射信号的规律变得十分清晰，极大地提高了超声-声发射缺陷检测定性定量的准确性。
[0019]本发明属于集成式超声-声发射换能器，体积小，不需要同步机构，非常便于扫查检测，大大地减少了几何扫查盲区。
[0020]本发明的一种用于复合材料检测的集成式脉冲超声-声发射换能器，采用宽频带压电晶体作为超声激励和声发射信号的接收，通过频率特性组合和优化，改善换能器的品质，大大地改善了换能器的时域脉冲特性，显著提高了检测灵敏度和分辨率，使超声-声发射信号的规律变得十分清晰，极大地提高了超声-声发射缺陷检测定性定量的准确性。[0021 ] 本发明属于集成式超声-声发射换能器，用于发射超声波地压电晶体和用于接收声发射信号的压电晶体制件无需进行声隔离、也不会产生相互的信号干扰，而且还具有对称和非对称两种工作模式，能更好的实现各种不同复合材料的超声-声发射检测，显著提高了超声-声发射方法对复合材料缺陷的检出能力和对大厚度复合材料的检测能力。【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是现有的复合材料超声-声发射换能器结构示意图；
[0023]图2是本发明用于检测复合材料的集成式脉冲超声-声发射换能器结构示意图；
[0024]图3是本发明中的压电传感元件3中的压电晶体3A和3B的布局示意图。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图对本发明作详细说明。
[0026]一种用于检测复合材料的集成式脉冲超声-声发射换能器，包括换能器壳体1、阻尼背村块2、压电传感元件3、延时块4、匹配层5、锁紧环6、电极7、封盖8和连接座9，参见图2所示。
[0027]阻尼背村块2采用环氧树脂和钨粉混合而成，阻尼背村块2下端面与压电传感元件3的上表面粘接固定；
[0028]压电传感元件3由一对频率特性匹配的压电晶体3A和3B加工而成，采用对称或非对称两种频率特性匹配模式，频率范围为IMHz-lOMHz，几何布局为3种不同的布局之一:I)压电晶体3A和3B加工成两个对称的半圆形；2)压电晶体3A加工成圆形，压电晶体3B加工成圆环形，压电晶体3A置于压电晶体3B的圆环内；3)压电晶体3A加工成圆环形，压电晶体3B加工成圆形，压电晶体3B置于压电晶体3A的圆环内，参见图3所示；压电传感元件3通过粘结剂固定在换能器壳体I的下端内凸圆台上方；
[0029]匹配层5采用透声材料制成，匹配层5的上端面与压电晶体3A和压电晶体3B下表面胶粘固定；
[0030]延时块4采用透声材料，加工成圆柱形透声柱，此透声柱加工成上下2个不同直径的圆柱体，透声柱上段的外圆直径与锁紧环6上段内圆直径间隙配合，透声柱下段的外圆直径与锁紧环6下端间隙配合，延时块4上下两个端面平行；匹配层5置于延时块4上端面上，阻尼背村块2、压电传感元件3、匹配层5延时块4安装固定在换能器壳体I中；
[0031]电极7由两组正负电极组成，其中一组的正级一端与压电晶体3A的正级连接，另一端与连接座9相接,负级的一端与压电晶体3A的负级连接,另一端与连接座9相接,另一组的正级一端与压电晶体3B的正级连接,另一端与连接座9相接，负级的一端与压电晶体3B的负级连接，另一端与连接座9相接；
[0032]连接座9通过螺母与换能器壳体I固定。
[0033]换能器壳体I为一圆柱体，在该圆柱体轴向加工有一个贯通的中心孔，在中心孔的下端加工有内凸圆台，此内凸圆台的内径为压电传感元件3外径的0.8-0.9倍，在中心孔的上端，加工有一内螺纹凸台，压电传感元件3固定在换能器壳体I内凸圆台上方，匹配层5下端面与换能器壳体I内凸圆台的下端面齐平；在换能器壳体I的上端一侧加工有一通孔，此通孔直径与连接座9匹配，在换能器壳体I下端加工有外圆螺纹，此外圆螺纹与锁紧环6内螺纹匹配。
[0034]锁紧环6由一圆柱体加工而成，在此圆柱体中心轴线方向加工有一轴向通孔，此通孔的内径与延时块4下段的外圆直径间隙配合，将轴向通孔的上段加工成内螺纹孔，此螺纹孔的外径与延时块4上段的外圆直径间隙配合，此螺纹孔的高度为轴向通孔的0.8-0.9 倍。[0035]延时块采用固体透声材料或液体透声材料，延时块长度为l-100mm。
[0036]根据被检测复合材料零件特点和检测要求不同，通过选择超声-声发射换能器中的压电晶体3A和3B尺寸规格和压电特性及频率特性，提高超声-声发射检测灵敏度及缺陷检出能力和对大厚度复合材料的检测能力，最大复合材料检测厚度可达50_，检测灵敏度可达45_深Φ 3mm缺陷。
[0037]换能器为手持式或安装在自动检测设备上，用于复合材料零件的手工扫描检测或者复合材料零件的自动扫描检测和缺陷成像分析。
[0038]换能器的频率选择范围为lMHz-7.5MHz，用于不同检测要求和不同厚度与不同特性的复合材料零件的检测。
【权利要求】
1.一种用于检测复合材料的集成式脉冲超声-声发射换能器，包括换能器壳体(1)、阻尼背村块(2)、压电传感元件(3)、延时块(4)、匹配层(5)、锁紧环(6)、电极(7)、封盖(8)和连接座(9)，其特征是， 阻尼背村块(2)下端面与压电传感元件(3)的上表面粘接固定；压电传感元件(3)由一对频率特性匹配的压电晶体(3A和3B)加工而成，采用对称或非对称两种频率特性匹配模式，频率范围为IMHz-lOMHz，几何布局为3种不同的布局之一:1)压电晶体(3A和3B)加工成两个对称的半圆形；2)压电晶体(3A)加工成圆形，压电晶体(3B)加工成圆环形，压电晶体(3A)置于压电晶体(3B)的圆环内；3) —个压电晶体(3A)加工成圆环形，另一个压电晶体(3B)加工成圆形，圆形压电晶体(3B)置于圆环形压电晶体(3A)的圆环内； 匹配层(5)采用透声材料制成，匹配层(5)的上端面与两个压电晶体(3A和3B)的下表面胶粘固定； 延时块(4)采用透声材料，加工成圆柱形透声柱，此透声柱加工成上下2个不同直径的圆柱体，透声柱上段的外圆直径与锁紧环(6)上段内圆直径间隙配合，透声柱下段的外圆直径与锁紧环(6)下端间隙配合，延时块(4)上下两个端面平行；匹配层(5)置于延时块(4)上端面上，阻尼背村块(2)、压电传感元件(3)、匹配层(5)延时块(4)安装固定在换能器壳体⑴中； 电极(7)由两组正负电极组成，其中一组的正级一端与压电晶体(3A)的正级连接，另一端与连接座(9)相接,负级的一端与压电晶体(3A)的负级连接,另一端与连接座(9)相接，另一组的正级 一端与压电晶体(3B)的正级连接,另一端与连接座(9)相接,负级的一端与压电晶体(3B)的负级连接，另一端与连接座(9)相接； 连接座(9)通过螺母与换能器壳体(1)固定。
2.根据权利要求1所述的一种用于检测复合材料的集成式脉冲超声-声发射换能器，其特征是，换能器壳体(1)为一圆柱体，在该圆柱体轴向加工有一个贯通的中心孔，在中心孔的下端加工有内凸圆台，此内凸圆台的内径为压电传感元件(3)外径的0.8-0.9倍，在中心孔的上端，加工有一内螺纹凸台，压电传感元件(3)固定在换能器壳体(1)内凸圆台上方，匹配层(5)下端面与换能器壳体(1)内凸圆台的下端面齐平；在换能器壳体(1)的上端一侧加工有一通孔，此通孔直径与连接座(9)匹配，在换能器壳体(1)下端加工有外圆螺纹，此外圆螺纹与锁紧环(6)内螺纹匹配。
3.根据权利要求1所述的一种用于检测复合材料的集成式脉冲超声-声发射换能器，其特征是，锁紧环(6)由一圆柱体加工而成，在此圆柱体中心轴线方向加工有一轴向通孔，此通孔的内径与延时块(4)下段的外圆直径间隙配合，将轴向通孔的上段加工成内螺纹孔，此螺纹孔的外径与延时块(4)上段的外圆直径间隙配合，此螺纹孔的高度为轴向通孔的 0.8-0.9 倍。
4.根据权利要求1所述的一种用于检测复合材料的集成式脉冲超声-声发射换能器，其特征是，延时块(4)采用固体透声材料或液体透声材料，延时块长度为l-100mm。
5.根据权利要求1所述的一种用于检测复合材料的集成式脉冲超声-声发射换能器，其特征是，根据被检测复合材料零件特点和检测要求不同，通过选择超声-声发射换能器中的压电晶体(3A和3B)的尺寸规格和压电特性及频率特性，提高超声-声发射检测灵敏度及缺陷检出能力和对大厚度复合材料的检测能力。
6.根据权利要求1所述的一种用于检测复合材料的集成式脉冲超声-声发射换能器，其特征是，换能器为手持式或安装在自动检测设备上。
7.根据权利要求1所述的一种用于检测复合材料的集成式脉冲超声-声发射换能器，其特征是，换能器的 频率选择范围为lMHz-7.5MHz。
【文档编号】G01N29/04GK104034804SQ201410276102
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月19日 优先权日:2014年6月19日
【发明者】刘松平, 刘菲菲, 白金鹏 申请人:中航复合材料有限责任公司