一种可拉伸超声换能器阵列的制作方法

本发明属于超声检测领域，特别是涉及一种在服役过程中可以与任意形状被测物体(含可展曲面和不可展曲面)动态贴合的超声换能器阵列。

背景技术：

现有技术中对物体界面及内部缺陷的检测方法主要有：超声检测法、涡流探伤法、放射线探伤法、磁粉探伤法等。其中，超声检测法是国内外应用最广泛、使用频率最高，且发展较快的一种无损检测技术。

目前使用的超声换能器对于复杂曲面的检测需要借助于专门定制的换能器及楔块耦合，并且是通过机械扫描来实现大区域的检测。这样的检测装置和人力及时间成本昂贵，效率极低。现有技术中虽有利用楔块底面按照管道直径设计为凹面，从而实现楔块与管道的耦合的检测装置，但该设计只能局限于特定直径的管道，对于天然气储罐等大型球状结构和其他一些不规则结构完全不能适用。

技术实现要素：

为解决现有硬性换能器无法检测复杂曲面的问题，本发明提供一种在服役过程中可以与任意形状被测物体动态贴合的可拉伸超声换能器阵列。

特别地，本发明提供一种可贴合任意曲面的可拉伸超声换能器阵列，包括：

检测阵列，设置有多个按预定阵列形状排布的换能器，所述换能器之间通过上下两层可拉伸的导线连接，形成扫描电路；

信号接口，用于连接所述检测阵列并提供信号输出接口；

包覆层，由弹性材质覆盖所述检测阵列形成。

在本发明的一个实施方式中，所述换能器为锆钛酸铅压电陶瓷(pzt)、铌酸钠钾基陶瓷、bnt基压电陶瓷、batio3基压电陶瓷、铋层状结构压电陶瓷中的一种。

在本发明的一个实施方式中，在所述换能器之间填充有防止相互之间信号串扰的聚合物。

在本发明的一个实施方式中，在所述检测阵列的下表面设置有环氧树脂构成的背衬层，上表面设置有实现换能器与传声媒质之间声特性阻抗匹配的匹配层。

在本发明的一个实施方式中，所述换能器之间的所述上下两层导线，分别作正极层和负极层，都为单向的岛桥结构，桥为蛇形。

在本发明的一个实施方式中，所述换能器之间的所述上下两层导线由柔性覆铜板经过激光切割得到。

本发明相比于现有的传统硬质探头，其与被测物体的耦合方式有着本质进步，这大大地提高了检测效果和效率。同时，可拉伸特性使其能够与任意形状被测物体(含可展曲面和不可展曲面)动态贴合，拓宽了检测对象的范围，因而可应用于复杂层状结构的脱粘检测以及复杂结构的应力检测。另外，利用阵列结构可实现大面积高效率实时检测，彻底摆脱超声检测对机械行走/扫描及其自动化装置的依赖。

附图说明

图1是本发明一个实施方式的可拉伸超声换能器阵列的剖面结构示意图；

图2是本发明一个实施方式中换能器的排列结构示意图；

图3是本发明一个实施方式的导线结构示意图；

图4是本发明一个实施方式的负极层导线排布示意图；

图5是本发明一个实施方式的正极层导线排布示意图。

具体实施方式

如图1、2、3、4、5所示，本发明一个实施方式的可拉伸超声换能器阵列100一般性地包括检测阵列20，信号接口和包覆层10。

该检测阵列20包括多个按预定阵列形状排布的换能器13，各换能器之间通过导线15连接。本实施方式中的换能器13是一种能量转换器件，采用压电晶体制作的超声检测设备，换能器13的形状可以为薄板形,圆片形,圆环形,圆管形,圆棒形,薄壳球形,压电薄膜等。

阵列的形状可以根据实际测试的设备进行设置，这里的设置包括通用设备的测试形状，即可以应用于大部分设备检测的阵列排布方式；还包括针对专门设备进行测试的形状，即针对特定设备的形状设置的特定排布方式的陈列形状，以获取更精确的测量数值。

该信号接口用于连接检测阵列以提供激励信号或收集各换能器的检测信号，同时提供将检测信号输出给外部设备的信号输出接口。

该包覆层10用于将检测阵列20覆盖，包覆层10可以采用具备弹性的材质制作，如，本实施方式采用弹性硅胶薄膜作为包覆层10。

本实施方式采用一体化结构，其形状可以是一块根据测试要求制作的板状结构，整体形状可为圆形或矩形等，通过可任意变形的包覆层10使得检测阵列可以与被测设备表面形状完全贴合，包覆层10内检测阵列20中的各换能器13即可以最接近的方式检测被测部件，然后通过信号接口将检测信号传递给连接的处理设备。

可拉伸超声换能器阵列100可以在测试过程中通过任意变形的方式提高与被测设备的接触效果，变形时，整个包覆层10可根据被测物体表面形状进行变形，内部的换能器13发生位置变化，连接换能器13的导线15采用可拉伸的布置方式，使得换能器13与换能器13之间距离在变长的同时，能够同步伸展，保证信号的正常传送。具体导线15的结构可以采用单向的岛桥结构，桥为蛇形(图3所示)，使得导线15在相邻换能器13之间正常情况下的长度大于相邻换能器13之间的距离。当换能器阵列的变形在一定范围内时，蛇形导线的弯曲部分展开，主要通过导线的刚体位移来协调换能器阵列的变形，而直导线主要是通过导线的拉伸或压缩来协调变形，由于局部较大变形会导致局部导线的变形也较大，直导线的拉伸或者压缩程度更大，从而电阻变化较大甚至导线被拉断，继而影响电压信号。因此，本实施方式采用蛇形导线相比于直导线具有良好的可拉伸性，为换能器阵列动态贴合复杂曲面提供了条件。

本实施方式采用柔性基板取代了传统的刚性基板，可以向任意方向弯曲，并开创性地将其应用于复杂曲面的实时和准确的界面粘接情况的检测以及复杂结构的应力检测，在测量过程中可以反复弯曲变形，大大提高测量效果。此外，在不使用时还可以卷曲和折叠，方便携带。

相比于现有的传统硬质探头，本实施方式与被测物体的耦合方式有本质进步，这大大地提高了检测效果和效率。同时，可拉伸特性使其能够与任意形状被测物体(含可展曲面和不可展曲面)动态贴合，拓宽了检测对象的范围，因而可应用于复杂层状结构的脱粘检测以及复杂结构的应力检测。另外，利用阵列结构可实现大面积高效率实时检测，彻底摆脱超声检测对机械行走/扫描及其自动化装置的依赖。

在本发明的一个实施方式中，具体的换能器13为pzt层。

在本发明的一个实施方式中，可以在各pzt块之间填充聚合物14，以实现相邻换能器之间的隔离，减小相邻pzt块之间的相互串扰。具体的聚合物可以是具备延展性能的硅胶。

在本发明的一个实施方式中，在检测阵列的下表面设置有环氧树脂构成的背衬层12，上表面设置有实现换能器与传声媒质之间声特性阻抗匹配的匹配层11。匹配层11是为实现换能器晶片与传声媒质之间声特性阻抗的匹配，使声能良好地透过而在探头晶片辐射面敷设的声学材料层。

在本发明的一个实施方式中，包覆层10在覆盖时将上述部件全部容纳在内。

在本发明的一个实施方式中，给出一个制作可拉伸超声换能器阵列100的方法，步骤如下：

1).在pi薄膜上电镀一层铜箔；

2).在铜箔上面焊接已极化镀银的pzt块；

3).在pi薄膜另一面旋涂一层环氧树脂阻尼背衬层；

4).在pzt阵列另一面焊接柔性覆铜板；

5).在覆铜板上旋涂一层环氧树脂匹配层；

6).用激光分别切割上下的两个铜箔-pi-环氧树脂的复合层，形成单向的岛桥结构，即得到换能器阵列；

7).用弹性硅胶薄膜封装整个阵列。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。