超声换能器以及管内流动成像装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于过程层析成像技术领域，具体涉及一种超声换能器以及管内流动成像
目.0
【背景技术】
[0002]过程层析成像(Process Tomography)技术是20世纪80年代中期，随着计算机技术和检测技术的进步而形成并且迅速发展起来的新一代过程参数检测技术，过程层析成像技术是以两相流或多相流为主要研宄对象的过程参数二维或三维分布状况的在线实时检测技术，是医学诊断中的计算机层析成像技术在工业过程中的应用，解决的是多相流过程参数检测问题。如，泡状气液两相流截面相分布和速度场分布。
[0003]超声波过程层析成像技术是过程层析成像发展的主流之一，其原理为:被测介质通过反射、透射、衍射和多普勒效应等模式影响声波的传播，通过接收器检测被测介质的变化。从原理上讲，超声波过程层析成像技术能适用于大多数工业多相流过程的参数检测。并且，整个系统的成本也能为多数应用者所接受。同时，它也是一种非辐射的测量方法，不仅对人体无伤害，而且系统的安全性高。
[0004]然而，超声波过程层析成像技术所采用的扇形束扫面方式由于传统的凸形结构晶片的换能器难以运用于工业现场的两相流动管道，因此，仍处于实验室发展研宄阶段。对于可侵入的工业管道测试，超声过程层析成像的需要解决的技术问题在于如何有效减轻管内流动对换能器晶片的碰撞及磨损，这一问题不但会降低换能器的使用寿命，还会降低系统信号测量时的鲁棒性。对于不可侵入的工业管道测试，特别是对液相体系中管外非接触式测量，需要解决的问题是如何设计非侵入式的换能器来提高耦合效果。
【发明内容】
[0005]本发明是为了解决上述课题而进行的，目的在于提供一种能够应用于工业现场的两相流动管道的超声换能器和用于测量管道内的物体图像管内流动成像装置。
[0006]本发明提供了一种能够应用于工业现场的两相流动管道的超声换能器，解决了超声换能器在可浸入的工业管道的测试时，管内流动相对换能器的碰撞及磨损，在不可浸入的工业管道测试时，耦合效果差的问题，其特征在于，包括以下步骤:压电晶片，呈凹形半柱状，压电晶片的凹面和凸面镀有镍层；导电单元，包含:一端用于安装压电晶片的金属管、设置在金属管与所述压电晶片之间用于隔离金属管与压电晶片的绝缘垫圈、用于将压电晶片的凹面与金属管的一端导通的两片金属片以及一端与压电晶片的凸面连接的导线；转接单元，具有内螺纹，可插式固定在金属管的另一端；以及母接头，具有与内螺纹相匹配的外螺纹，包含:呈负极性的中间部分和成正极性的表面部分，其中，绝缘垫圈的底面具有一个孔洞，压电晶片的凸面与孔洞相接触，导线的另一端与中间部分连接。
[0007]在本发明所提供的超声换能器，还可以具有这样的特征:其中，金属片具有90度折角，金属片夹紧压电晶片，金属片的折角的长度不超过1mm。
[0008]在本发明所提供的超声换能器，还可以具有这样的特征:其中，导线通过点焊的方式与压电晶片的凸面连接。
[0009]在本发明还提供了一种管内流动成像装置，其特征在于，包括:复数个超声换能器；阵列管；发射单元；接收单元；控制单元；处理单元以及显示单元，其中，阵列管套设在所述管道上，用于安装超声换能器，控制单元控制发射单元发出激励信号依次控制超声换能器将电能转换为声能，一个超声换能器将电能转换为声能，其它超声换能器接收声能并将接收到的声能转换为检测信号，接收单元接收检测信号并将检测信号发送给处理单元，处理单元将检测信号处理后得到重建图像，显示单元显示重建图像。
[0010]在本发明所提供的管内流动成像装置，还可以具有这样的特征:其中，复数个超声换能器等角度间距地安装在阵列管上。
[0011]在本发明所提供的管内流动成像装置，还可以具有这样的特征:其中，阵列管上设有与超声换能器一一对应的夹紧单元，夹紧单元用于固定超声换能器。
[0012]发明的作用和效果
[0013]根据本发明所涉及的超声换能器，因为压电晶片呈凹形半柱状，并且压电晶片的凹面和凸面镀有镍层，压电晶片与金属管之间通过绝缘垫片隔开，金属片将压电晶片的凹面与金属管导通，导线将压电晶片的凸面与母接头的负极性连通，母接头的正极性通过金属管与压电晶片的凹面连通，因此，本发明的超声换能器采用浸入式测量管道时能够有效减小压电晶片对流动相的流动阻力，从而减轻流动相对压电晶片的碰撞及磨损，提高超声换能器的使用寿命，并且能够增强系统信号测量时的鲁棒性，在采用非浸入式测量管道时，压电晶片与管道外壁面组成的封闭空间容易封装耦合剂，并且也提高了压电晶片与管道外壁面的耦合效果。
【附图说明】
[0014]图1是本发明的实施例中超声换能器的结构示意图；
[0015]图2是本发明的实施例中超声换能器的发射声场示意图；
[0016]图3是本发明的实施例中可浸入式的管内流动成像装置的结构示意图；
[0017]图4是本发明的实施例中非浸入式的管内流动成像装置的超声换能器安装示意图；以及
[0018]图5是本发明的实施例中的二值逻辑反投影重建方法原理示意图。
【具体实施方式】
[0019]为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的超声换能器、管内流动成像装置及方法作具体阐述。
[0020]图1是本发明的实施例中超声换能器的结构示意图。
[0021]如图1所示，超声换能器100用于将电功率转换为机械功率，能够应用于工业现场的两相流动管道，在用于可浸入的工业管道的测试时，能够避免管内流动相对换能器的碰撞及磨损，在用于不可浸入的工业管道测试时，耦合效果好，超声换能器100包含:压电晶片110、导电单元120、转接单元130以及母接头140。
[0022]压电晶片110为半圆柱状，压电晶片110的凹面和凸面镀有镍层。
[0023]导电单元120包含:金属管121、两片金属片122a和122b、绝缘垫圈123以及导线124。
[0024]在本实施例中，金属管121为铜管，金属片122a和122b为薄铜片。
[0025]压电晶片110安装在金属管121的一端，以图1中的方向看，压电晶片110安装在金属管121的左端，并且压电晶片110的凹面朝向左边，绝缘垫圈123设置在金属管121与压电晶片110的中间，用于将压电晶片110与金属管121相绝缘地隔开，使得两者之间不导电，压电晶片110的凸面的中间与绝缘垫圈123接触处有一孔洞123a，导线124的一端穿过孔洞123a并通过点焊的方式与压电晶片110的凸面连接。
[0026]两片金属片122a和122b具有90度的折角，以图1中的方向看，两片金属片122a和122b分别安装在金属管121的左端，用于夹紧压电晶片110的上、下两边，其中，两片金属片122a和122b中夹住压电晶片110的折边的长度不超过1mm。因为金属片122a和122b与压电晶片110的凹面接触，所以，金属片122a和122b不仅起到固定压电晶片的作用，而且将压电晶片110的凹面与金属管121导通。
[0027]转接单元130具有内螺纹，可插式固定在金属管121的另一端，以图1中的方向看，该另一端为右端。
[0028]母接头140为Q6母接头，具有与转接单元130的内螺纹相匹配的外螺纹，母接头140包含呈负极性的中间部分和成正极性的表面部分。
[0029]导线124的另一端，以图1中的方向看，该另一端为右端，导线124的右端固定在母接头140的中间部分。
[0030]安装时，金属管121与母接头140的相对位置固定，通过旋转事先插入金属管121内的转接单元130完成安装，因此，避免了直接将母接头140旋转安装到金属管121内时造成的导线124的两端与母接头140或者压电晶片110脱落的情况。
[0031]图2是本发明的实施例中超声换能器的发射声场示意图。
[0032]如图2所示，超声换能器100的发射声场在发射方向先聚焦然后再发散，聚焦的位置在压电晶片110的凹面的曲率半径的中心，即图2中O点的位置，压电晶片110的结构为空心圆柱的一半，因此，压电晶片110的凹面发射的超声波的辐射角的范围几乎能够达到180度，并且辐射均匀。
[0033]根据互易原理，超声换能器100接收超声波的过程与发射超声波的过程刚好相反，因此，超声换能器100符合超声层析成像系统的要求。
[0034]图3是本发明的实施例中可浸入式的管内流动成像装置的结构示意图。
[0035]如图3所示，管内流动成像装置1000用于测量管道内的物体图像，管内流动成像装置1000包括:八个超声换能器100、阵列管400发射单元、接收单元、控制单元、处理单元以及显示单元。
[0036]八个超声换能器100等角度间距的安装在阵列管400上，图3中仅显示其中一个超声换能器100，超声换能器100与阵列管400为间隙配合，阵列管400套设在管道500上，并使得八个超声换能器100的中心轴汇聚于管道500的中心轴上。
[0037]阵列管4