专利名称：一种超声导波探头的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种超声导波探头。
技术背景目前应用的超声导波探头均采用固定在中等壁厚、大直径管子上 的探头套环(探头矩阵)，探头套环包含一组并列等间隔的换能器阵 列，组成阵列的换能器数量取决干管径大小和使用波型，换能器阵列 绕管子周向布置。基于发电厂高压加热器、低压加热器、凝汽器等换 热器管的结构及尺、于原因，无法釆用上述周向排列探头阵列包覆在管 道外壁的超声导波激励方法进行检测。 发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种置亍小直径管道内 部、周向发射超声导波的超声导波探头。 本实用新型釆用的技术方案
本实用新型包括有压电晶片，与压电晶片相连接的电源线，其特 征在f它还包括有圆筒形壳体、晶片背衬层、圆柱形有机玻璃声楔块;压电晶片被晶片背衬层和圆柱形有机玻璃声楔块夹在中间后装入圆 简形壳体中，并且圆柱形有机玻璃声楔块的一端伸出圆筒形壳体，在圆柱形有机玻璃声楔块的一端设有探头锥角为a的超声导波反射圆 锥面，探头锥角a的顶点至压电晶片的距离a大于等于晶片近场区长 度；圆柱形有机玻璃声楔块的外径①与被检管道的内径相适配。本实用新型的有益效果是本探头置于管道内部，采用从管道内 壁周向激励超声导波的方法完成换热器管的超声导波检测，从而解决 了小径管道无法采用周向排列探头阵列包覆在管道外壁激励超声导 波的技术难题。
图1为本实用新型的结构示意图。在图1中，1圆筒形壳体、2晶片背衬层、3压电晶体片、4圆柱
形有机玻璃楔块、5电源线接口、 6超声导波反射圆锥面。
具体实施方式
由图1所示实施例可知，它包括有压电晶片3，与压片电晶 片3相连接的电源线，其特征在于它还包括有「司筒形壳体1、晶片背 衬层2、圆柱形有机玻璃声楔块4;压电晶片3被晶片背衬层2和圆 柱形有机玻璃声楔块4夾在中间后装入圆筒形壳体1中，并且圆柱形 有机玻璃声楔块4的一端伸出圆筒形壳体1，在圆柱形有机玻璃声楔 块4的一端设有探头锥角为a的超声导波反射圆锥面6，探头锥角a 的顶点至压电晶片3的距离a大于等于晶片近场区长度；圆柱形有机 玻璃声楔块4的外径①与被测管道的内径相适配。
本实施例的设计原理如下
本探头i要适用于发电厂高压加热器、低压加热器、凝汽器等换
热器管的探伤检测。
本探头主要是利用现有常规超声探头技术，结合上述换热器管规 格、材质特性对导波角度、频厚积及管道周向360。全方位检测需要 进行如下几个方面设计压电元件；晶片背衬层材料；探头频率；探 头锥角等。
1、 压电晶片选择
压电元件有很多种，如石英单晶体、压电陶瓷、复合压电材料等。 压电陶瓷是应用最广泛的一种压电材料，本探头的压电晶片采用锆钛 酸铅压电陶瓷作为压电材料，锆钛酸铅压电陶瓷简称PZT，它是PbTio:， 和PbZro:,固溶体为基础的组成物，在较大的温度范围内性能比较稳 定，作为换能材料，其压电效应非常显著，具有高的机电耦合系数和 压电应变常数、弹性常数和压电常数。
2、 晶片背衬层的选择
当电脉冲激励压电元件时，它不但向前方辐射声能，同时也向后 方辐射。来自前方的回波信号中包含着被检测管道的信息，是对管道 缺陷检测和定位的依据。但是从后面反射来的千扰杂波信号需要通过 加装晶片背衬层消除。晶片背衬层的另外--个作用是控制压电晶片的 振动周数，减少脉冲回波持续时间，控制脉冲宽度，提高分辨力。本
晶片背衬层的材料采用环氧树脂和鸽粉来配制。
3、探头频率选择
圆管中的导波分为三种模态纵向模态(L模态)、弯曲模态(F
模态)和扭曲模态(T模态)。在管道中传播的柱面导波的模态随频率 的增大而增加。轴对称纵向导波L (0， 2)模态由于传播速度快，故 能比其它模态的导波更快地到达导波接收装置，因此更易于在时域内 区分。而且L (0， 2)模态波内外表面的径向位移均相对较小，传播 过程中能量泄漏也相对较小，传播距离较长，故可以检测更长距离。 在频率较高的地方，L (0， 2)模式导波几乎呈条直线，表明它是 非频散的或者说频散程度非常小。所以在检测管道时通常考虑如何激 励出L (0， 2)模式导波.。管材的内径与壁厚比变化时将对管中导波 的模式行为产生很大的影响。
导波在管中的产生与传播受到激励频率、激励角度及管道材质、 管壁厚度等条件的严格限制。
热交换器管子检测，首先利用导波的频散曲线，选择最佳的导波 模式，并求得L (0， 2)模式的位移分布、应力分布和总能量密度分 布，在此基础上选取用该模式检测特定管道的频厚积。
4、探头锥角a通过下式计算得出(a角通过snell定理及三角函 数关系计算得出)
"sin—'(C'/Cp) (1) a =45- 9 /2; (2) 其中e为探头压电晶片纵波入射角；
C，为声楔块材料的纵波波速，(已知)；
Cp为导波在板中的相速度，(已知)；
a为探头锥角。
权利要求1、一种超声导波探头，它包括有压电晶片(3)，与压电晶片(3)相连接的电源线，其特征在于它还包括有圆筒形壳体(1)、晶片背衬层(2)、圆柱形有机玻璃声楔块(4)；压电晶片(3)被晶片背衬层(2)和圆柱形有机玻璃声楔块(4)夹在中间后装入圆筒形壳体(1)中，并且圆柱形有机玻璃声楔块(4)的一端伸出圆筒形壳体(1)，在圆柱形有机玻璃声楔块(4)的一端设有探头锥角为α的超声导波反射圆锥面(6)，探头锥角α的顶点至压电晶片(3)的距离a大于等于晶片近场区长度；圆柱形有机玻璃声楔块(4)的外径Φ与被检管道的内径相适配。
专利摘要本实用新型涉及一种超声导波探头，它包括有圆筒形壳体、晶片背衬层、圆柱形有机玻璃声楔块；压电晶片被晶片背衬层和圆柱形有机玻璃声楔块夹在中间后装入圆筒形壳体中，并且圆柱形有机玻璃声楔块的一端伸出圆筒形壳体，在圆柱形有机玻璃声楔块的一端设有探头锥角为α的超声导波反射圆锥面，探头锥角α的顶点至压电晶片的距离a大于等于晶片近场区长度；圆柱形有机玻璃声楔块的外径Φ与被检管道的内径相适配。本实用新型的优点是解决了小径管道无法采用周向排列探头阵列包覆在管道外壁激励超声导波的技术难题。
文档编号G01N29/24GK201177617SQ20082007649
公开日2009年1月7日 申请日期2008年3月12日 优先权日2008年3月12日
发明者刘长福, 张彦新, 李中伟, 李树军, 牛晓光, 王志永, 郝晓军 申请人:河北省电力研究院