专利名称：一种入射角可调的周向导波换能器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种无损探伤换能器，尤其是涉及一种入射角可调的周向超声导 波换能器，在较小的接触面上实现对多种规格电站锅炉小径管整根管子的超声波 检测。
背景技术：
现有的超声导波换能器的组成结构主要有2种(l)一种为单个换能器结构。 包括压电晶片和圆柱形有机玻璃声楔块，其工作原理为在圆柱形有机玻璃声楔块 的一端设置探头超声导波反射圆锥面，采用与被检管道的内径相适配的外径，其 本质是横波探伤。每个换能器只能适用于某一固定规格的管子检测，且有较大的 检测盲区。(2)—种为换能器阵列，采用多个换能器组成阵列。其优点是可以发射 多种模式的超声导波，但只适用于管径较大的压力管道的检测。
省煤器、水冷壁、过热器和再热器等受热面管子(简称"锅炉四管")，是电 站锅炉非常重要的高温承压部件，70%左右的机组非正常停运原因是锅炉四管的 泄漏，因此对受热面进行检验是电力行业保证机组安全可靠运行的重要手段。受 热面管的特点是小径薄壁，在组成管屏时，由于其管间距很小，其可以放置检测 传感器的面积很小，超声传感器只能在1/3圆周移动，因此在安装现场利用普通 的超声传感器很难对受热面管屏进行全面的检验。
发明内容
本发明的目的，就是提供一种入射角可调、在较小的接触面上实现对多种 规格小径薄壁管整根管子无损探伤的周向超声导波换能器。
为实现上述目的，本发明的入射角可调的周向导波换能器，其特征是包括
一压电晶片滑移块，由接有换能器信号线的压电晶片上表面粘结有背衬阻尼 块、下表面粘结有有机玻璃块构成，有机玻璃块的下表面为内凹圆柱面，背衬阻 尼块上设有旋钮或手柄；
一透声锲块，上表面为与压电晶片滑移块下表面的内凹圆柱面适应的圆柱 面，上表面沿轴向剖分一半为光滑面，另一半设置有声陷阱；
一匹配块，其顶面与透声锲块底面为可拆连接，底面为与被检测管子外表面 配合的圆柱面，该圆柱底面与透声锲块的圆柱上表面轴线同向，且其最高点为透 声锲块圆柱的圆心，保证超声波在传入被检管子前，在有机玻璃内为直线传播， 并且其入射点正好落在匹配块圆弧内表面的最高点；
一外壳，壳面上开有长形孔，让压电晶片滑移块的旋钮或手柄伸出，方便用 手移动压电晶片滑移块沿长形孔移动。
在上述基础上，本发明还可以做进一步的完善改进
所述的压电晶片滑移块背衬阻尼块上从上往下设有圆柱面垫、弹性垫；使得 压电晶片滑移块能压贴在透声锲块上表面上。
所述的外壳壳面上的开孔为在顶面上的横向弧形长孔；所述的背衬阻尼块上 设有手柄穿出外壳横向长孔，使得压电晶片滑移块滑移对只能在透声锲块光滑面 上移动。
所述的背衬阻尼块上两相对侧面设有旋钮穿出外壳横向长孔。所述的声陷阱为表面呈锯齿形状或锯齿形状并加贴附吸声材料。
所述的透声锲块和匹配块可做成一体。
所述的外壳由内套、上套和夹紧螺套组成。
有益效果由于本发明的压电晶片滑移块可在透声锲块的圆柱表面上滑动， 透声锲块与匹配块配合，使得超声波在传入被检管子前，在有机玻璃内为直线传 播，并且其入射点正好落在匹配块圆弧内表面的最高点，匹配块下端面形状与被 检管子的外周弧面相对应。通过调节超声波入射角度，使得入射超声波在被测量 小径管(电站锅炉四管为主)的外界面上产生折射，在金属介质内形成正多边形 的超声波传播通道，在无缺陷状态下，超声波以正多边形周长为单声程在入射点 回归换能器，并被接收。实际使用中，只需本换能器在管子外表面移动约1/5 或l/4的周长，即可实现对受热面整个周向的质量检测。本发明解决了无法在安 装现场采用超声波技术对受热面管屏进行全面检测的技术难题。
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
图1是本发明的设计原理示意图2是本发明实施例一的外观立体示意图3是图2所示的实施例一的立体剖视示意图4是图2所示的实施例一的剖视示意图5是图2所示的实施例一的透声锲块俯视示意图6是本发明实施例二的主视示意图7是图6所示的实施例二的剖视示意图8是图6所示的实施例二的俯视示意图；图9是图6所示的实施例二的压电晶片滑移块放大示意图。
图中1-压电晶片滑移块，102-压电晶片，103-背衬阻尼块，104-有机玻璃
块，105-手柄或旋钮，106-弹性垫，107-柱面垫，2-透声锲块，201-声陷阱，3-
匹配块，301-连接件，4-外壳，401-横向长孔，402-内套，403-上套，404-夹紧
螺套，5-被测钢管。
具体实施例方式
图1所示为本发明的设计原理，利用换能器内附有压电晶片的有机玻璃锲 块，在很宽范围内调节超声波入射角度，并与匹配块的共同作用，使得入射超声 波在被测量小径管(电站锅炉四管为主)的外界面上产生折射，在金属介质内形 成正多边形的超声波传播通道，在无缺陷状态下，超声波以正多边形周长为单声 程在入射点回归换能器，并被接收。
从图2至图5可看到，本发明的入射角可调的周向导波换能器实施例一，包
括
一压电晶片滑移块1，由接有换能器信号线的压电晶片102上表面粘结有背 衬阻尼块103、下表面粘结有有机玻璃块104构成，有机玻璃块104的下表面为 内凹圆柱面，背衬阻尼块上设有手柄105。
一透声锲块2,上表面为与压电晶片滑移块下表面的内凹圆柱面适应的圆 柱面，上表面沿轴向剖分一半为光滑面，另一半设置有声陷阱201，参见图5， 本实施例的声陷阱为表面呈锯齿形状。
一匹配块3，本实施例的匹配块3与透声锲块2做成了一体，匹配块3底面 为与被检测管子5外表面配合的圆柱面，该底面与透声锲块上表面为同向不同轴 的圆柱面，且两轴轴线距离等于被检测管子半径，也即该底面与透声锲块上表面同向，且其最高点为透声锲块圆柱的圆心，如图4所示，这样就能保证超声波在 传入被检管子前，在有机玻璃内为直线传播，并且其入射点正好落在匹配块3 的内凹圆柱面的最高点。
一外壳4，由圆柱形的内套402、上套403和夹紧螺套404组成，内套、上 套安装在做成了一体的匹配块3与透声锲块2夕卜，上套夹在内套和上套中，上套 顶面上开有横向弧形长孔401。
在压电晶片滑移块背衬阻尼块上从上往下设有圆柱面垫107、弹性垫106; 手柄105穿出圆柱面垫107、弹性垫106，使得压电晶片滑移块能压贴在透声锲 块上表面上。
背衬阻尼块上的手柄105最后穿出外壳横向长孔，使得用手移动压电晶片滑 移块时只能在透声锲块光滑面上横向移动，调节入射角。
图6至图9所示的本发明的实施例二，与前例不同之处在于外壳4为圆柱 壳加前后封口的端面，壳面上的开孔为开在两端面的对应横向弧形长孔；背衬阻 尼块上两相对侧面设有旋钮穿出外壳横向长孔。
透声锲块一半为光滑面，另一半设置有声陷阱，目的是防止超声波部分声能 在透声锲块和匹配块边界(入射点)上反射后，在有机玻璃内多次反射，返回到 晶片被接受，加大发射脉冲的宽度，形成固定的干扰杂波。声陷阱采用锯齿形状， 还可以在锯齿面上贴附吸声材料等方法，保证通过声陷阱吸收掉这部分声能；
有机玻璃下表面内凹圆柱面的半径必须与透声锲块的一致，在应用中，可以 通过调节旋纽，使压电晶片滑移块1在透声锲块2的弧面滑动，从而调节超声波 束的入射角度。
匹配块3的圆柱面与透声锲块配合，保证压电晶片发射的声脉冲到被检管子的入射点在匹配块内弧面的最高点，同时也保证在入射角调节时超声波在入射被 检管子前在匹配块3与透声锲块中的声程始终为一固定值(透声锲块的圆弧半 径)。
选择适合的压电材料，可保证换能器的高灵敏度和宽带，选取合适的背衬以 及声阻抗相近的前匹配层来保证换能器的窄脉冲，以获得高的分辨率。
换能器的频率决定于晶片的厚度，为了制作合适频率的换能器，必须调整晶 片的厚度。把低频的厚晶片手工研磨至合适的厚度，其依据是使压电晶片厚度为 半波长。研磨合适后再在晶片的两面镀上银层作电极。
背衬阻尼块的声阻抗对换能器的带宽及脉冲宽度有着至关重要的作用。假设 粘接层厚度为零，当压电晶片的声阻抗和背衬声阻抗相等时，压电晶片的背向辐 射全部传播到背衬，背衬把晶片的背向辐射全部吸收，此时换能器的发射脉冲最 窄。
背衬制作时，把钨粉和环氧树脂按一定的比例配好后，在不凝固的情况下， 浇注到有外壳的晶片背面。浇注时，在背衬和晶片的接触层不能有气泡，边浇注
边加热，使气泡串出。浇注完成后，把半成品探头放在烘箱里，恒温8crc烘烤
3-4小时。
换能器采用环氧树脂粘接，由于环氧树脂的声阻抗很低，与晶片、保护膜及 背衬的声阻抗相差很大，其厚度对换能器的性能有很大影响。当粘接层厚度达到 波长的1/400左右时，其影响大致可忽略。
透声锲块与匹配块配合，保证超声波在传入被检工件前，在有机玻璃内为直 线传播，并且其入射点正好落在匹配块圆弧内表面的最高点。
匹配块主要根据被检测管子的曲率进行设计制作，匹配块非单一结构，可根据电站管的典型规格受热面(水冷壁、省煤器、过热器、再热器等各种小径管) 规格(①51-063.5),设计成系列的方便更换的结构。
匹配块一面与被检测管子弧面可以完全吻合；另外一面与换能器声透层可以 方便地安装和拆卸。
声阻抗要求。采用与换能器透声材料相同的有机玻璃。
匹配块两侧设有螺栓连接结构，它与换能器金属外壳上的螺栓结构配合，方 便其在应用中拆装。
权利要求
1、一种入射角可调的周向导波换能器，其特征是包括一压电晶片滑移块，由接有换能器信号线的压电晶片上表面粘结有背衬阻尼块、下表面粘结有有机玻璃块构成，有机玻璃块的下表面为内凹圆柱面，背衬阻尼块上设有旋钮或手柄；一透声锲块，上表面为与压电晶片滑移块下表面的内凹圆柱面适应的圆柱面，上表面沿轴向剖分一半为光滑面，另一半设置有声陷阱；一匹配块，其顶面与透声锲块底面为可拆连接，底面为与被检测管子外表面配合的圆柱面，该底面与透声锲块上表面同向，且其最高点为透声锲块圆柱的圆心，保证超声波在传入被检管子前，在有机玻璃内为直线传播，并且其入射点正好落在匹配块圆弧内表面的最高点；所述的有机玻璃块、透声锲块和匹配块采用同质有机玻璃；一外壳，壳面上开有长形孔，让压电晶片滑移块的旋钮或手柄伸出，方便用手移动压电晶片滑移块沿长形孔移动。
2、 根据权利要求l所述的入射角可调的周向导波换能器，其特征是所述 的压电晶片滑移块背衬阻尼块上从上往下设有圆柱面垫、弹性垫；使得压电晶片 滑移块能压贴在透声锲块上表面上。
3、 根据权利要求2所述的入射角可调的周向导波换能器，其特征是所述 的外壳壳面上的开孔为在顶面上的横向弧形长孔；所述的背衬阻尼块上设有手柄 穿出外壳横向长孔，使得压电晶片滑移块滑移时只能在透声锲块光滑面上移动。
4、 根据权利要求2所述的入射角可调的周向导波换能器，其特征是所述 的背衬阻尼块上两相对侧面设有旋钮穿出外壳横向长孔。
5、 根据权利要求3或4所述的入射角可调的周向导波换能器，其特征是-所述的声陷阱为表面呈锯齿形状或锯齿形状并加贴附吸声材料。
6、 根据权利要求5所述的入射角可调的周向导波换能器，其特征是所述 的透声锲块和匹配块可做成一体。
7、 根据权利要求6所述的入射角可调的周向导波换能器，其特征是所述 的外壳由内套、上套和夹紧螺套组成。
全文摘要
一种入射角可调的周向超声导波换能器，在较小的接触面上实现对多种规格电站锅炉小径管整根管子的超声波检测。本换能器的压电晶片粘接固定在滑动块上，滑动块可以沿着透声楔块的弧面移动，透声楔块与匹配块配合，使得超声波在传入被检管子前，在有机玻璃内为直线传播，并且其入射点正好落在匹配块圆弧内表面的对称点。通过调节超声波入射角度，使得入射超声波在被测量小径管的外界面上产生折射，在金属介质内形成正多边形的超声波传播通道，在无缺陷状态下，超声波以正多边形周长为单声程在入射点回归换能器，并被接收。本发明解决了无法在安装现场采用超声波技术对受热面管屏进行全面检测的技术难题。
文档编号G01N29/22GK101625337SQ200910041578
公开日2010年1月13日 申请日期2009年7月31日 优先权日2009年7月31日
发明者卢方龙, 张春雷, 平 胡, 马庆增 申请人:广东电网公司电力科学研究院