专利名称：用于测量材料厚度的装置和系统的制作方法
技术领域：
本文公开的主旨涉及使用超声换能器测量材料厚度，并且在一个实施例中涉及包括柔性电路材料和压电陶瓷的压电感测装置。
背景技术：
若干工业(例如，油气、精炼、化学、发电)要求通过管道输送流体(例如，液体或气体)。无损检测系统可以放置在这些管道的外表面上来监测这些管道的腐蚀/侵蚀，包括管道壁内部上的腐蚀/侵蚀。这些系统通常实现为随时间推移的人工检查的一部分，其中随时间监测管道壁厚度和厚度的变化。在一些情况下，探头或其他无损检测装置永久地耦合于管道的外表面来连续地监测在该位置的腐蚀/侵蚀以确定管道腐蚀/侵蚀速率并且确定该管道位置是否需要预防性维护来防止管道故障。用于监测管道的腐蚀/侵蚀的无损检测系统的一个示例是超声检测系统。当实行管道的超声检测时，超声脉冲从耦合于该管道的外表面的探头发射并且通过该管道壁。当该超声脉冲传递进入并且通过该管道壁时，因为该脉冲与该管道的外表面、该管道壁内的内部结构并且与该管道壁的后壁相互作用，各种脉冲反射(叫做回声)反射回到该探头。 这些回声信号可以在屏幕上显示，其中回声振幅表现为垂直轨迹并且飞行时间或距离作为水平轨迹。通过跟踪该超声脉冲的传送和这些回声的接收之间的时间差，可以确定该管道的各种特性，包括管道壁厚度。如果在超声检测系统的位置处的管道壁的厚度随时间减小 (例如，将示为后壁回声的飞行时间的减少)，这可以是腐蚀/侵蚀的指示。各种因素影响装置的配置和特别地用于在这些无损检测系统中使用的材料。在一些应用中，例如操作温度等操作条件例如可超过例如聚偏二氟乙烯(PVDF)的共聚物(例如，P(VDF-TrFE))等材料的温度阈值。与制造期间某些处理步骤有关的包括温度的处理条件也是限制性的。例如准确度和对小缺陷和材料厚度的小变化的灵敏度等性能因素是排除特定材料和其组合的使用的其他因素。然而，尽管提高的性能可以使用材料的某些配置实现，这些配置常常导致限制所得装置的可应用性的物理特性(例如，高度轮廓)。因此提供适合材料厚度的超声检测和测量的装置，其具有提高的性能和物理特征但也配置成用于高操作温度和高工艺温度，这将是有利的。
发明内容
在一个实施例中压电感测装置包括基底、设置在该基底上的焊料层和通过该焊料层耦合于该基底的压电元件，该压电元件包括陶瓷。在该压电感测装置的一个示例中，该基底、该焊料层和该压电元件设置为分层结构，其具有不超过3mm的轮廓高度。在该压电感测装置的一个示例中，该基底包括与超过120°C的操作温度相容的材料。在另一个实施例中用于测量目标的材料厚度的测量系统。该测量系统包括基底， 其包括柔性电路材料，其中一区域具有采用t形几何结构的电极。该测量系统还包括设置在该电极上的焊料层和设置在该焊料层上的压电元件。该压电元件包括具有第一电极、第二电极和耦合于该第一电极和该第二电极中的每个的包绕片(wrap tab)的陶瓷体。该测量系统进一步包括用于向和从该压电元件传导输入和输出的连接。在该测量系统的一个示例中，该柔性电路材料、该焊料层和该压电元件设置为分层结构，其具有不超过3mm的轮廓尚度。在再另一个实施例中用于监测目标的材料厚度的设备。该设备包括固定到该目标的换能器阵列和耦合于该换能器阵列的仪器。在该设备的一个示例中，该换能器阵列包括压电感测装置。在该设备的一个示例中，该压电感测装置包括分层结构，其具有柔性电路材料、焊料层和通过该焊料层耦合于该柔性电路材料的陶瓷体。在该设备的一个示例中，该分层结构具有不超过3mm的轮廓高度。
因此可以理解本发明的特征所采用的方式、本发明的详细说明可通过参考某些实施例(其中一些在附图中图示)来获得。然而，要注意图仅图示本发明的某些实施例并且因此不认为限制它的范围，因为本发明的范围涵盖其他同等有效的实施例。图不必按比例绘制，重点一般放在图示发明的某些实施例的特征上。从而，对于本发明的进一步理解，可以参考连同图阅读的下列详细说明，图中图1是测量系统的示范性实施例的示意图。图2是压电感测装置的示范性实施例的分解组件视图。图3是图2的压电感测装置的侧横截面组装视图。图4是压电感测装置的另一个示范性实施例的正视图。图5是图4的压电感测装置的侧横截面视图。图6是压电感测装置的再另一个示范性实施例的正视图。图7是图6的压电感测装置的侧横截面视图。图8是例如图2-5的压电感测装置等压电感测装置的实现的示意图。图9是例如图2、3、6和7的压电感测装置等压电感测装置的另一个实现的示意图。部件列表
10 14 18 22
4
测量系统仪器
感测元件基底
12换能器阵列
16连接
20压电元件
24超声检测单元26公共基底100压电感测装置102基底104压电元件106陶瓷体108电极110接地部112包绕片114柔性电路材料116第一层118第二层120收容区域122电极124接地电极126热线电极128电极几何结构130隔离间隙132形状几何结构134T形几何结构136焊料层138分层结构200压电感测装置202基底204压电元件214柔性电路材料220收容区域222电极224接地电极226热线电极236焊料层240正面242背面244电缆连接246电缆连接焊盘248应变释放250接地焊盘252热线焊盘254通孔256地线层300压电感测装置302基底304压电元件314柔性电路材料320收容区域322电极324接地电极326热线电极336焊料层358公共基底360导体362热线导体364接地导体366自由端368连接器400压电感测装置402基底404压电元件414柔性电路材料424接地电极426热线电极436焊料层440正面442背面470测量系统472换能器阵列474仪器476连接478电缆480连接端子482表面484目标486耦合剂488外部结构490保护层492固定机构500压电感测装置502基底504压电元件524接地电极526热线电极536焊料层558公共基底566自由端568连接器570测量系统572换能器阵列574仪器576连接586耦合剂590保护层592固定机构594单个电缆596配对连接器
具体实施例方式现在参照图，在图1中图示有具有改进的灵敏度和构造的测量系统10的示范性实施例，其中改进的构造有益于测量系统10在大于例如120°c的操作温度下以及在由其他测量系统的使用受到限制的区域中的实现。该测量系统10可以包括换能器阵列12和仪器 14，其经由连接16操作耦合于该换能器阵列12。该换能器阵列12可以包括一个或多个感测元件18，这些感测元件18中的每个具有耦合于基底22的压电元件20。换能器阵列12可以设置在可因为在其中输送流体而受到腐蚀和侵蚀的例如管道、管和有关导管等目标上。该换能器阵列12的该设置允许由压电元件20产生的超声信号撞击在该目标的材料上。这些超声信号例如被材料表面反射，其中这些反射信号由压电元件20检测。在一个实施例中，仪器14可以包括产生波形脉冲(一般，“输入”)的超声检测单元24，这些波形脉冲经由连接16施加于压电元件20。这些波形脉冲引起压电元件20中的机械变化(例如，尺寸变化)。该变化可以引起声波，其被传送通过目标的材料。相反地，当从处于检查的材料反射的声波接触压电元件20的表面时，压电元件20产生电压差。该电压差由该超声检测单元24或其他信号处理电子设备探测为接收信号(一般，“输出”)。超声检测单元24可以包括各种控制装置，其对于确定由压电元件20产生的波形脉冲的振幅、时序和传送序列是有用的。波形脉冲一般在大约5MHz至大约20MHz的频率范围中。通过跟踪波形脉冲的传送和接收的信号的接收之间的差别并且测量反射波的振幅， 可以确定材料的各种性质。在一个示例中，目标的材料的厚度以及厚度的任何对应变化可以使用飞行时间分析来确定，其的主旨将由具有换能器和有关领域中的技术的那些技工认识到。在一个实施例中，感测元件18单独设置并且构建为个体感测单元。这些个体单元和超声检测单元24之间的通信由连接16而便利化，并且在一个构造中连接16具有多个电缆(没有示出)。这些电缆耦合于感测元件18中的每个。示范性电缆可以包括同轴电缆和光纤，以及单股和多股铜和/或有关材料，其可以如本文预期的那样向和从压电元件20传导输入和输出(例如，波形脉冲和接收的信号)。在另一个实施例中，感测元件18设置在公共基底(在本示例中用数字26大体上来定界)上。该设置由设置在该公共基底26上的压电元件20中的一个或多个限定。感测元件18的压电元件20可以沿例如材料条带彼此隔开，并且如在下文一个或多个实施例中论述的那样，该材料可以包括可以与目标形状保形的柔性电路材料。在一个示例中，导体包含在该柔性电路材料中，其中每个导体在压电元件20并且在该公共基底26的端部处终止。 连接16可以包括耦合于这些导体且可以被结合或以别的方式附加于自由端上的一个或多个连接器(没有示出)。该连接器可以耦合于配对连接器或例如从超声检测单元24延伸的一束同轴电缆等其他装置。该组合可以在压电元件20和仪器14之间传送输入和输出。换能器阵列12中的感测元件18的数目可以改变，并且在一个构造中数目可以从一改变到二十。在一个特别示例中，数目是十四。数目的备选选择可以基于检查中的目标的尺寸、感测元件18在目标上的优选间隔和正探测的缺陷的类型中的任何一个或组合。当连同公共基底26实现时，压电元件20的近似中心之间的间隔可以从大约IOmm至大约100mm。 此外，在其中感测元件18设置为个体化的单元的实现中，每个可以位于目标上且独立于换能器阵列12的感测元件18中的其他感测元件18。从而，可以根据期望来对感测元件18中的每个优化压电元件20的邻近元件之间的空间和压电元件20关于目标的特征(例如，边缘)的位置。尽管换能器阵列12描绘为线性阵列(例如，其中感测元件18形成具有一列或多列的单行)，也设想其他配置。在一个实施例中，换能器阵列12可以包括一行或多行和一列或多列感测元件18。在另一个实施例中，感测元件18采用具有行和列的不同阵列的构形设置。通过示例，换能器阵列12的一个构形可以包括第一行感测元件18和第二行感测元件 18，其中该第二行关于该第一行垂直安置，从而形成“t”形。现在关注感测元件18的构造，可以参照图2和3。这里描绘有压电感测装置100 的示范性实施例，其可以部署为图1的感测元件18中的一个或多个。在一个实施例中，该压电感测装置100可以包括基底102和具有陶瓷体106的压电元件104。该陶瓷体106可以配置有电极108、接地部110和包绕片112，其由沉积在该陶瓷体106上的金镀层或相当的传导材料来构建。该基底102可以包括柔性电路材料114，其在该示例中示出具有第一层116和第二层118，并且具有收容区域120，其配置成收容该压电元件104。该收容区域120 可以具有用于连接到例如电极108和接地部110的电极122。这些电极122可以包括第一或接地电极124和第二或热线电极126。这些电极122可以保形为由这些电极122之间的隔离间隙130限定的电极几何结构128和/或如应用于这些电极122中的一个或多个的形状几何结构132。在一个示例中，该形状几何结构132包括该热线电极126的t形几何结构 134。在一个实施例中，压电感测装置100还可包括焊料层136，其包括例如锡、铅、银、 铋和铟等一个或多个材料。该焊料层136在组装期间沉积并且用于将压电元件104耦合于基底102的收容区域120。当组装时，基底102、压电元件104和该焊料层136的组合设置为具有轮廓高度P的分层结构138。压电感测装置100的实施例可以配置使得该轮廓高度 P不超过大约7mm，并且在一个示例中该轮廓高度从大约0. 25mm至大约1mm。这些值小于常规装置，其允许压电感测装置100在对于常规构造的测量装置一般不可使用的地方使用。选择具有包括例如与组装期间的处理条件(例如使焊料层136回熔需要的回熔温度等)的相容性的材料性质的在陶瓷体106中使用的材料。这些回熔温度典型地超过 200°C，并且在一个示范性工艺中这些回熔温度是大约220°C。要考虑的其他性质包括但不限于材料的介电常数，其中对陶瓷体106选择的材料应该具有提供良好的电阻抗匹配同时最小化压电元件104的总尺寸的介电常数。这些尺寸包括例如大约3mm乘大约5mm的图2 的矩形形状的尺寸，但长度和宽度可以分别从大约2mm改变到大约8mm。在其他示例中，压电元件104的形状可以包括正方形、圆形和/或椭圆形。参考上文论述的轮廓高度P，进一步考虑形成具有从大约0. Imm至大约Imm的总厚度的压电元件104。在一个实施例中，使用例如Navy Type II材料和有关陶瓷(例如，钛酸铅锆压电) 等压电陶瓷可是可取的，但同样考虑并且可使用具有相似性质和组成的其他材料。为了构建陶瓷体106 (—般而言和压电元件104)的目的，在一个示例中Navy Type II材料砖可以切成具有大约0. 6mm的厚度的板。这些板可以通过精磨操作完成使得所得板的厚度是大约 0. 2mm。线性研磨、擦光和背面研磨都是可接受的精磨操作。这些板此后可以切成具有大约 9mm的宽度的条带，并且可以形成、极化和检测电极。例如溅射等覆镀操作可以用于沉积金 (Au)镀层并且这些完成的板可以切割以形成个体压电元件(例如，压电元件104)。在一个示例中，单个NaVy Type II材料砖可以出产近似2880个压电元件104。将意识到电极122 可以使用某些沉积、蚀刻、溅射和在本公开的范围和精神内认识到的有关处理技术与工艺来形成。柔性电路材料114的层(例如，第一层116和第二层118)可以包括例如基于聚酰胺的膜等材料以及包括聚酯(PET)，聚酰亚胺(PI)，聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)和聚醚酰亚胺(PEL)中的一个或多个的其他材料和膜。这些层可以构建在一起以形成与本文论述的处理条件、操作温度和物理特性(例如，轮廓高度P)相容的叠层片。例如像金属箔的电导体等导体可包括在这些层中，或在其他示例中导体可以例如通过使用电镀和有关覆镀和沉积技术而包含在这些层之中。这些导体可以延伸到电极122以及到基底102的外围边缘和区域。该配置对于向和从压电元件104传导脉冲和电信号是有用的，其示例在上文连同公共基底(例如，图1的公共基底26)论述。接着参照图4-7，提供有压电感测装置200 (图4和5)和300 (图6和7)的示范性实施例。为了下文接着的论述的目的，类似的数字用于标识如图2-7之间类似的部件，但是这些数字增加100 (例如，100是图4和5中的200，并且200是图6和7中的300)。这些压电感测装置200和300对于在上文连同图1论述的换能器阵列12的配置中的一个或多个中的实现是有用的。在图4和5中描绘的压电感测装置200例如适合连同换能器阵列12(图1)的配置 (其中感测元件18中的每个设置为个体单元)使用。在一个实施例中，压电感测装置200 可以包括基底202和压电元件204。该基底202可以包括柔性电路材料214，其具有该压电元件204安置在其中的收容区域220。该收容区域220可以具有包括接地电极224和热线电极226的电极222。焊料层236可以使用在本领域中认识到的丝网印刷技术设置在这些电极222中的一个或多个上。柔性电路材料214可以包括正面240和背面242，电极222位于其上。压电感测装置200还可以包括具有电缆连接焊盘246和应变释放构件(strain relief) 248的一个或多个电缆连接244。这些电缆连接焊盘246可以包括接地焊盘250和热线焊盘252，每个通过一个或多个通孔254分别耦合于接地电极224和热线电极226。这些通孔254延伸通过柔性电路214，由此将在正面240上的这些电缆连接焊盘246耦合于在背面242上的电极 222。在一个示例中，地线层(ground plane) 256也包含在柔性电路材料214中。该地线层 256耦合于接地电极224和该接地焊盘250。当换能器阵列12(图1)利用公共基底(例如，公共基底26(图1))时，可以实现如在图6和7中描绘的压电感测装置300。在一个实施例中，压电感测装置300可以包括基底302和压电元件304。该基底302可以包括柔性电路材料314，其具有配置成在其上收容该压电元件304的一个或多个收容区域320。这些收容区域320可以具有包括接地电极 324和热线电极326的电极322。还包括焊料层336用于将该压电元件304固定到这些电极 322。压电感测装置300可以包括公共基底358，其中包含多个导体360。这些导体360 可以包括热线导体362和接地导体364，每个图示为从该公共基底358的自由端366延伸。 例如多引脚连接器等连接器368设置在该自由端366上，连接器368耦合于这些导体360 中的每个。该连接器368同样配置成耦合于如可能与本文考虑的仪器(例如，仪器14 (图 1))关联的配对连接器(没有示出)现在论述例如上文论述的压电感测装置100、200和300等压电感测装置的实现， 现在参照图8和9。图8和9分别图示压电感测装置400和500的示范性实施例，这些实施例配置成在例如上文描述的并且在下文更详细描述的测量系统等测量系统中使用。类似的数字也用于标识如图2-9之间类似的部件。然而，尽管本公开的压电感测装置的特征和概念中的一些可不连同图8和9描绘或论述，考虑了这样的特征和概念可应用于压电感测装置400和500以及其的实施例和衍生。在图8中描绘有例如多个压电感测装置400，其中每个可以包括基底402和压电元件404。该基底402可以包括柔性电路材料414，其具有接地电极424、热线电极426和焊料层436，其用于将该压电元件404固定到该基底402。该柔性电路材料414包括正面440 和背面442。在一个实施例中，这些压电感测装置400实现为测量系统470的部分，其可以包括换能器阵列472、仪器474和例如耦合于该压电元件404的一个或多个电缆478等连接476。该测量系统470还可以包括连接端子480来集中电缆478，其在一个示例中充当用于向和从该仪器474和该换能器阵列472的这些压电感测装置400传送信号的中央集线器。在一个实施例中，压电感测装置400使用设置在基底402的背面442上的例如粘合剂等耦合剂固定到目标484的表面482。为了进一步确保压电感测装置400到该表面482 的正常功能和耦合，可以利用例如保护层490和固定机构492等一个或多个外部结构488。 这些外部结构488可以包含为压电感测装置400的部分，或在一个实施例中这些外部结构 488包括与压电感测装置400分开的一个或多个元件。这些外部结构488的这些元件的组装一般可以在压电感测装置400和测量系统470的实现和安装时进行。耦合剂486可以设置在基底402的表面上(如在图8中描绘的)以及在压电元件 404上。在施加期间应该小心进行以避免压电元件404的性能的退化。除性能特性外，用于作为耦合剂486使用的材料与基底402和目标484的材料特性相容可是可取的。在一个示例中，例如丙烯酸粘合剂(acrylic adhesive)等粘合剂可以作为具有大约Imm的标称初始厚度的层来施加。可以同样可接受的其他粘合剂和有关材料包括但不限于氰基丙烯酸酯 (cyanocrylate)、环氧树脂、溶剂型粘合剂和冷流粘合剂以及其的组合和派生。保护层490用于防止对下面的结构(例如，压电感测装置400)的损伤。材料同样可以具有电绝缘性质从而提供保护免受外部环境影响以及防止电弧放电、短路和能够发生的其他电致故障。用于作为保护层490使用的示范性材料可以包括硅、尼龙、氯丁二烯橡胶、聚合材料和其的组合与派生。固定机构492可以采用在图8中图示的带状结构的形式。当目标484是管道或其他圆周装置时，这样的结构可以绕圆周附加。这些结构可以包含辅助固定和紧固特征，其减小该带绕该管道的直径，由此施加力到压电感测装置400上。对于目标484的其他配置，例如对于具有平坦或不规则构造的目标，固定机构492可配置有设计成用于目标484的特定配置的装置。这些装置可包括磁体和磁化工具，可以使得被施加以作用力到压电感测装置 400 上。现在参照图9，看见压电感测装置500可以包括基底502和压电元件504。该基底 502可以包括接地电极524和热线电极526，并且如本文考虑的那样包括焊料层436。该基底502设置为具有自由端566的公共基底558，连接器568设置在该自由端566上。压电感测装置500是测量系统570的部分，其可以包括换能器阵列572、仪器574和耦合于它们之间的连接576。为了固定压电感测装置500，使用耦合剂586并且由保护层590和固定机构592给予进一步保护。在一个实施例中，该连接576可以包括耦合于该连接器568和该仪器574的单个电缆594。该单个电缆594可以包括例如配对连接器596，其配置成与该连接器568配对。该书面说明使用示例以公开本发明的实施例，其包括最佳模式，并且还使本领域内技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统和执行任何包含的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域内技术人员想到的其他示例。这样的其他示例如果它们具有不与权利要求的书面语言不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的书面语言无实质区别的等同结构元件则规定在权利要求的范围内。
权利要求
1.一种压电感测装置(100)，包括基底(102)；设置在所述基底(102)上的焊料层(136)；以及通过所述焊料层(136)耦合于所述基底(102)的压电元件(104)，所述压电元件(102) 包括陶瓷；其中所述基底(102)、所述焊料层(136)和所述压电元件(104)设置为具有不超过3mm 的轮廓高度的分层结构(138)，并且其中所述基底(102)包括与超过120°C的操作温度相容的材料。
2.如权利要求1所述的压电感测装置(100)，其中所述基底(102)和所述陶瓷与用于处理所述焊料层(136)的回熔温度相容。
3.如权利要求1所述的压电感测装置(100)，其中所述陶瓷包括NavyType II材料。
4.如权利要求1所述的压电感测装置(100)，其中所述基底(102)包括基于聚酰胺的膜。
5.如权利要求1所述的压电感测装置(100)，其中所述基底(102)包括具有电极(122) 的区域，所述电极(122)具有t形几何结构(134)，并且其中所述压电元件(104)用所述焊料层(136)固定到所述区域。
6.如权利要求1所述的压电感测装置(100)，进一步包括设置在所述压电元件(104) 的至少一部分周围的包绕片(112)。
7.如权利要求1所述的压电感测装置(100)，进一步包括设置在所述压电元件(104) 上的金镀层。
8.如权利要求1所述的压电感测装置(100)，进一步包括设置在所述基底(202)的正面(240)上的一个或多个电缆连接(244)，其中所述压电元件(204)设置在所述基底(202) 的背面(242)上，并且其中所述一个或多个电缆连接(244)配置成向和从所述压电元件 (204)和固定到所述一个或多个电缆连接(244)的一个或多个电缆(478)传导输入和输出。
9.如权利要求1所述的压电感测装置(100)，进一步包括包含进入所述基底(302)的导体(360)，其中所述导体(360)耦合于所述压电元件(304)和所述基底(302)的自由端 (366)。
10.如权利要求9所述的压电感测装置(100)，进一步包括在所述自由端(366)耦合于所述导体(360)的连接器(368)，其中所述连接器(368)向和从所述压电元件(204)传送输入和输出。
全文摘要
本发明涉及用于测量材料厚度的装置和系统。描述用于测量例如管道、管和运送流体的其他导管等目标的材料厚度的压电感测装置(100)。该压电感测装置(100)包括例如柔性电路材料(114)等基底(102)、压电元件(104)和设置在其间的焊料层(136)。这些特征采用提供适合高温应用(例如其中温度超过120℃的那些应用等)的薄型测量装置的这样的方式来设置。该压电感测装置(100)的实施例可以配置成作为单独位于该目标上的独立单元来使用或作为通过该柔性电路材料(114)耦合在一起的一串感测元件来使用。
文档编号G01B17/02GK102346022SQ201110217808
公开日2012年2月8日 申请日期2011年7月21日 优先权日2010年7月21日
发明者F·马修斯, J·N·巴辛格, M·克罗恩, N·史密斯, P·A·迈尔, 范颖 申请人:通用电气公司