一种锯齿形柱状超声相控阵换能器的制作方法与工艺

本发明涉及一种动车组空心车轴探伤装置，特别涉及一种可用于空心车轴内部及外表面纵向裂纹检测的锯齿形柱状超声相控阵换能器。

背景技术：
在传统的空心车轴外表面纵向裂纹的检测中，采用的是含单个压电晶片的切向换能器探头，即超声的入射方向位于垂直于轴向的截面内，入射线不经过轴心。该换能器安装于一个旋转轴上，在机械转动的同时换能器以自发自收的形式完成整个周向的扫描探伤。由于转动自由度的存在，使设备机械结构复杂化，此外该形式的扫描效率低、分辨率低。公开号为CN200985790Y的专利中提出了一种柱形相控阵井周扫描超声换能器，压电晶片阵元呈环形分布在柱形基体四周，通过采用动态聚焦和偏转技术可实现沿周向聚焦扫描，无需机械旋转，简化机械结构。由于呈环形分布的各压电晶片的表面法线均经过基体轴线，因此其偏转角度是有限的，大偏转角度的聚焦效果和检测性能均下降，而对于空心车轴的纵向裂纹，需要较大的偏转角度来获得较强的缺陷回波，以获取可靠的探伤效果。同时该分布形式使各压电晶片在空心车轴中产生的声束以纵波为主，而纵波波长大于横波，因此对裂纹探伤的分辨率相对较低。因此急需一种换能器能提供较大的声束聚焦偏转角度，并实现以横波声束对纵向裂纹等进行探伤，从而提高探伤分辨率。

技术实现要素：
本发明所解决的技术问题是提供一种可用于空心车轴内部缺陷及外表面纵向裂纹检测的锯齿形柱状超声相控阵换能器，可在空心车轴中以横波声束进行聚焦。本发明通过改变换能器阵元组，可在无旋转机械运动的情况下完成整个周向的扫描，实现对空心车轴内部缺陷和外表面纵向裂纹的准确探伤。本发明的技术方案如下：该锯齿形柱状超声相控阵换能器，包含换能器基体和换能器阵元，其特征在于，换能器基体为柱状，柱状基体的外轮廓呈锯齿形；在柱状基体每一个齿形的同一侧均布置压电晶片，构成多个呈环形均匀分布的换能器阵元，各阵元之间互不影响。各阵元之间相互绝缘。优选的，所述柱状基体相邻齿形的相邻面所成角度大于90°且小于180°。优选的，所述压电晶片形状尺寸一致，为长条状。优选的，所述换能器基体采用空心圆柱状。本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性的技术效果：本发明采用特定的换能器阵元倾斜角度，可实现大偏转角度的动态聚焦。同时各阵元发射的超声波斜入射到介质中，可在空心车轴中以横波声束进行聚焦，提高探伤分辨率。附图说明图1是本发明的立体结构示意图。图2是图1结构的俯视图。图3是本发明在空心车轴中工作的示意图。图4是本发明的阵元发射和接收超声波过程示意图。图5是本发明的探伤过程原理图。图中：1-换能器基体；2-压电晶片；3-耦合层；4-空心车轴；5-纵向裂纹。具体实施方式下面参照附图对本发明作详细描述。如图1和图2所示，本发明提供的锯齿形柱状超声相控阵换能器包含换能器基体1和换能器阵元，其换能器基体为柱状，柱状基体的外轮廓呈锯齿形；在柱状基体每一个齿形的同一侧均布置压电晶片2，构成多个呈环形均匀分布的换能器阵元，多个换能器阵元组成一个阵列，阵列中的各压电晶片可分别独立控制其发射与接收过程。本优选实施例中，压电晶片2尺寸大小一致，为长条状。换能器基体1为缓冲绝缘介质，即各阵元之间相互绝缘，使各阵元间实现电路上的隔离，每个换能器阵元可独立发射和接收超声波，互不干扰。换能器柱状基体相邻齿形的相邻面所成角度大于90°且小于180°，保证压电晶片产生将的超声波不被相邻齿形所阻挡。锯齿形柱状超声相控阵换能器采用多个具有特定倾角且环状分布的换能器阵元组成锯齿形柱状超声相控阵换能器，可在空心车轴轴孔中完成整个周向的扫描。本发明可以提供大偏转角度的横波声束聚焦，能更加准确地检测空心车轴外表面纵向裂纹，提高探伤分辨率。本发明通过依次更换换能器阵元组进行周向扫描探伤，不需要旋转机械运动，能高效完成空心车轴的探伤。在下文中，将锯齿形柱状超声相控阵换能器简称为换能器。通过控制电路可以产生基于一定延迟法则的激励信号，控制声束的聚焦位置和声束强度，各通道的激励信号分别作用于换能器中选定的各阵元上，完成每一次的发射和接收。以下就图3、图4、图5对换能器的探伤过程作进一步描述。首先阐述换能器发射超声波的过程。在计算机中计算延迟法则，选定待发射超声波的探头，调整即将发射的超声波参数，将以上数据传输给下位机，下位机进行粗延时，再通过发射细延迟模块获得最终的信号延迟，由上位机控制高压源产生相应的时延脉冲信号，该激励信号经过DA转换后作用于选定的压电晶片2，从而产生多束超声波，各束超声波依次通过耦合层3和空心车轴4，最后以较大的偏转角聚焦在空心车轴外表面纵向裂纹5上。通过改变不同阵元的时延，由给定阵元产生的声束可在空心车轴近外表面处产生不同偏转角的聚焦。依次改变选定的换能器压电晶片2，可使换能器完成整个空心车轴近外表面周向360°的扫查。接下来描述换能器接收超声波的过程。换能器压电晶片2发射的超声波被空心车轴外表面纵向裂纹5发射，发射波经过空心车轴4和油膜耦合层3，到达压电晶片2，转换成相应的电信号，该信号经过限幅隔离后由下位机控制进行程控放大，再经过前置滤波处理，然后进行AD转换，在AD转换模块进行接收信号的时延处理并缓存，再由下位机进行数字滤波。经前述处理过的数字信号传输至计算机，由计算机进行相应的叠加成像并显示使用者根据显示的成像图，判断是否存在缺陷，以及缺陷所处的位置，从而完成整个空心车轴外表面纵向裂纹的探伤过程。通过改变聚焦深度，该换能器也能对空心车轴内部缺陷进行检测。