一种可发射多频信号的超声探头及其制作工艺的制作方法

本发明属于无损检测传感器技术领域，特别是一种可发射多频信号的超声探头及其制作工艺。

背景技术：

盆式绝缘子是变电站气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)的重要部件，起着隔离相邻气室、支撑导体及绝缘的重要作用，是保证电网安全可靠运行的基础。由于绝缘子内部缺陷的存在以及现场安装紧固作业不规范等因素，绝缘子破裂并导致GIS漏气的事故时有发生，极大地影响了电网设备的安全稳定运行。

绝缘子检测主要有出厂检验和在役检验两类。出厂检验主要采用X射线成像技术来检出内部气孔，但是当盆式绝缘子在变电站安装固化之后，由于透照面被封在GIS壳体内部，因而射线检测不再适用。在役检验主要是通过其进行局部放电监测和SF6气体在线监测来实现，但是局部放电检测只是对靠近中心导体的缺陷比较敏感，而对位于盆式绝缘子边缘的缺陷不敏感；SF6气体在线监测尽管包含了丰富的绝缘状态信息，但是未能直接用于评价盆式绝缘子的结构完整性，无法准确地判断和更换故障部件。

超声波检测技术是在役盆式绝缘子内部缺陷检测的切实可行的手段。然而，盆式绝缘子的材质一般是以环氧树脂为基体，添加三氧化二铝等第二相颗粒后固化而成，此类材料本身具有高衰减特性，其声衰减系数高达0.3dB/mm/MHz；而且盆式绝缘子的直径较大，一般在500mm-1000mm范围。对于在役绝缘子而言，超声探头可以接触的面只有外圆面部分。此时，为了兼顾检测分辨率和覆盖深度，必须采用不同频率的超声信号进行分区组合检测，频率较低的信号可以覆盖深度更大的部位，而频率较高的信号则可以保证对浅表层的检测分辨率，同时高频晶片还可以接收低频探头所产生的高阶谐波信号，从而提高对大深度范围的分辨率。

然而，目前还没有针对盆式绝缘子这种高衰减材质和大深度范围分区检测且可以同时发射多种频率信号的超声波专用传感器。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种可发射多频信号的超声探头，以配合盆式绝缘子自动化检测，实现盆式绝缘子的全覆盖和高效率检测。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种可发射多频信号的超声探头，其包含压电晶片组合体；

所述的压电晶片组合体包含高频晶片、中频晶片和低频晶片，从上到下依次叠加，且相邻晶片之间用滤波层隔离；位于低频晶片和中频晶片之间的第一滤波层与中频晶片的外侧面包覆一低频匹配层，位于中频晶片和高频晶片之间的第二滤波层与高频晶片的外侧面包覆一中频匹配层，中频匹配层和高频晶片的上表面覆盖一高频匹配层；

所述第一滤波层厚度为低频匹配层厚度与中频晶片厚度之差，所述第二滤波层厚度为中频匹配层厚度与高频晶片厚度之差，所述高频匹配层的长宽尺寸与低频晶片相等。

优选的，所述第一滤波层的长宽尺寸与中频晶片相等，所述第二滤波层的长宽尺寸与高频晶片相等。

优选的，所述的压电晶片组合体上固定安装外壳和透声楔块，外壳上装有三个线缆接头，分别用引线连接三个晶片的正负极。

本发明还提供上述超声探头的制作工艺，其包括步骤：

1)将低频晶片粘接于托台之上，然后将第一方形塑料模具粘接在低频晶片之上，第一方形塑料模具的内腔面积与中频晶片面积相等，内腔高度略高于第一滤波层对应的高度；

2)将含有第二相高密度导电颗粒的环氧树脂和固化剂倾倒在第一方形塑料模具腔内，高温固化之后去除第一方形塑料模具，形成低频晶片与中频晶片之间的第一滤波层，然后研磨第一滤波层至指定高度；

3)将中频晶片及其电极引线粘接在所述第一滤波层之上，然后将内腔面积与低频晶片面积相等的第二方形塑料模具套住低频晶片，第二方形塑料模具的高度略高于中频晶片上表面；

4)将含有第二相低密度非导电颗粒的环氧树脂和固化剂倾倒在第二方形塑料模具腔内，高温固化之后除去第二方形塑料模具，然后研磨直至露出中频晶片上表面，完成低频匹配层的制作；

5)按照上述相同的方法，完成中频晶片与高频晶片之间的第二滤波层、中频匹配层的制备以及高频晶片及其匹配层的组装；

6)最后将组装完成的压电晶片组合体从托台上取下，安装外壳、线缆接头和透声楔块。

优选的，所述的外壳与压电晶片组合体之间采用纯环氧树脂固定。

优选的，所述的晶片厚度，根据被检对象的声衰减系数以及所选晶片材料的频率常数共同计算获得。

优选的，所述的匹配层成分和厚度，根据匹配层的被检对象的声阻抗，以及所选晶片材料的声阻抗共同计算获得。

优选的，所述滤波层的成分，以实现晶片所发射的超声被滤除或降低20dB为标准进行设计。

优选的，所述的第二相高密度导电颗粒，包括但不限于金属粉末，颗粒直径根据所设计晶片的频率及其衰减系数进行计算；所述的第二相低密度非导电颗粒，包括但不限于陶瓷粉末，颗粒直径根据晶片的声阻抗进行计算。

优选的，根据被检工件表面的曲率，配备相应曲率的透声楔块。

本发明具有的有益效果在于：本发明只需要通过一次扫查，即可实现对具有高衰减特性和大深度范围的盆式绝缘子的全深度覆盖检测，具有高效率特征；同时，高频晶片还可以接收低频晶片所产生的谐波信号，从而保障深度较大区域的缺陷分辨率；本发明所述超声探头不仅适用于盆式绝缘子，而且对其他类型的高声衰减工业部件的检测同样适用。

附图说明

图1为本发明压电晶片组合体的结构示意图；

图2为本发明超声波探头的示意图；

图3为本发明的低频晶片发射超声信号的频谱图；

图4为本发明的中频晶片发射超声信号的频谱图；

图5为本发明的高频晶片发射超声信号的频谱图。

具体实施方式

下面结合说明书附图及实施例对本发明作以下详细描述。

如图1，一种可发射多频信号的超声探头，其包含压电晶片组合体，所述的压电晶片组合体包含高频晶片7、中频晶片6和低频晶片1，从上到下依次叠加，且相邻晶片之间用滤波层隔离。位于低频晶片和中频晶片之间的第一滤波层5与中频晶片的外侧面(即前后左右四侧面，不包括上表面和下底面)包覆低频匹配层2，位于中频晶片和高频晶片之间的第二滤波层与高频晶片的外侧面(即前后左右四侧面，不包括上表面和下底面)包覆中频匹配层3，中频匹配层和高频晶片的上表面覆盖高频匹配层4。

所述第一滤波层5厚度为低频匹配层2厚度与中频晶片6厚度之差，所述第二滤波层8厚度为中频匹配层3厚度与高频晶片7厚度之差，所述高频匹配层4的长宽尺寸与低频晶片相等。第一滤波层的长宽尺寸与中频晶片相等，第二滤波层的长宽尺寸与高频晶片相等。

所述的压电晶片组合体上固定安装外壳10和透声楔块11，外壳10上装有三个线缆接头9，分别用引线连接三个晶片(即高、中、低频晶片)的正负极。

上述超声探头的制作工艺包括以下步骤：

1)将低频晶片粘接于托台之上，然后将第一方形塑料模具粘接在低频晶片之上，第一方形塑料模具的内腔面积与中频晶片面积相等，内腔高度略高于第一滤波层对应的高度；

2)将含有第二相高密度导电颗粒的环氧树脂和固化剂倾倒在第一方形塑料模具腔内，高温固化之后去除第一方形塑料模具，形成低频晶片与中频晶片之间的第一滤波层，然后研磨第一滤波层至指定高度；

3)将中频晶片及其电极引线粘接在所述第一滤波层之上，然后将内腔面积与低频晶片面积相等的第二方形塑料模具套住低频晶片，第二方形塑料模具的高度略高于中频晶片上表面；

4)将含有第二相低密度非导电颗粒的环氧树脂和固化剂倾倒在第二方形塑料模具腔内，高温固化之后除去第二方形塑料模具，然后研磨直至露出中频晶片上表面，完成低频匹配层的制作；

5)按照上述相同的方法，完成中频晶片与高频晶片之间的第二滤波层、中频匹配层的制备以及高频晶片及其匹配层的组装；

6)最后将组装完成的压电晶片组合体从托台上取下，安装外壳、线缆接头和透声楔块，且外壳与压电晶片组合体之间采用纯环氧树脂等绝缘材料固定。

所述的超声探头，其晶片数不限于高频、中频和低频三块晶片，可以是根据工艺需求的任意多种频率的组合。根据实际检测需求，本实施例三种频率的超声波中心频率，分别为0.5MHz，1MHZ和2MHz进行所有参数的设计，晶片选择为钙钛酸铅(PZT)材料，匹配层选择为环氧树脂和三氧化二铝，滤波层选择为环氧树脂和钨粉，透声楔块为有机玻璃，且根据所选盆式绝缘子的半径，加工成弧形，以便良好耦合，最后组合得到探头外形如图2所示，三个标准线缆接头分别连接三个晶片的正负极。

利用脉冲回波方式测得本实施例探头所发射的三种超声波信号的频谱图，如图3、图4和图5所示，实测的低、中、高频率分别为0.39MHZ，1.2MHz和2.3MHz，且频谱范围良好覆盖所设计的中心频率。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。