一种高频压电换能振元和高频超声探头的制作方法

1.本实用新型属于测量技术领域，具体涉及一种高频压电换能振元和高频超声探头，用于钢轨缺陷监测。


背景技术：

2.现有技术中,用于火车/列车行驶的钢轨，在火车/列车的长期行驶中，钢轨会出现裂纹、裂痕或断开等损伤缺陷，因此，需要对钢轨的损伤进行检测，现有的方法是将具有超声波功能的探头耦合到钢轨轨头的踏面位置，利用钢轨的损伤位置对超声波的反射，通过测量反射的声波幅值确定损伤位置的钢轨缺陷，但这种轨头入射超声波的方式，无法在火车/列车行驶在该钢轨所在的轨道上时进行布置，从而无法对轨头核伤缺陷进行在线实时监测，从而难以确定钢轨损伤缺陷的形状及损伤缺陷形状的改变过程。由于不能及时发现钢轨轨头危害性极大的核伤缺陷，因此，缺陷扩展后可能引发的断轨事故对行车安全造成重大威胁的重大威胁也不可避免。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的是提供一种高频压电换能振元和高频超声探头，用于钢轨缺陷监测，用于解决现有技术中存在的上述问题。
4.一种高频压电换能振元，用于钢轨缺陷监测，其包括第一电极层、柔性压电换能层、第二电极层和导电环氧焊料混合剂层；
5.所述第一电极层连接所述柔性压电换能层的正面，且连接有正极引线；
6.所述第二电极层的上表面连接所述柔性压电换能层的背面，且连接有负极引线；
7.所述第二电极层的下表面连接有所述导电环氧焊料混合剂层。
8.进一步地，所述柔性压电换能层为具有一定厚度的共聚物pvdf层。
9.进一步地，所述一定厚度的共聚物pvdf层为厚度20μm的聚偏氟乙烯
‑
三氟乙烯薄膜或偏二氟乙烯
‑
四氟乙烯薄膜。
10.进一步地，所述第一电极层和第二电极层均为两层蒸镀结构体。
11.进一步地，所述两层蒸镀结构体从里到外依次为厚度10nm的钛(ti)蒸镀电极层，及覆盖其上的厚度为200nm的金(au)蒸镀电极层。
12.进一步地，所述高频压电换能振元为边长3mm
×
3mm的正方块。
13.本实用新型还提供高频超声探头，所述高频超声探头包括高频压电换能振元、柔性粘接连接层、正极连接线、负极连接线、多芯高频电缆线和防水接头，所述高频压电换能振元粘接于所述柔性粘接连接层上。
14.进一步地，所述柔性粘接连接层为聚二甲基硅氧烷pdms层，所述高频压电换能振元设置为多个，且各个所述高频压电换能振元的间距为1mm。
15.进一步地，所述正极连接线由所有的高频压电换能振元的每一正极引线并联形成。
16.进一步地，所述多芯高频电缆线一端焊接所述正极连接线和负极连接线,另一端焊接所述防水接头。
17.本实用新型的有益效果
18.与现有技术相比，本实用新型有如下有益效果：
19.(1)本实用新型柔性压电换能层采用共聚物pvdf来制作高频压电换能振元，该共聚物pvdf为柔性压电材料，兼具氟树脂和通用树脂的特性，因此使得高频压电换能振元具有良好的耐化学腐蚀性、耐高温性、耐氧化性、力学性能好、柔软不脆、重量轻、耐冲击及良好的压电性能，较好的声学透声特性。由于在线监测位置全部都在室外，共聚物pvdf在高低温下的性能不发生改变，使用寿命比较长，且共聚物pvdf耐温在
‑
40度到140度，抗老化强，进一步地，本实用新型采用压电性能较好的共聚物pvdf中的聚偏氟乙烯
‑
三氟乙烯或偏二氟乙烯
‑
四氟乙烯共聚物来实现。
20.(2)利用柔性压电换能层制作高频压电换能振元，采用柔性粘接连接层粘接固定，制作高频超声探头，柔性粘接连接层采用聚二甲基硅氧烷pdms，聚二甲基硅氧烷pdms具有较强的柔韧性、较好的弹性、低杨氏模量、优异的气体透过性、化学稳定性和热稳定性等性能，从而使得高频超声探头具有良好的柔韧性和弯曲特性，可以放置在钢轨的任意位置，尤其是在监测轨头核伤缺陷时，可以将高频超声探头与钢轨下颚完全贴合，形成良好的超声入射面，能够对钢轨的轨头内核伤缺陷进行实时在线自动化检测。
附图说明
21.图1为高频压电换能振元的结构示意图；
22.图2为高频超声探头的结构示意图；
23.图3为高频超声探头安装于钢轨的示意图。
24.图中：1.高频压电换能振元；2.第一电极层；3.柔性压电换能层；4.第二电极层；5.导电环氧焊料混合剂层；6.正极引线；7.负极引线；8.高频超声探头；9.柔性粘接连接层；10.正极连接线；11.负极连接线；12.多芯高频电缆线；13.环氧树脂；14.铆钉孔；15.防水接头；16.多芯屏蔽线缆。
具体实施方式
25.为了更好的理解本实用新型的技术方案，本实用新型内容包括但不限于下文中的具体实施方式，相似的技术和方法都应该视为本实用新型保护的范畴之内。为使本实用新型要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
26.应当明确，本实用新型所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。
27.在本实用新型实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本实用新型。在本实用新型实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
28.为了实现上述目的，本实用新型提供了一种高频压电换能振元，如图1所示，该高
频压电换能振元1包括第一电极层2、柔性压电换能层3、第二电极层4和导电环氧焊料混合剂层5；
29.其中：所述第一电极层2连接所述柔性压电换能层3的正面，且连接有正极引线6；
30.所述第二电极层4的上表面连接所述柔性压电换能层3的背面，且连接有负极引线7；
31.所述第二电极层4的下表面连接所述导电环氧焊料混合剂层5。
32.优选地，共聚物pvdf兼具氟树脂和通用树脂的特性，其树脂本身具有良好的耐化学腐蚀性、耐高温性、耐氧化性、力学性能好、柔软不脆、重量轻、耐冲击，因此我们用此材料制作的高频超声探头有较好的弯曲特性。本实用新型的柔性压电换能层3采用共聚物pvdf来实现，如图1所示，为了制作高频压电换能振元1，本实用新型的实施例中选择共聚物pvdf层为厚度20μm的聚偏氟乙烯
‑
三氟乙烯(p(vdf
‑
trfe))薄膜或偏二氟乙烯
‑
四氟乙烯薄膜，聚偏氟乙烯
‑
三氟乙烯(p(vdf
‑
trfe))或偏二氟乙烯
‑
四氟乙烯共聚物，由于它们的结晶度高，因此，由结晶度所决定的压电性能也比较优良，而且结晶度越高，其压电响应越大，所以具有更高的压电常数，在声学性能上有优异的性能。
33.在制备该高频压电换能振元时，制备步骤如下:
34.(1).制备厚度为20μm的12mm
×
12mm的聚偏氟乙烯
‑
三氟乙烯p(vdf
‑
trfe)或偏二氟乙烯
‑
四氟乙烯薄膜层；
35.(2).在聚偏氟乙烯
‑
三氟乙烯p(vdf
‑
trfe)或偏二氟乙烯
‑
四氟乙烯薄膜层的两侧连接第一和第二电极层，本实施例中采用粘接的方式,即在聚偏氟乙烯
‑
三氟乙烯p(vdf
‑
trfe)或偏二氟乙烯
‑
四氟乙烯薄膜层的正面粘接第一电极层2，在聚偏氟乙烯
‑
三氟乙烯p(vdf
‑
trfe)或偏二氟乙烯
‑
四氟乙烯薄膜层的背面粘接第二电极层4的上表面，且第一电极层2和第二电极层4均为蒸镀电极结构体，蒸镀工艺即采用加热电极材料形成蒸汽再吸附到目标物上的方式将导电材料沉积在相应的电极层上；
36.作为优选实施例，所述第一电极层2和第二电极层4均为两层蒸镀电极结构体，即从里到外依次为粘接聚偏氟乙烯
‑
三氟乙烯p(vdf
‑
trfe)或偏二氟乙烯
‑
四氟乙烯薄膜层的为厚度10nm的钛(ti)蒸镀电极层，及覆盖钛(ti)蒸镀电极层上的厚度为200nm的金(au)蒸镀电极层。
37.(3).将导电环氧焊料(e
‑
solder)3022与硬化剂以一定的质量比混合，并放入离心机以10000rpm离心10分钟，得到离心后的导电环氧焊料混合剂，之后将离心后的导电环氧焊料混合剂层连接在第二电极层4的下表面,本实施例中采用浇铸的方式进行；
38.(4).将第一电极层2、聚偏氟乙烯
‑
三氟乙烯p(vdf
‑
trfe)或偏二氟乙烯
‑
四氟乙烯薄膜层、第二电极层4和导电环氧焊料混合剂层5形成的多层结构体放入烘箱中，在温度30
‑
60℃条件下，优选为45℃；固化3
‑
6小时，优选为5小时。在室温硅油中用2000v的直流电场极化20
‑
40分钟，优选为30分钟，形成具有高频压电性能的多层结构体。
39.(5).使用切割锯等切割工具将极化好的多层结构体切割成边长为3mm
×
3mm的16个正方块，每一正方块即为制成的高频压电换能振元，分别焊接第一电极层2的正极引线6，第二电极层4的负极引线7，该正/负引线外接电源,用于对高频压电换能振元进行电脉冲激励，产生具有高频窄脉冲特性的超声波。
40.本实用新型中采用柔性粘接连接层来粘接高频压电换能振元，制作高频超声探
头。柔性粘接连接层采用聚二甲基硅氧烷pdms来实现，聚二甲基硅氧烷pdms材料属于一种高分子弹性聚合物，经特殊工艺制备，具备较好的弹性、低杨氏模量、优异的气体透过性、化学稳定性、热稳定性和低温柔韧性,尤其在
‑
60～200℃下仍能保持优异性能。由于聚二甲基硅氧烷pdms材料具备以上特殊机械性能，因此本实用新型采用此材料作为粘接连接层使得制作出的高频超声波探头有很好的弯曲特性。
41.高频超声探头包括多个高频压电换能振元和聚二甲基硅氧烷pdms连接层，其中每一个高频压电换能振元嵌合粘接到聚二甲基硅氧烷(pdms)连接层上，且每一个高频压电换能振元的振元间距设置为1mm，所有的高频压电换能振元分布结构如图2所示,在本实施例中,高频超声探头采用多个高频压电换能振元,本实施例中采用16个高频压电换能振元，且每四个排成一行,形成4x4的正方形,方便高频超声探头在使用时能够全方位地贴合于钢轨下颚弧面，用于监测钢轨轨头的损伤部位,使得检测的信号更准确可靠。
42.高频超声探头后部设计成组合式平面状结构，整个高频超声探头后部还包括正级连接线10、负极连接线11、多芯高频电缆线12、环氧树脂13、铆钉孔14和防水接头15。将各个高频压电换能振元1的正级引线6采用镀膜方式，但需要从每个高频压电换能振元1单独引出，保证每个高频压电换能振元1的正级之间不相互导通，各单独引出的正极引线6并联形成高频超声探头8的正极连接线10；高频超声探头8的负极连接线11形成如下：将各个高频压电换能振元1的负极引线7也采用镀膜方式将按照图2所示合并连接起来，引出一个公共负极作为高频超声探头8的负极连接线11。将所有正级连接线10和负极连接线11均匀排布，并用镀膜方式将所有正级连接线10和负极连接线11引出，在每个正级连接线10和负极连接线11上打上铆钉孔14，用于固定所有的正极连接线10和负极连接线11，再用多芯高频电缆线12连接至防水接头15，其中多芯高频电缆线12的一端将所有的正极连接线10和负极连接线11焊接连接固定，形成一根信号传输用线缆，另一端焊接至防水接头15，该防水接头为多芯结构，最后用环氧树脂13将高频电缆线12和防水接头15进行整体浇灌密封。防水接头15用于连接测量仪器。密封环氧树脂13用于实现高频超声探头的防水。为了保证防水和行车安全性，防水接头15在现场布置时应放置在钢轨的轨底，在实际使用时与超声仪器的多芯屏蔽线缆16连接。
43.本实施例中的高频超声探头用于钢轨的轨道损伤检测,钢轨的轨头横向疲劳裂纹俗称轨头核伤，简称核伤，是指在列车荷载的反复作用下，在轨头内部出现极为复杂的应力分布和应力状态，使细小裂纹横向扩展成核伤，直至核伤周围的钢材强度不足以抵抗轮载作用下的应力，钢轨发生突然脆断。钢轨轨头核伤缺陷是对行车威胁最大的一种钢伤损，是最危险的钢轨伤损，由于受到车辆不停冲击，轨头核伤比较容易发展和扩展，引发断轨。轨头核伤，一般都出现在钢轨受压应力最大的轨头内侧面，而且和钢轨垂直断面存在一定的夹角，大约14度。常规超声检测轨头核伤时，一般都是从钢轨轨面入射声波进行探伤，但在线监控应用条件下，受车辆运行限制，探头不能布设在钢轨轨面处，由于车轮轮缘的存在，监控探头也不能布设在钢轨轨头内侧面。本实施例的高频超声探头由于具有良好的弯曲特性和柔韧性,因此,可将高频超声探头8放置于钢轨轨头外侧面下腭部分,如图3所示，而且不受钢轨上火车/列车行驶的影响，可实时在线自动对钢轨轨头进行监测，不需人工干预，通过高频超声探头产生的超声纵波探测轨头内侧面的钢轨轨头核伤,将探测的测量信号发送至与高频超声探头相连的一台多通道超声仪器，可为16通道超声发射接收仪，该多通道
超声仪器对高频超声探头获取的测量信号进行分析构建钢轨的缺陷轮廓图像，根据该轮廓图像确定钢轨轨头的核伤缺陷的边缘及形状。同时，如果钢轨内核伤缺陷在火车/列车冲击应力作用下有所扩展或变形，通过本实施例提供的高频超声探头所测量的信号还可以监测出核伤缺陷扩展前后缺陷形状的改变，以便及时作出决策。
44.上述说明示出并描述了本实用新型的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本实用新型并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本实用新型的精神和范围，则都应在本实用新型所附权利要求书的保护范围内。