水电大型机械轴系3D检测扫查探头的制作方法

水电大型机械轴系3d检测扫查探头
技术领域
1.本实用新型涉及检测技术领域，具体涉及水电大型机械轴系3d检测扫查探头。


背景技术：

2.现有检测大型机械轴系设备为常规传统a型显示超声波检测方法，使用单晶低频大晶片探头，通过波形观察判断，对人员经验要求很高，且不可记录，重复性差，容易出现漏检、误判等情况。
3.超声相控阵是超声探头晶片的组合，由多个压电晶片按一定的规律分布排列，然后逐次按预先规定的延迟时间激发各个晶片，所有晶片发射的超声波形成一个整体波阵面，能有效地控制发射超声束（波阵面）的形状和方向，能实现超声波的波束扫描、偏转和聚焦。它为确定不连续性的形状、大小和方向提供出比单个或多个探头系统更大的能力。
4.现有的基于超声相控阵技术的扫查装置一般包括驱动结构、驱动结构连接有相控阵探头、楔块，相控阵探头通过楔块与待检测物表面进行贴合。现有的探头有与楔块集成的，也有分体设计的。驱动结构带动相控阵探头按照一定轨迹绕待检查物体运动，相控阵探头将扫描的数据反馈给成像系统成像。
5.但是由于水电发的电机轴系类设备较大，一般常规相控阵探头尺寸发射能量较低，不能穿透大型轴系类设备，因此对大型机械轴系设备还是采用的单晶片探头。


技术实现要素：

6.本实用新型目的在于提供水电大型机械轴系3d检测扫查探头，基于超声相控阵技术，能穿透大型轴系设备，解决现有技术中的问题。
7.为了实现上述目的，本实用新型采取的技术方案如下：
8.水电大型机械轴系3d检测扫查探头，包括相控阵探头，相控阵探头包括外壳、背衬块、设置在背衬块上的压电元件，设置在压电元件上的匹配层、设置在匹配层上的声透镜，压电元件由若干压电晶片排列构成；背衬块、压电元件、匹配层、声透镜封装在外壳内；
9.探头的频率为2.5mhz；探头类型为线阵；探头的阵元数为64；探头的阵元间距为1.5mm；探头的阵元长度为10mm。
10.作为一种优选技术方案，还包括用于安装相控阵探头的扫查架，扫查架相控阵探头可拆卸设置在安装框架内，扫查架上还设有编码器安装位。
11.作为一种优选技术方案，匹配层为聚苯乙烯交联树脂匹配层。
12.作为一种优选技术方案，压电晶片声阻抗为34mrayl；机械耦合系数大于60%，机械品质因数小于30。
13.本实用新型与现有技术相比，具有以下有益效果：
14.本实用新型通过对相控阵探头的参数结构进行改变，使得其能产生较大能量，穿透水电大型机械轴系设备（直径800mm，高度600mm），从而能使用相控阵技术对水电大型机械轴系设备进行方便的3d扫描成像。
附图说明
15.图1为本扫查架的结构示意图；
16.图2为探头的回波波形；
17.图3为探头的回波频谱；
18.图4为探头测试项目性能指标1；
19.图5为探头测试项目性能指标2；
20.图6为探头测试项目性能指标3；
21.图7为用大型机械轴作为实物进行测试后扫查成像图。
22.其中，附图标记如下所示：1-扫查架，2-编码器安装位。
具体实施方式
23.本实用新型的目的在于克服现有技术的缺陷，提供水电大型机械轴系3d检测扫查探头，下面结合实施例对本实用新型作进一步详细说明。
24.实施例1
25.如图1所示，水电大型机械轴系3d检测扫查探头，包括安装在驱动结构上的扫查架1、安装在扫查架1上的相控阵探头。
26.本实施例中，相控阵探头为与纵波耦合楔块分体的型号。纵波耦合楔块进行与大型轴系设备圆弧面吻合设计，达到最佳透声效果，减小能量衰减。
27.具体的说，相控阵探头的基础结构与现有的相控阵探头相同，包括背衬块、设置在背衬块上的压电元件，设置在压电元件上的匹配层、设置在匹配层上的声透镜。压电元件由若干压电晶片排列构成。背衬块、压电元件、匹配层、声透镜封装在外壳内。
28.本实施例与现有技术的区别主要如以下所述：
29.由于水电发的电机轴系类设备较大，一般常规相控阵探头尺寸发射能量较低，不能穿透大型轴系类设备，所以本实施例通过采用大型低频压电晶片，并控制阵元间距和与轴系设备圆弧面吻合设计的楔块配合，达到最佳透声效果，减小能量衰减。
30.首先，在研制过程中，相控阵探头的核心技术在于使用分割的阵列晶片。
31.压电晶片的功能是发射与接收超声波，他是以厚度谐振模式振动，激发出纵波。所以设计探头需要考虑到压电晶片的尺寸，晶片的尺寸的确定与谐振频率有关。谐振频率是在谐振状态下可以获得最大的输出功率，谐振频率的大小由晶片的厚度来确定，根据压电晶片的频率常数、中心频率来计算：
32.频率常数：nt=tf=c/2；
33.晶片厚度：t=c/2f；
34.其中：t为晶片厚度；f为探头频率；c为纵波声速；
35.被检工件为钢轴系类设备，纵波声约5900mm/s，探头频率为2.5mhz，根据理论公式计算所得，小型化相控阵探头的晶片厚度为t=1.18mm，所以相控阵探头的晶片厚度为1.18mm左右即可满足要求。整体晶片切割工艺主要通过使用冲压切割方式来分割成阵列晶片。
36.其次，根据被检工件及被检要求确定探头结构（频率、阵元数、阵元间距等）及晶片排列方式：
37.相控阵探头设计原则：探头长度大于阵元长度，阵元长度大于6倍阵元间距；为避免栅瓣，阵元间距p＜λ/2，但经过试验能量不足，经过权衡选择后栅瓣不可避免，单也确保栅瓣不出现在检测区域，所以最后兼顾能量与性能，阵元长度选择10mm，阵元间距选择1.5mm。
38.探头频率选择：被检工件为钢轴系类设备，纵波声约5900mm/s，采用2.5mhz频率根据计算，其在钢的波长约为2.36mm，理论上可检缺陷长度为1/2 =1.18mm，可完全满足检测要求。
39.阵元数选择：由于工件厚度尺寸较大,在满足检测要求前提下为经济考虑，同时由于工件结构决定了探头尺寸大小，只能做大型化，故阵元数设计采用64阵元。
40.阵元间距选择：阵元间距是影响探头性能的重要指标，理论上，阵元间距越大，声束的指向性会越好，且探头声束主瓣宽度会越小，但阵元间距越大会触使探头栅瓣产生，在保证检测区域不产生栅瓣的前提下，阵元间距设计采用了1.5mm。
41.探头晶片排列方式：由于检测主要为钢轴系类设备，能够检测插入的轴部轴身周向裂纹，为保证超声主要声场及聚焦区域在该区域，此次晶片排列采用了线阵大间距排列方式，使超声波在进入轴系类设备后有较大的超声波能量。
42.具体的说，本实施例中，探头的型号为：2.5l64-1.5
×
10-c90-p-110-2.5-p2；即探头频率为2.5mhz；阵列类型为l（线型），晶片数为64，阵元间距为1.5mm，探头类型为c(探头与楔块分体)。
43.进一步的，压电晶片是探头的核心材料，通过压电效应原理（当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失）产生及接收超声波。此次探头晶片材料采用了外购的压电复合材料，其声阻抗在34mrayl左右。材料kt值（机械耦合系数）＞60%，qm值（机械品质因数）低于30。
44.声学匹配层具有优化能量向前的传递、提高灵敏度、减小脉冲宽度、增大带宽和保护前侧晶片的作用。为保证材料声阻抗能与压电晶片的匹配效果（即接近压电晶片声阻抗）减少超声在探头的衰减，我们采用了rexolite材料（聚苯乙烯交联树脂），作为此次探头匹配层。
45.配合探头使用的楔块要求具有良好的声透性能且楔块材料纵波声速需低于材料纵波声速(钢轴系类设备5900m/s)，故此次楔块采用ps材料（声速2337m/s），楔块根据检测工件曲率进行aod（axial outside diameter）抛圆弧处理，增强耦合效果。楔块与探头外壳通过螺栓可拆卸连接，增加探头整体使用寿命。
46.上述扫查架1包括匚型安装框架，相控阵探头的外壳放置于匚型安装框架的开口中，匚型安装框架顶部设有螺孔，螺孔内螺旋连接有螺栓。相控阵探头装入匚型安装框架后通过螺栓旋转抵住相控阵探头的外壳实现卡紧。扫查架1上还设有编码器安装位2，用于检测探头运行轨迹的编码器也安装在安装框架上。
47.本实施例中，探头制造工艺如下所述：
48.粘贴工艺：
49.晶片是电介质，需要在与厚度方向垂直的两端面粘贴电极，用以施加电场合激发超声波振动。粘贴涂覆的电极层要求薄而均匀，与压电晶片粘贴牢固，上下两级要保持平
行。
50.焊接工艺：
51.将压电晶片的上表面与发射电路焊接，晶片底面与底线焊接在一起。
52.晶片切割工艺：
53.使用冲压切割方式，根据需要可将冲模和下模做成多行多列，以实现对物料盘上的晶片的批量切割。
54.等离子清洗工艺：
55.利用等离子清洗机器进行清洗，工作气体在自偏压或外加偏压作用下被加速产生动能，然后轰击在放在负电极上的被清洗晶片表面，一般用于去除氧化物、环氧树脂或微颗粒污染物等，同时进行表面活化。
56.研磨工艺：
57.粗磨削晶片的正表面和背表面,快速地减小晶片的厚度。然后用研磨浆料磨削晶片的正表面和背表面,进一步减小晶片的厚度以及用抛光浆料抛光晶片的正表面以使晶片的厚度减小到预定的最终的晶片厚度。
58.黏接工艺:
59.压电晶片用黏接剂与保护膜、吸收阻尼块、声透镜等进行黏接，黏接面间不能有空气隙存在，黏合面要平整均匀，粘合层越薄越好。
60.具体的说，探头的结构参数如下所示：频率：2.5mhz电缆线外皮：pvc探头类型：线阵电缆线长度：2.0
±
0.1m阵元数：64连接器类型：hy阵元间距：1.5mm匹配材料：rexolite阵元长度：10mm
ꢀꢀ
[0061] 值得强调的是，本实施例所设计的相控阵探头针对的大型轴系设备的尺寸是：直径800mm，高度600mm。
[0062]
探头的各项性能指标如图2~图6所示，图7为采用此探头的3d扫查成像图，从图中可以看出，由上图可以看到：
[0063]
试样轴系类设备在直径800mm，距离600mm处检测2mm切割槽有明显的结果。
[0064]
结论：研制的用于用于轴系类设备的，并实现位于直径800mm，距离600mm处检测2mm切割槽检测可检，研制成功。
[0065]
按照上述实施例，便可很好地实现本实用新型。值得说明的是，基于上述结构设计的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本实用新型上做出的一些无实质性的改动或润色，所采用的技术方案的实质仍然与本实用新型一样，故其也应当在本实用新型的保护范围内。