本發明涉及超聲無損檢測
技術領域:
,尤其指一種高分辨率TOFD檢測超聲波探頭。
背景技術:
:超聲波衍射時差檢測技術(TimeOfFlightDiffractionTechnology,簡稱TOFD),是一種依靠從待檢試件內部結構(主要是指缺陷)的“端角”和“端點”處得到的衍射能量來檢測缺陷的方法,采用一發一收兩個寬帶、窄脈沖探頭進行檢測,探頭相對于焊縫中心線對稱分布。發射探頭產生縱波波束以一定角度入射到被檢工件中,其中部分波束沿近表面傳播被接收探頭接收,部分波束經底面反射后被探頭接收。接收探頭通過接收缺陷尖端的衍射信號及其時差來確定缺陷的位置和自身高度。TOFD檢測記錄每個檢測位置的完整的未校正的A掃信號,信號通過處理可以轉換為TOFD圖像。相比常規脈沖反射法具有以下優點:(1)一次掃查幾乎能夠覆蓋整個焊縫區域(除上下表面盲區),可以實現非常高的檢測速度;(2)可靠性好,對于焊縫中部缺陷檢出率很高;(3)能夠發現各種類型的缺陷,對缺陷的走向敏感;(4)對缺陷垂直方向的定量和定位非常準確,精度誤差小于1mm。根據TOFD檢測技術原理,可以明確TOFD探頭需要有更高的靈敏度、分辨率和信噪比才能接收和分辨微小缺陷的衍射波能量,因此要求探頭要有寬的帶寬、窄的脈沖寬度。傳統的探頭設計中分辨率和靈敏度等性能在探頭背襯設計時存在矛盾關系,同樣的條件下,提高分辨率會降低靈敏度,由于TOFD探頭對分辨率的要求,市場上的TOFD探頭往往靈敏度太低,需要儀器很高的增益彌補,這樣又增加了儀器噪音的干擾,信噪比不足。另外,TOFD探頭的晶片的尺寸會影響到聲場的分布,包括近場區域、半擴散角、側向分辨力等一系列指標,目前市場上需要多組頻率(1MHz-20MHz)和圓形尺寸(φ3mm-φ10mm)的TOFD探頭對缺陷來進行掃差,以保證近表面和深度的缺陷的檢出,這樣就需要多次檢測,檢測效率低。當一束聲波從一個探頭表面向半無限空間輻射而不受任何邊界產生的干擾影響的時候,我們稱此聲場為自由聲場。一個圓形超聲探頭的自由聲場是用它的近場、遠場和聲束擴散角等參數來表征的。對一給定直徑和頻率的換能器元件而言,探頭在無限均質空間產生的自由聲場的幾個特征參數可由計算求得;當探頭與被檢材料直接接觸時,場通常劃分成兩個區域。緊靠換能器的區域稱為近場區(費涅爾區),在此區域,聲壓分布比較復雜;對于平面換能器.超出近場后的區域即稱為遠場(費瑯荷區),在此區域,聲壓隨距離增加而降低。當D>>l時,對于圓形晶片近場長度N可用如下公式近似計算:N=D2/(4l)對于矩形晶片近場長度N可用如下公式近似計算:N=ab/(4l)式中:D—探頭中晶片有效直徑,l—探頭中心頻率時超聲在傳播介質中的波長,a為探頭中矩形晶片的有效長度,b為探頭中矩形晶片有效寬度。從公式中可以看出,當波長確定時,直徑越大,近場區域越大,直徑越小,近場區域越小。在遠場,聲束直徑同聲束軸線距離成正比增大,聲束的發散程度用聲束擴散角a表示。聲束半擴散角a/2,圓形晶片的半擴散角可按如下公式計算:a/2=sin-1(0.514′l/D)式中,a/2—聲束的半擴散角,D—探頭中晶片有效直徑,l—探頭中心頻率時超聲在傳播介質中的波長。從式中可以看出,當晶片有效直徑越大,半擴散角越小,聲場中的能量更容易集中;當晶片有效直徑越小,半擴散角越大,能量容易發散,覆蓋更大范圍的聲場。矩形晶片的半擴散角可按如下公式計算:a/2=sin-1(0.514′l/a)β/2=sin-1(0.514′l/b)式中,a/2—晶片長度方向的半擴散角,β/2—晶片寬度方向的半擴散角,a—探頭中晶片有效長度,b—探頭中晶片有效寬度,l—探頭中心頻率時超聲在傳播介質中的波長。從式中可以看出,矩形晶片的半擴散角可以通過改變晶片的尺寸來調節,晶片寬度方向尺寸較小,半擴散角較大,聲場中能量容易擴散,晶片長度方向尺寸較大,半擴散角較小,聲場能量容易集中。這樣就可以通過改變長度和寬度方向的尺寸來調節探頭的聲場。技術實現要素:本發明所要解決的技術問題是針對現有技術的現狀,提供結構簡單,缺陷檢出率高,靈敏性高,檢測效率高的一種高分辨率TOFD檢測超聲波探頭。本發明解決上述技術問題所采用的技術方案為:一種高分辨率TOFD檢測超聲波探頭,包括有探頭本體,探頭本體外設置有外殼,外殼內從上至下依次設置的背襯層、高聲阻抗層、壓電換能層以及匹配層,壓電換能層為矩形結構,壓電換能層上連接有引線,引線伸出所述外殼外;外殼固定于一楔塊的斜面上。優化的技術措施還包括:上述的外殼的下部徑向向外延伸形成固定邊,該固定邊上制有固定孔,外殼通過螺柱與所述楔塊相固定。上述的外殼的頂部制有穿線孔,引線從該穿線孔中伸出。上述的高聲阻抗層的聲阻抗值大于所述壓電換能層的聲阻抗值的1.5倍。上述的高聲阻抗層的厚度大于所述壓電換能層中聲速波長的四分之一。上述的楔塊的斜面的傾斜角為30°、45°、60°或者70°。上述的壓電換能層由鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛單晶或其復合材料制成。上述的高聲阻抗層由氧化鋯陶瓷或者鎢銅合金制成。上述的楔塊由聚苯乙烯材料制成。上述的匹配層通過環氧樹脂和金屬及其氧化物粉末制備而成。本發明的一種高分辨率TOFD檢測超聲波探頭,結構簡單,其在壓電換能層和背襯層之間加入了一層高聲阻抗層,加入層高聲阻抗層能夠極大地反射壓電換能層背向散射的聲能量,使向后傳播的聲能量反射到壓電換能層的前端并發射出去,從而提高了探頭的靈敏度,并使超聲波的周期數減小到1.5個周期或者1個周期,從而提高了探頭的分辨率;此外,本探頭的壓電換能層采用矩形結構,其外殼固定于一楔塊的斜面上,通過楔塊的配合將探頭發出的超聲波折射出去,能夠提高缺陷的檢出率和檢測效率。附圖說明圖1是本發明探頭的結構示意圖。具體實施方式以下結合附圖實施例對本發明作進一步詳細描述。如圖1所示為本發明的結構示意圖,其中的附圖標記為:外殼1、固定邊11、穿線孔12、背襯層2、高聲阻抗層3、壓電換能層4、匹配層5、引線6、楔塊7、螺柱8。如圖1所示,一種高分辨率TOFD檢測超聲波探頭,包括有探頭本體,探頭本體外設置有外殼1,外殼1內從上至下依次設置的背襯層2、高聲阻抗層3、壓電換能層4以及匹配層5,壓電換能層4為矩形結構,壓電換能層4上連接有引線6,引線6伸出所述外殼1外;外殼1固定于一楔塊7的斜面上。本探頭在壓電換能層4與背襯層2之間加入一層高聲阻抗層3,加入層高聲阻抗層3能夠極大地反射壓電換能層4背向散射的聲能量,使向后傳播的聲能量反射到壓電換能層4的前端并發射出去,從而提高了探頭的靈敏度。實施例中,壓電換能層4優選的長寬比為2:1。壓電換能層4采用矩形結構,其寬度方向尺寸較小,聲場中能量容易擴散,能夠覆蓋更寬的檢測范圍;其長度方向尺寸較大,聲場能量容易集中,能夠保證足夠的檢測靈敏度。為了使探頭的電阻抗與市場上的儀器相匹配,在不同頻率下可選用不同長寬的壓電換能層4:頻率(MHz)257.5101520寬度(mm)643221長度(mm)1286442以上數據內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明,不能認定本發明的具體實施只局限于這些說明。對于本發明所屬
技術領域:
的普通技術人員來說,在不脫離本發明構思的前提下,還可以做出若干簡單推演或替換,都應當視為屬于本發明的保護范圍。實施例中,外殼1的下部徑向向外延伸形成固定邊11,該固定邊11上制有固定孔,外殼1通過螺柱8與所述楔塊7相固定。通過螺柱8使外殼1與楔塊7的斜面相固定,結構簡單,固定方便、可靠。實施例中,外殼1的頂部制有穿線孔12,引線6從該穿線孔12中伸出。實施例中,高聲阻抗層3的聲阻抗值大于所述壓電換能層4的聲阻抗值的1.5倍。實施例中,高聲阻抗層3的厚度大于所述壓電換能層4中聲速波長的四分之一。實施例中,楔塊7的斜面的傾斜角為30°、45°、60°或者70°。制作高聲阻抗層3的材料需要具有密度大、聲速高的特點,可以用致密陶瓷材料,如氧化鋯陶瓷,也可以是金屬以及合金材料,如鎢銅合金。為了獲得更高的分辨率吧,要求壓電換能層4的制作材料具有高的機電耦合系數,鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛單晶材料(PMNT)及其復合材料具有優異的性能,能夠滿足壓電換能層4的制作需要。壓電換能層4也可采用壓電陶瓷復合材料、有機壓電材料、壓電薄膜或者能夠通過機電耦合機理進行機電換能作用的平板電容單元。匹配層5的制作材料需要一種高聲速、低衰減材料,匹配層5能夠有效的增加聲能的透射,提高靈敏度和帶寬,從而提高分辨力;匹配層5可通過環氧樹脂和金屬及其氧化物粉末制備而成,如氧化鋁粉末、氧化鋯粉末等。楔塊7的制作材料需要一種低衰減材料,該材料需要具有很高的溫度穩定性和聲透射性能,以滿足探頭高靈敏度的要求;楔塊7采用聚苯乙烯材料制成。下面通過一個中心頻率5MHz高分辨率TOFD檢測超聲波探頭的制作來進一步加以說明:選取厚度為0.2mm,長為8mm,寬為4mm的PMNT單晶復合材料,并在表面鍍金后制作成壓電換能層4;選取高密度高聲速的鎢銅合金材料制作成高聲阻抗層3,其聲阻抗可達85MRaly,厚度1mm,長度8mm,寬度4mm;調配聲阻抗為5MRaly的鎢粉和環氧樹脂618復合材料制作成背襯層2,鎢粉顆粒直徑約8微米,背襯層2的厚度為8mm;調配聲阻抗為8.5MRaly的氧化鋁和環氧樹脂618復合材料制作成匹配層5。在各層粘接前,在高聲阻抗層3和匹配層5上與壓電換能層4接觸的一面上各加工出一個缺口,以便在壓電換能層4上連接上引線6;各層之間用環氧樹脂618進行粘接,膠層厚度控制在1微米左右,并確保膠層均勻。最后封裝上外殼1,引線6的末端從外殼1的穿線孔12中伸出,并用螺柱8將外殼1固定于楔塊7的斜面上。本發明的最佳實施例已闡明,由本領域技術人員做出的各種變化或改型都不會脫離本發明的范圍。當前第1頁1 2 3