超聲換能器以及管內流動成像裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于過程層析成像技術領域，具體涉及一種超聲換能器以及管內流動成像
目.0
【背景技術】
[0002]過程層析成像(Process Tomography)技術是20世紀80年代中期，隨著計算機技術和檢測技術的進步而形成并且迅速發展起來的新一代過程參數檢測技術，過程層析成像技術是以兩相流或多相流為主要研宄對象的過程參數二維或三維分布狀況的在線實時檢測技術，是醫學診斷中的計算機層析成像技術在工業過程中的應用，解決的是多相流過程參數檢測問題。如，泡狀氣液兩相流截面相分布和速度場分布。
[0003]超聲波過程層析成像技術是過程層析成像發展的主流之一，其原理為:被測介質通過反射、透射、衍射和多普勒效應等模式影響聲波的傳播，通過接收器檢測被測介質的變化。從原理上講，超聲波過程層析成像技術能適用于大多數工業多相流過程的參數檢測。并且，整個系統的成本也能為多數應用者所接受。同時，它也是一種非輻射的測量方法，不僅對人體無傷害，而且系統的安全性高。
[0004]然而，超聲波過程層析成像技術所采用的扇形束掃面方式由于傳統的凸形結構晶片的換能器難以運用于工業現場的兩相流動管道，因此，仍處于實驗室發展研宄階段。對于可侵入的工業管道測試，超聲過程層析成像的需要解決的技術問題在于如何有效減輕管內流動對換能器晶片的碰撞及磨損，這一問題不但會降低換能器的使用壽命，還會降低系統信號測量時的魯棒性。對于不可侵入的工業管道測試，特別是對液相體系中管外非接觸式測量，需要解決的問題是如何設計非侵入式的換能器來提高耦合效果。
【發明內容】
[0005]本發明是為了解決上述課題而進行的，目的在于提供一種能夠應用于工業現場的兩相流動管道的超聲換能器和用于測量管道內的物體圖像管內流動成像裝置。
[0006]本發明提供了一種能夠應用于工業現場的兩相流動管道的超聲換能器，解決了超聲換能器在可浸入的工業管道的測試時，管內流動相對換能器的碰撞及磨損，在不可浸入的工業管道測試時，耦合效果差的問題，其特征在于，包括以下步驟:壓電晶片，呈凹形半柱狀，壓電晶片的凹面和凸面鍍有鎳層；導電單元，包含:一端用于安裝壓電晶片的金屬管、設置在金屬管與所述壓電晶片之間用于隔離金屬管與壓電晶片的絕緣墊圈、用于將壓電晶片的凹面與金屬管的一端導通的兩片金屬片以及一端與壓電晶片的凸面連接的導線；轉接單元，具有內螺紋，可插式固定在金屬管的另一端；以及母接頭，具有與內螺紋相匹配的外螺紋，包含:呈負極性的中間部分和成正極性的表面部分，其中，絕緣墊圈的底面具有一個孔洞，壓電晶片的凸面與孔洞相接觸，導線的另一端與中間部分連接。
[0007]在本發明所提供的超聲換能器，還可以具有這樣的特征:其中，金屬片具有90度折角，金屬片夾緊壓電晶片，金屬片的折角的長度不超過1mm。
[0008]在本發明所提供的超聲換能器，還可以具有這樣的特征:其中，導線通過點焊的方式與壓電晶片的凸面連接。
[0009]在本發明還提供了一種管內流動成像裝置，其特征在于，包括:復數個超聲換能器；陣列管；發射單元；接收單元；控制單元；處理單元以及顯示單元，其中，陣列管套設在所述管道上，用于安裝超聲換能器，控制單元控制發射單元發出激勵信號依次控制超聲換能器將電能轉換為聲能，一個超聲換能器將電能轉換為聲能，其它超聲換能器接收聲能并將接收到的聲能轉換為檢測信號，接收單元接收檢測信號并將檢測信號發送給處理單元，處理單元將檢測信號處理后得到重建圖像，顯示單元顯示重建圖像。
[0010]在本發明所提供的管內流動成像裝置，還可以具有這樣的特征:其中，復數個超聲換能器等角度間距地安裝在陣列管上。
[0011]在本發明所提供的管內流動成像裝置，還可以具有這樣的特征:其中，陣列管上設有與超聲換能器一一對應的夾緊單元，夾緊單元用于固定超聲換能器。
[0012]發明的作用和效果
[0013]根據本發明所涉及的超聲換能器，因為壓電晶片呈凹形半柱狀，并且壓電晶片的凹面和凸面鍍有鎳層，壓電晶片與金屬管之間通過絕緣墊片隔開，金屬片將壓電晶片的凹面與金屬管導通，導線將壓電晶片的凸面與母接頭的負極性連通，母接頭的正極性通過金屬管與壓電晶片的凹面連通，因此，本發明的超聲換能器采用浸入式測量管道時能夠有效減小壓電晶片對流動相的流動阻力，從而減輕流動相對壓電晶片的碰撞及磨損，提高超聲換能器的使用壽命，并且能夠增強系統信號測量時的魯棒性，在采用非浸入式測量管道時，壓電晶片與管道外壁面組成的封閉空間容易封裝耦合劑，并且也提高了壓電晶片與管道外壁面的耦合效果。
【附圖說明】
[0014]圖1是本發明的實施例中超聲換能器的結構示意圖；
[0015]圖2是本發明的實施例中超聲換能器的發射聲場示意圖；
[0016]圖3是本發明的實施例中可浸入式的管內流動成像裝置的結構示意圖；
[0017]圖4是本發明的實施例中非浸入式的管內流動成像裝置的超聲換能器安裝示意圖；以及
[0018]圖5是本發明的實施例中的二值邏輯反投影重建方法原理示意圖。
【具體實施方式】
[0019]為了使本發明實現的技術手段、創作特征、達成目的與功效易于明白了解，以下實施例結合附圖對本發明的超聲換能器、管內流動成像裝置及方法作具體闡述。
[0020]圖1是本發明的實施例中超聲換能器的結構示意圖。
[0021]如圖1所示，超聲換能器100用于將電功率轉換為機械功率，能夠應用于工業現場的兩相流動管道，在用于可浸入的工業管道的測試時，能夠避免管內流動相對換能器的碰撞及磨損，在用于不可浸入的工業管道測試時，耦合效果好，超聲換能器100包含:壓電晶片110、導電單元120、轉接單元130以及母接頭140。
[0022]壓電晶片110為半圓柱狀，壓電晶片110的凹面和凸面鍍有鎳層。
[0023]導電單元120包含:金屬管121、兩片金屬片122a和122b、絕緣墊圈123以及導線124。
[0024]在本實施例中，金屬管121為銅管，金屬片122a和122b為薄銅片。
[0025]壓電晶片110安裝在金屬管121的一端，以圖1中的方向看，壓電晶片110安裝在金屬管121的左端，并且壓電晶片110的凹面朝向左邊，絕緣墊圈123設置在金屬管121與壓電晶片110的中間，用于將壓電晶片110與金屬管121相絕緣地隔開，使得兩者之間不導電，壓電晶片110的凸面的中間與絕緣墊圈123接觸處有一孔洞123a，導線124的一端穿過孔洞123a并通過點焊的方式與壓電晶片110的凸面連接。
[0026]兩片金屬片122a和122b具有90度的折角，以圖1中的方向看，兩片金屬片122a和122b分別安裝在金屬管121的左端，用于夾緊壓電晶片110的上、下兩邊，其中，兩片金屬片122a和122b中夾住壓電晶片110的折邊的長度不超過1mm。因為金屬片122a和122b與壓電晶片110的凹面接觸，所以，金屬片122a和122b不僅起到固定壓電晶片的作用，而且將壓電晶片110的凹面與金屬管121導通。
[0027]轉接單元130具有內螺紋，可插式固定在金屬管121的另一端，以圖1中的方向看，該另一端為右端。
[0028]母接頭140為Q6母接頭，具有與轉接單元130的內螺紋相匹配的外螺紋，母接頭140包含呈負極性的中間部分和成正極性的表面部分。
[0029]導線124的另一端，以圖1中的方向看，該另一端為右端，導線124的右端固定在母接頭140的中間部分。
[0030]安裝時，金屬管121與母接頭140的相對位置固定，通過旋轉事先插入金屬管121內的轉接單元130完成安裝，因此，避免了直接將母接頭140旋轉安裝到金屬管121內時造成的導線124的兩端與母接頭140或者壓電晶片110脫落的情況。
[0031]圖2是本發明的實施例中超聲換能器的發射聲場示意圖。
[0032]如圖2所示，超聲換能器100的發射聲場在發射方向先聚焦然后再發散，聚焦的位置在壓電晶片110的凹面的曲率半徑的中心，即圖2中O點的位置，壓電晶片110的結構為空心圓柱的一半，因此，壓電晶片110的凹面發射的超聲波的輻射角的范圍幾乎能夠達到180度，并且輻射均勻。
[0033]根據互易原理，超聲換能器100接收超聲波的過程與發射超聲波的過程剛好相反，因此，超聲換能器100符合超聲層析成像系統的要求。
[0034]圖3是本發明的實施例中可浸入式的管內流動成像裝置的結構示意圖。
[0035]如圖3所示，管內流動成像裝置1000用于測量管道內的物體圖像，管內流動成像裝置1000包括:八個超聲換能器100、陣列管400發射單元、接收單元、控制單元、處理單元以及顯示單元。
[0036]八個超聲換能器100等角度間距的安裝在陣列管400上，圖3中僅顯示其中一個超聲換能器100，超聲換能器100與陣列管400為間隙配合，陣列管400套設在管道500上，并使得八個超聲換能器100的中心軸匯聚于管道500的中心軸上。
[0037]陣列管4