专利名称：一种高灵敏度超声波探头的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于各种管材、棒材、铸件、锻件及焊缝等材料和工 件的缺陷探测用的超声波检测传感器，属于无损检测技术领域，特别提供 了一种高灵敏度超声波探头。
技术背景高灵敏度、高分辨力缺陷探测是人们追求的一个理想目标。在航天、 航空、核电、舰船、石化、钢铁等重要军用和民用工业领域，都要使用大 量管材、棒材、锻件、铸件及焊缝等材料和工件作为压力管路和压力容器 以及作为承载零部件，涉及的材料除不锈钢外，还有高温合金、稀有金属、 高强度钢和高强度铝合金等。这些材料和工件一般都使用在十分苛刻的环 境条件下，如高温、高压、复杂的载荷、水腐蚀、核辐射等等。这些工件 一旦失效会造成十分严重的后果。因此要求进行高灵敏度、高分辨率的无 损探伤以保证这些工件在无缺陷状态运行(即不允许任何超过所规定的人 工伤当量的宏观和微观缺陷存在)，以保证设备的使用安全性，防止灾难性 事故。目前，在工程上超声探伤是最常用和实用的缺陷探伤方法，比其他方法 检测能力相对更强，检测结果的可信度相对更高，检测效果更好。上述的 材料或工件往往要进行严格的超声波探伤。在超声波探伤技术中有三个要 素需要(1)仪器的优良性能；(2)探头(传感器)的优良性能；(3)科 学合理的检测工艺方法。其中探头的性能也是一个决定性要素，对检测结果有重要的影响。但是在许多场合下，目前的超声波探头的性能仍不能达 到检测的要求。现有的超声波探头一般分为单晶探头和双晶探头，而双晶探头在探伤时 工作于一发一收模式。在这些探头的工作中，人们通常是以晶片的声束轴 线确定超声波的传播路径，实际上超声波具有一定的声束直径范围，而且 超声波在传播过程中会有一定的扩散。扩散角的计算公式为sin(l)-l, ^为扩散角，义为超声波在介质中传播的波长，Z)为晶片的直径。由此公式知， 人们为了得到好的声束指向性(即e角要小，扩散小)，往往采用提高检测 频率(即使义减小)，或采用较大晶片的方法。但是随着检测频率的增加， 超声波的衰减也会急剧增加，影响超声波的检测能力，因而提高检测频率 会受到限制。而增加晶片的直径也会明显地降低缺陷的分辨率，也受到限 制。目前人们在探伤中往往针对检测对象折衷选择频率和直径的相应参数。 比如在检测航空用的小直径管材方面，需要分辨0.5mm壁厚上的内表面缺 陷和外表面缺陷，以目前国内外的各种探头的技术性能就不能满足要求， 其检测灵敏度和信噪比较差，检测可靠性差，难以满足上述重要工业应用 领域的无损检测要求。发明内容本发明的目的是提供了一种高灵敏度、高分辨率的超声波探头设计 制作方法以及相应的与探伤仪的配合方法。一种高灵敏度超声波探头，包括连接头(1)、外壳(2)、阻尼块(3)、 电缆线(4)、 二极管(5)、声透镜(6)、电缆线(7)、其特征在于所述的高灵敏度超声波探头包括2到64个能发射和接收超声波的元件(8)，其 中连接头(1)与外壳(2)固连，阻尼块(3)固定安装在外壳(2)的 内部，电缆线(4)与二极管(5)相连，安装在外壳(2)的内部，声透镜 (6)安装在能发射和接收超声波的元件(8)的下面。所述的能发射和接收超声波的元件(8)为压电晶片和/或具有压电效 应的复合材料，其中至少有一个能发射和接收超声波的元件(8)为超声波 的接收敏感元件，其余为发射超声波的元件。所述的能发射和接收超声波的元件(8)中，其中大尺寸的具有优异发 射性能的晶片作为超声波发射源，小尺寸的具有优异接收性能的晶片作为 接收敏感元件。所述的能发射和接收超声波的元件(8)为环形或矩形。所述的超声波探头为直探头，斜探头，点聚焦探头，线聚焦探头，接 触聚焦探头，双晶探头之一。当工作模式为多发少收时，将接收晶片设计于整个探头的声束轴线位 置，以利于提高缺陷分辨率和检测灵敏度；在少发多收模式时，则将发射 晶片置于探头的中间位置，将接收晶片置于周边位置，这样周边的某个晶 片接收到超声波则能指示出缺陷的方向性。探头通常是要实现多晶片同时激发，以尽量形成一个类似于单个整块 晶片所激发的超声波声场，以得到好的声束指向性和得到足够的超声波激 励能量。而只用声束轴线位置的小尺寸的压电晶片作为接收元件，接收特 定的声束轴线方向的超声波，得到优良的缺陷分辨率。所述的高灵敏度超声波探头实现接收晶片同时参与激发超声波，而激励晶片只激发超声波而不参与接收超声波，实现这一 目的有两种方案一种方案是在超声波探伤仪中增加一个控制电路。该控制电路利用超声 波脉冲发射控制信号，使得发射晶片的电流回路只在脉冲发射期间导通见 图1。第二种方案是在探头中的发射晶片的电流回路中加接1到63个二极管， 利用二极管特性，当激励时激励电压施加在二极管上，使二极管正向导通， 这样不影响发射晶片的发射性能。这样，当在接收脉冲回波时，即使发射 晶片也接收到超声回波信号，但由于超声回波信号一般较弱，其电压较低， 达不到二极管的导通电压时，二极管相当于一个高阻值的电阻器。用多个 二极管串联使得发射晶片得到的回波信号需要经过一个很大的电阻才能连 通到接收电路，这样就相当于阻断了发射晶片的回波信号。而发射/接收晶片得到的回波在如图2的电路下则能顺利连接到探伤仪的接收电路，实现正常的接收放大。所述的第二种方案中，有两种探头电路连接方式 一种是将探伤仪设置于单探头工作模式，探头内部连接形式见图3， 4，5;第二种是将探伤仪设置于双探头工作模式，探头内部连接形式如下图6，图7。所述的超声波探头由多个具有压电效应的晶片(和/或具有压电效应的 复合材料)组成。探头的连接头、外壳、阻尼块、电缆线、保护膜、楔块等可采用通常的设计制作方法。多晶片可设计为TTR模式(即多个晶片同 时发射，少数几个特定晶片同时接收)，和TRR模式(即少数几个晶片同时 发射和多个晶片同时接收超声波)。还可设计为TTRR模式(即某个晶片发射而其它晶片都同时接收并轮换进行，或者是多个探头同时发射，而只有某个晶片接收并轮换进行)。TTR模式时，用多个压电晶片同时激发， 一方 面以改善声束指向性；另一方面也增大所激发的超声波的能量，利于改善 探头的检测灵敏度，而只用其中的一个或少数几个晶片作为超声波的接收 敏感元件，改善缺陷分辨率。也可以用其中的大尺寸的具有优异发射性能 的晶片作为超声波激励源，而用小尺寸的具有优异接收性能的晶片作为接 收敏感元件。使小尺寸的接收敏感元件只接收特定方向超声波，从而提高 缺陷的分辨率。当然也可以采用相同的发射、接收综合性能好的压电晶片 作为激励源和接收敏感元件，按上述设计，也能提高检测灵敏度和提高分 辨率。这里的激励元件和接收元件需要具有相同的超声波工作频率。还有 一种情况是(即TRR):用其中的一个或特定的几个压电晶片作为激励源， 而采用周围的多个接收晶片分别接收各自特定方向的超声波，从而可以分 辨特定位置和特定方向的缺陷，提高缺陷的分辨率。所述的探头可设计成为直探头、斜探头、各种聚焦探头(点聚焦、线 聚焦、接触聚焦等)以及双晶探头等多种形式。通常在TTR模式，即多发 少收模式时将接收晶片设计于整个探头的声束轴线位置，以利于提高缺陷 分辨率和检测灵敏度；在TRR模式，即少发多收模式时，则将发射晶片置 于探头的中间位置，将接收晶片置于周边位置，这样周边的某个晶片接收 到超声波则能指示出缺陷的方向性。所述的探头通常是要实现多晶片同时激发，以尽量形成一个类似于单 个整块晶片所激发的超声波声场，以得到好的声束指向性和得到足够的超 声波激励能量。而只用声束轴线位置的小尺寸的压电晶片作为接收元件，接收特定的声束轴线方向的超声波，得到优良的缺陷分辨率。这里并不意 味着声场内声束轴线以外的缺陷探测不到，因为随着探头的扫查移动，缺陷探测是不会遗漏的。本发明的优点检测缺陷的灵敏度高，信噪比高，对相邻缺陷的分辨能 力强，检测盲区小，易于对缺陷精确定位和精确测量其大小以及方向性。
下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明。图l为控制电路之一；图2为控制电路之二；图3为单探头工作模式之一；图4为单探头工作模式之二；图5为单探头工作模式之三；图6为双探头工作模式之一；图7为双探头工作模式之二；图8为新结构探头探测缺陷回波声程示意图;图9为传统的A扫描图；图10为改进后的A扫描图。
具体实施方式
实施例l TTR直探头在超声波探伤中，例如对锻件进行探伤时，探头中压电晶片的直径越大， 扩散角越小，则超声波信号的扩散小，声束的指向性好。所以采用环状晶片和小晶片同时发射超声波。偏离主声束轴线方向的回波声程较长，其回 波幅度比主声束轴线方向上的回波幅度相对较低，直径小的晶片只能接受 主声束轴线方向上的缺陷回波，采用小晶片来接受超声波的回波，能够更 准确地定位缺陷的位置和大小。因而在锻件探伤中利用直径大的晶片发射、 直径小的晶片接收提高了探头对缺陷定位的准确性，能够收到良好的效果如图8。实施例2 一种TTR水浸点聚焦超声波探头在水浸聚焦超声波探伤中，例如在探测航空小口径管材时，尤其是在探 测小口径薄壁管时，国内外尚没有较理想的探头。这是由于在以前的探头 设计中，按理论和实验结果，聚焦的焦点圆柱直径为c/aF.1，其中F为焦距，义为水中波长，D为晶片直径。在一定的检测条件下，F不能太小，为 了得到好的聚焦效果，只有加大晶片直径。但是当超声波束到达管表面时 必然会有漫反射，其中以主声束轴线的反射回波为最强，其中的非主声束 轴线的反射回波比主声束回波的声程要长，必然落后于主声束回波，逐渐 下降。因此晶片越大则界面回波越宽，如图9所示。超声波在界面的反射同 时，超声波主声束折射进入管材遇到缺陷时会立即沿原路返回到探头，由 于超声波在钢中比在水中传播的更快，当界面漫反射回波尚未消失时，缺 陷回波也已到达晶片中心，缺陷回波信号往往比较小，这样缺陷回波就往 往淹没在界面回波中，导致缺陷无法分辨。按照本发明所述方法，将中心的小圆形晶片设计作为发射/接收晶片， 而与此圆晶片同平面的圆环形晶片只作为发射晶片，这样的发射聚焦效果同上，可得到理想的细聚焦效果，提高检测灵敏度，而界面的漫反射回波 则不被接收放大，小圆形晶片只接收主声束轴上的回波，因此界面回波急剧下降，缺陷回波落后于界面回波，因而清晰可辨,如图io所示。这样设计的探头具有很高的信噪比，抗干扰能力强，检测更加可靠。实施例3 TTR线聚焦探头在民用管探伤中，为了提高检测效率，经常用到线聚焦探头。线聚焦探 头是能检测有一定裂纹长度缺陷的探头，它是按线扫查材料或工件。本发明是将线聚焦探头的圆形或长方形压电晶片改成三个长方形晶片 并列，三块晶片一起作为发射晶片，只有中间的长方形晶片作为接收晶片， 以实施例2所述的工作方式，这样可以得到更好的聚焦效果，提高了检测灵 敏度，有效地抑制了界面的漫反射回波。位于中间的长方形晶片接收主声 束轴线上的回波，更好地定位了缺陷的大小和位置，提高了线聚焦探头的 分辨率以及检测的准确度见图5。 实施例4: TRR直探头在现有超声波探伤技术中，例如对锻件进行探伤时，往往只能探测锻件 内部的缺陷面与探测面平行的缺陷，而与探测面相倾斜的缺陷则探测不到。 所以采用中部晶片发射超声波，而用周边其余的晶片分别接收超声波，这 时需要使用多通道超声波探伤仪，这样当只有周边的某个晶片接收到超声 波时就意味着缺陷是倾斜的，根据缺陷的声程和探头的结构参数可计算出 缺陷的倾斜角度，从而提髙对缺陷的检测能力。
权利要求
1、一种高灵敏度超声波探头，包括连接头(1)、外壳(2)、阻尼块(3)、电缆线(4)、二极管(5)、声透镜(6)、电缆线(7)、其特征在于所述的高灵敏度超声波探头包括2到64个能发射和接收超声波的元件(8)；其中连接头(1)与外壳(2)固连，阻尼块(3)固定安装在外壳(2)的内部，电缆线(4)与二极管(5)相连，安装在外壳(2)的内部，声透镜(6)安装在能发射和接收超声波的元件(8)的下面。
2、 按照权利要求1所述的高灵敏度超声波探头，其特征在于所述的 能发射和接收超声波的元件(8)为压电晶片和/或具有压电效应的复合材 料，其中至少有一个能发射和接收超声波的元件(8)为超声波的接收敏感 元件，其余为发射超声波的元件。
3、 按照权利要求1所述的高灵敏度超声波探头，其特征在于所述的 能发射和接收超声波的元件(8)中，其中大尺寸的具有优异发射性能的晶 片作为超声波发射源，小尺寸的具有优异接收性能的晶片作为接收敏感元 件。
4、 按照权利要求1所述的高灵敏度超声波探头，其特征在于所述的 能发射和接收超声波的元件(8)为环形。
5、 按照权利要求1所述的高灵敏度超声波探头，其特征在于所述的 能发射和接收超声波的元件(8)为矩形。
6、 按照权利要求1所述的高灵敏度超声波探头，其特征在于所述的超声波探头为直探头，斜探头，点聚焦探头，线聚焦探头，接触聚焦探头， 双晶探头之一。
7、按照权利要求1所述的高灵敏度超声波探头，其特征在于所述的 高灵敏度超声波探头实现接收晶片同时参与激发超声波，而激励晶片只激 发超声波而不参与接收超声波，实现这一目的有两种方案一种方案是在超声波探伤仪中增加一个控制电路。该控制电路利用超声 波脉冲发射控制信号，使得发射晶片的电流回路只在脉冲发射期间导通。第二种方案是在探头中的发射晶片的电流回路中加接1到63个二极管， 利用二极管特性，当激励时激励电压施加在二极管上，使二极管正向导通。 8、按照权利要求7所述的高灵敏度超声波探头，其特征在于所述的 第二种方案中，有两种探头电路连接方式 一种是将探伤仪设置于单探头 工作模式；第二种是将探伤仪设置于双探头工作模式。
全文摘要
一种高灵敏度超声波探头，包括连接头(1)、外壳(2)、阻尼块(3)、电缆线(4)、二极管(5)、声透镜(6)、电缆线(7)；其特征在于所述的高灵敏度超声波探头包括2到20个能发射和接收超声波的元件(8)；其中连接头(1)与外壳(2)固连，阻尼块(3)固定安装在外壳(2)的内部，电缆线(4)与二极管(5)相连，安装在外壳(2)的内部，声透镜(6)安装在能发射和接收超声波的元件(8)的下面。本发明的优点在于检测缺陷的灵敏度高，信噪比高，对相邻缺陷的分辨能力强，检测盲区小，易于对缺陷精确定位和精确测量其大小以及方向性。
文档编号G01N29/04GK101308118SQ20071001128
公开日2008年11月19日 申请日期2007年5月14日 优先权日2007年5月14日
发明者畅 刘, 薇 张, 林青云, 董瑞琪, 蔡桂喜, 曦 陈 申请人:中国科学院金属研究所