水电大型机械轴系3D检测扫查探头制造技术

本实用新型专利技术公开了水电大型机械轴系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；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。为10mm。为10mm。

【技术实现步骤摘要】
水电大型机械轴系3D检测扫查探头


[0001]本技术涉及检测
，具体涉及水电大型机械轴系3D检测扫查探头。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。

技术实现思路

[0006]本技术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。
[0007]为了实现上述目的，本技术采取的技术方案如下：
[0008]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；
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]本技术与现有技术相比，具有以下有益效果：
[0014]本技术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
[0015]图1为本扫查架的结构示意图；
[0016]图2为探头的回波波形；
[0017]图3为探头的回波频谱；
[0018]图4为探头测试项目性能指标1；
[0019]图5为探头测试项目性能指标2；
[0020]图6为探头测试项目性能指标3；
[0021]图7为用大型机械轴作为实物进行测试后扫查成像图。
[0022]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
[0023]本技术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技术作进一步详细说明。
[0024]实施例1
[0025]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。
[0026]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。
[0027]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。
[0028]本实施例与现有技术的区别主要如以下所述：
[0029]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。
[0030]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。
[0031]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：
[0032]频率常数：Nt=tf=C/2；
[0033]晶片厚度：t=C/2f；
[0034]其中：t为晶片厚度；f为探头频率；C为纵波声速；
[0035]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。
[0036]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：
[0037]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。
[0038]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。
[0039]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。
[0040]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。
[0041]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。
[0042]具体的说，本实施例中，探头的型号为：2.5L64
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...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.水电大型机械轴系3D检测扫查探头，其特征在于，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；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。2.根据权利要求1所述的水电大型机械...

【专利技术属性】
技术研发人员：王勇飞，严乔，陈蕊，
申请(专利权)人：国能大渡河检修安装有限公司，
类型：新型
国别省市：