一种用于在管道中激励和接收多模式超声导波的换能器制造技术

一种用于在管道中激励和接收多模式超声导波的换能器，属于无损检测技术领域。其特征是换能器中包含了两片上下水平布置的振动方向与各自极化方向相一致的剪切型压电晶片，两压电晶片极化方向彼此正交，并通过位于两压电晶片之间的隔离层进行电气隔离。分别对两压电晶片施加激励信号，则换能器能够对被检测结构表面施加激励不同模式导波所需的不同方向载荷，而沿被检测结构轴向传播的不同模式导波当其主要振动方向与某压电晶片极化方向一致时亦能引起该压电晶片的振动进而产生电压信号用于分析和处理。本发明专利技术的效果和益处是沿被检测结构轴向一次安装三环换能器阵列即可在结构中激励和接收不同模式的单一单向导波，应用简单，现场检测效率高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无损检测
，涉及一种用于在管道、薄壁细管以及其他空心圆柱结构中激励和接收多模式超声导波的换能器。
技术介绍
超声导波技术能够实现管道等空心圆柱结构的快速无损检测，该技术采用脉冲一回波原理，通过在结构某处布置换能器或换能器阵列即可实现数十米范围内结构的全局检测，效率高，成本低。空心圆柱结构中沿轴向传播的导波有多个模态。以管道为例，如图1所示为内径53mm,壁厚3.5mm的40#钢管中导波在O 150kHz时的群速度频散曲线。从频散曲线可以看出，管道中存在三种不同模式的导波，即轴对称纵向模式L(0，η)，轴对称扭转模式Τ(0，η)和非轴对称弯曲模式F (Μ，η)，其中，M=l，2，3…为周向阶次，η=1，2，3…为模数，每种模式又包含无限个导波模态。为使导波技术能够更好地应用于管道等空心圆柱结构的无损检测，要求换能器或换能器阵列所激励的导波具备三个特征:(I)为便于回波信号分析和处理，希望激励单一模态的导波；(2)导波在结构中是双向传播的，为分辨回波方向进而辨别损伤在换能器两侧的位置，需要激励单一方向的导波；(3)不同模式导波沿管壁的位移分布不同，因而不同模式导波对不同损伤敏感度不同，为最大限度的避免漏检，希望换能器阵列能够方便的激励出不同模式的导波。目前，激励单一模式下的单一单向导波激励装置多采用如下结构形式:(1)多个具有相同结构的换能器通过卡具装置沿管道圆周方向均匀布置组成单环阵列；(2)沿空心圆柱结构轴向布置2或3环具有相同结构的单环阵列组成多环阵列，通过控制各环换能器的激励时间与幅度来抵消所不期望出现的导波模态同时实现单一方向导波的激励。不同模式导波的激励需要由换能器对结构施加不同方向的载荷，然而现有换能器一次安装和激励只能对结构施加单一方向的载荷，利用现有换能器激励不同模式的单一单向导波主要采用两种方法:1、换能器阵列在激励完一种模式的导波后，将卡具上的所有换能器拆卸并旋转90°后重新安装进而激励另一种模式的导波；2、沿结构轴向布置至少5环换能器，依据所需激励的导波模式及激励该模式下的单一单向导波对于换能器环数的要求，设定各环换能器的安装方式以满足激励不同模式的单一单向导波对载荷方向的要求，进而有选择性的激励各环换能器，以实现各单一单向导波的激励。上述方法I给现场检测带来不便，例如对于一套面向24英寸管道检测的换能器阵列，要求单环换能器阵列至少布置56个换能器，若采用最少的2环换能器阵列设计，则实现一次不同模式导波的激励需要将至少112个换能器全部拆卸并重新安装，这将严重影响现场检测的效率。上述方法2由于采用了多环换能器阵列设计，使得换能器阵列结构复杂、体积大、质量重、成本高。例如，若要在24英寸的管道中激励单一单向的纵向模态L(0，2)和扭转模态T (0，I)，则需要5环换能器阵列布 置，共计至少需要280个换能器。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种一次安装可对管道等空心圆柱结构施加多方向载荷并在结构中激励和接收多模式导波的换能器，使换能器阵列一次安装即可在管道等空心圆柱结构中激励和接收不同模式的单一单向导波，同时显著降低换能器阵列的体积、质量及成本。本专利技术的技术方案是:换能器结构中包括保护垫片、第一剪切型压电晶片、第二剪切型压电晶片、隔离层、硬质背衬壳体、左同轴电缆、右同轴电缆及粘接剂。两剪切型压电晶片在换能器结构中为上下水平布置，振动方向与各自极化方向相一致，且两剪切型压电晶片极化方向彼此正交，并通过位于两剪切型压电晶片之间的隔离层进行电气隔离；所述保护垫片、第一剪切型压电晶片、隔离层、第二剪切型压电晶片、硬质背衬壳体在换能器结构中自下而上依次水平布置，并通过粘接剂粘接为一体。所述第一剪切型压电晶片极化方向依据换能器在结构表面的安装方式及激励期望模式导波所需的载荷方向灵活选择。为使两剪切型压电晶片在激励接收导波时互不影响，要求两剪切型压电晶片振动模式单一，因此两剪切型压电晶片均采用长方片状，且长厚之比均大于等于20。压电晶片太薄则制作工艺复杂，成本高，压电晶片太厚则其长度越长，换能器体积和质量就越大，同时也难于保证在被检测圆柱结构周向布置足够数量的换能器以抑制不期望出现的导波模态。综合考虑上述因素，所述第一剪切型压电晶片和第二剪切型压电晶片长厚之比均介于2(Γ30之间，第一剪切型压电晶片长度为8 30mm，最好为10 16mm,厚度为0.2 Imm,最好为0.4 0.8mm,宽度为2 4mm ;两剪切型压电晶片正负电极镀银或锡；为方便两剪切型压电晶片正负电极与同轴电缆连接，两剪切型压电晶片下表面负电极均翻边延伸至上表面，第二剪切型压电晶片长度相比第一剪切型压电晶片长度短2 3mm，厚度和宽度与第一剪切型压电晶片相同。所述隔离层采用聚酰亚胺材料，长、宽与第二剪切型压电晶片长、宽相同，厚度介于0.Γ0.5mm之间；隔离层上表面通过所述粘接剂与第二剪切型压电晶片下表面负电极粘接，隔离层下表面通过粘接剂与第一剪切型压电晶片上表面粘接，粘接厚度均介于2(Γ50μπι 之间。 所述保护垫片采用氧化铝硬质陶瓷，长、宽与第一剪切型压电晶片相同，厚度介于0.2 1.0mm之间；保护层下表面与被检测结构接触，上表面与第一剪切型压电晶片下表面负电极通过所述粘接剂粘接，粘接厚度介于2(Γ50μπι之间；保护垫片用作压电晶片与被检测结构的声阻抗过渡及对压电晶片起到机械防护和防止媒质腐蚀的作用。所述硬质背衬壳体为采用不锈钢材料的长方体结构，长度与第一剪切型压电晶片长度相等，宽度大于第一剪切型压电晶片宽度2 4mm，高度为5 10mm ;壳体左右两侧开有两个圆柱形通道，左侧同轴电缆穿过左侧圆柱形通道与第二剪切型压电晶片上表面正负电极连接后用所述粘接剂填充空隙，右侧同轴电缆穿过右侧圆柱形通道与第一剪切型压电晶片上表面正负电极连接后用所述粘接剂填充空隙；硬质背衬壳体用作所述压电晶片在激励信号施加结束后迅速停振，以提高缺陷检测的分辨力。所述粘接剂为钨粉和环氧树脂混合物，按照质量比3:1配比，环氧树脂采用Hysol93960分别对换能器中的两压电晶片施加导波激励信号，则两剪切型压电晶片会产生彼此正交的振动，且其中一个压电晶片振动时另一个压电晶片不会对其振动能量产生影响，这使得换能器一次安装能够对结构表面施加不同方向的载荷进而激励出不同模式的导波。依据现有公知技术，沿被检测结构轴向布置3环换能器并使换能器对结构施加沿其轴向的载荷，可在被检测结构中激励出低阶的单一单向纵向模式导波，沿被检测结构轴向布置2环换能器并使换能器对结构施加沿其圆周切向的载荷，可在被检测结构中激励出低阶的单一单向扭转模式导波。因此，利用本专利技术换能器，沿被检测结构轴向总共布置三环具有相同换能器数量及结构的换能器阵列即可实现不同模式单一单向导波的激励。另一方面，沿被检测结构轴向传播的不同模式导波当其主要振动方向与某压电晶片极化方向一致时亦能引起该压电晶片的振动进而产生电压信号用于分析和处理，因此本专利技术换能器亦能实现一次安装即可接收结构中不同模式的导波。本专利技术换能器能够在空心圆柱结构中激励和接收不同模式的导波，其用于结构无损检测时具有以下优点(I)换能器一次安装即可对结构表面施加激励不同模式导波所需的不同方向载荷而不需要拆卸、旋转本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于在管道中激励和接收多模式超声导波的换能器，包括保护垫片(4)、第一剪切型压电晶片(2)、第二剪切型压电晶片(3)、隔离层(5)、硬质背衬壳体(1)、左同轴电缆(9)、右同轴电缆(10)及粘接剂(6)，其特征在于；换能器结构中包括了两片上下水平布置的振动方向与各自极化方向相一致的剪切型压电晶片，称为第一剪切型压电晶片(2)和第二剪切型压电晶片(3)，两剪切型压电晶片极化方向彼此正交，并通过位于两剪切型压电晶片之间的隔离层(5)进行电气隔离；所述保护垫片(4)、第一剪切型压电晶片(2)、隔离层(5)、第二剪切型压电晶片(3)、硬质背衬壳体(1)在换能器结构中自下而上依次水平布置，并通过粘接剂(6)粘接为一体。

【技术特征摘要】
1.一种用于在管道中激励和接收多模式超声导波的换能器，包括保护垫片(4)、第一剪切型压电晶片(2)、第二剪切型压电晶片(3)、隔离层(5)、硬质背衬壳体(I)、左同轴电缆(9)、右同轴电缆(10)及粘接剂(6)，其特征在于；换能器结构中包括了两片上下水平布置的振动方向与各自极化方向相一致的剪切型压电晶片，称为第一剪切型压电晶片(2)和第二剪切型压电晶片(3)，两剪切型压电晶片极化方向彼此正交，并通过位于两剪切型压电晶片之间的隔离层(5)进行电气隔离；所述保护垫片(4)、第一剪切型压电晶片(2)、隔离层(5)、第二剪切型压电晶片(3)、硬质背衬壳体(I)在换能器结构中自下而上依次水平布置，并通...

【专利技术属性】
技术研发人员：武湛君，马书义，王奕首，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：