一種用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)檢測的超聲陣列換能器制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)屬于無損檢測技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于復(fù)合材料筋條區(qū)檢測的超聲陣列換能器。本發(fā)明專利技術(shù)針對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條結(jié)構(gòu)連接區(qū)幾何特點(diǎn)，基于超聲反射原理，通過構(gòu)建超聲陣列晶元和超聲波傳播途徑，發(fā)明專利技術(shù)了一種超聲線性陣列換能器，克服了傳統(tǒng)超聲檢測方法復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)根部存在幾何不接近區(qū)造成的檢測盲區(qū)大和檢測效率低等不足。實(shí)際檢測效果表明，采用本發(fā)明專利技術(shù)中的超聲陣列換能器，明顯提高了超聲對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)檢測的可達(dá)性，顯著減少了超聲對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)幾何檢測盲區(qū)，進(jìn)而提高了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)檢測的可達(dá)性、缺陷檢出率，檢測效率提高10倍以上，取得了很好的實(shí)際檢測效果。

An ultrasonic array transducer for detecting structural bar area of composite material

The invention belongs to the technical field of nondestructive testing, and relates to an ultrasonic array transducer for detecting the bar area of a composite material. The present invention for a composite structure reinforced structure connected area geometric feature based on the principle of ultrasonic reflection, through the construction of ultrasonic array wafer and ultrasonic transmission, invented an ultrasonic linear array transducer, to overcome the traditional ultrasonic testing method of composite structure of rib geometry is not close to the root zone area caused by the big blind spot detection and detection efficiency low. Show that the actual detection results, using the ultrasonic array transducer of the invention, significantly improve the accessibility of ultrasonic testing of composite rib area, significantly reducing the ultrasound on composite structure rib geometry blind spot detection and improve the detection rate of accessibility and defect detection of composite structure reinforcement area, detection to improve the efficiency of more than 10 times, achieved very good detection effect.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)檢測的超聲陣列換能器
本專利技術(shù)屬于無損檢測
，涉及一種用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)檢測的超聲陣列換能器。
技術(shù)介紹
復(fù)合材料結(jié)構(gòu)加強(qiáng)筋條區(qū)是復(fù)合材料承力結(jié)構(gòu)的重要組成部分，起到載荷傳遞和承力作用，這種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)形式目前已在航空航天、交通等工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。為了保證筋條區(qū)與復(fù)合材料蒙皮之間的膠接質(zhì)量，通常需要對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條部位進(jìn)行可靠地?zé)o損檢測。目前是基于超聲方法進(jìn)行復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條部位的無損檢測，利用超聲換能器發(fā)射/接收超聲波，實(shí)現(xiàn)材料結(jié)構(gòu)筋條部位的檢測：一種是采用單晶元的超聲換能器，其主要不足是，(1)屬點(diǎn)掃描，檢測效率低；(2)超聲換能器自身結(jié)構(gòu)會在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)根部位置造成幾何不接近區(qū)，進(jìn)而造成檢測盲區(qū)、易出現(xiàn)缺陷漏檢。為了改善其中的檢測效率低的不足，另一種方法是，設(shè)計采用超聲相控陣換能器，但其主要不足是：(1)普通的超聲相控陣換能器自身結(jié)構(gòu)同樣會在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)的根部位置造成幾何不接近區(qū)，進(jìn)而造成檢測盲區(qū)、易出現(xiàn)缺陷漏檢，因其結(jié)構(gòu)直尺比單晶元探頭更大，造成的幾何檢測盲區(qū)可能會更大；(2)由于復(fù)合材料連接區(qū)筋條部位在檢測工序，呈現(xiàn)立式擺放位置，普通超聲相控陣換能器需要與復(fù)合材料連接區(qū)筋條部位的底邊和立邊接觸耦合，由此造成手動掃描效果受到影響，進(jìn)而容易引起聲學(xué)耦合不良，造成檢測信號不穩(wěn)定，容易漏檢。而采用一些專門的超聲自動掃描系統(tǒng)移動超聲換能器，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)的自動掃描檢測，則：(1)需要根據(jù)不同的材料結(jié)構(gòu)筋條部位的幾何特點(diǎn)，設(shè)計不同的掃描檢測系統(tǒng)，成本非常高、技術(shù)難度大；(2)因自動掃描機(jī)構(gòu)復(fù)雜和場地環(huán)境條件的限制，實(shí)現(xiàn)起來較困難；(3)對檢測場地要求高，需要占用較大的專用檢測場地；(4)檢測結(jié)果的核實(shí)實(shí)時性不好：(5)不適合工序間的材料結(jié)構(gòu)筋條部位的檢測。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是針對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)的超聲檢測，提出一種用于復(fù)合材料筋條區(qū)立邊和底邊部位檢測的超聲陣列換能器，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)的超聲覆蓋檢測，減少復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)根部的幾何檢測盲區(qū)，改善超聲對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)根部的可檢性和可達(dá)性，提高復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)的檢測效率和檢測結(jié)果的可靠性。本專利技術(shù)的技術(shù)解決方案是，超聲陣列換能器包括線超聲陣列傳感器單元、超聲透射鏡、超聲反射鏡，1)超聲陣列換能器的結(jié)構(gòu)組成超聲傳感器單元由線陣列壓電晶元、匹配層、外殼、連接座、連接線、阻尼塊、封蓋組成，線陣列壓電晶元由N個長L×寬W的壓電晶元組成，這里，ei為線陣列壓電晶元中的第i個壓電晶元，i＝1,2,...,N，其中每個壓電晶元ei的負(fù)極共地，每個壓電晶元ei的正極彼此電器隔離，外殼為一長方體加工而成，在此長方體內(nèi)部加工有左右貫通內(nèi)長方孔，在此長方體下端前后外側(cè)加工有均布的2個小凸臺，每個凸臺中加工有一貫穿通孔，在外殼上端面的中心位置加工有2個螺紋孔，匹配層為一透射材料制成的矩形薄片，與外殼的貫通內(nèi)長方孔間隙配合，阻尼塊由環(huán)氧樹脂和阻尼材料混合而成，封蓋外形尺寸與外殼的外形尺寸匹配，在封蓋的端面上加工有2個通孔，此2個通孔的位置與外殼上端面的中心位置2個螺紋孔相匹配，在封蓋的中心位置加工有一插座連接孔，超聲透射鏡由一矩形透聲材料塊加工成，此矩形透聲材料塊一個端面加工為45°的斜切面，矩形透聲材料塊的其它端面均為矩形平面，所有端面研磨拋光，超聲透射鏡斜切面的兩側(cè)面靠近矩形平面的位置上加工有兩個均布的帶有小螺紋孔的小凸臺，此小凸臺中的小螺紋孔與外殼下端前后外側(cè)均布的2個小凸臺上的貫穿通孔同軸和位置匹配，在超聲透射鏡靠近斜切面位置的前后兩側(cè)加工有兩個45°小斜凸臺，小斜凸臺中加工有45°的小通孔，超聲反射鏡由一矩形高聲反射材料塊加工成，此矩形高聲反射材料塊的一個端面加工為45°的斜切面，且斜切面研磨拋光后，再鍍上聲反射層，矩形高聲反射材料塊的其它面均為矩形平面，且此矩形平面研磨拋光，在超聲反射鏡45°的斜切面一側(cè)的前后兩側(cè)加工有兩45°小凸臺，此小凸臺中加工有小螺紋孔，此螺紋孔與超聲透射鏡45°斜切面位置的前后兩側(cè)兩個45°的小通孔同軸和位置匹配；2)超聲陣列換能器的結(jié)構(gòu)連接裝配將負(fù)極連接線的一端與線陣列壓電晶元的共地端連接，將線陣列壓電晶元與匹配層通過環(huán)氧樹脂膠接，將正極連接線的一端與線陣列壓電晶元中的每個電晶元ei的上端正極連接，將連接好的線陣列壓電晶元、匹配層及連接線一起置于外殼的下端長方內(nèi)孔中，通過樹脂使匹配層與外殼的長方內(nèi)孔的周圍預(yù)粘接固定，并使脂使匹配層下端面與外殼下端面齊平，然后，將配備好的阻尼塊從外殼的上端長方內(nèi)孔開口處進(jìn)行灌封，封裝完畢，將連接座與封蓋安裝固定，將線陣列壓電晶元中的各正、負(fù)極連接線的另一端與連接座中的相應(yīng)端子連接，將封蓋與外殼上端通過螺紋連接，完成了上述裝配后，對匹配層再次進(jìn)行研磨后，將超聲透射鏡上端面與匹配層的下端面保持聲學(xué)接觸耦合，并由螺釘通過外殼兩小凸臺中的小通孔將超聲透射鏡上端前后兩側(cè)小凸臺中的螺紋孔連接鎖緊，將超聲反射鏡上端斜面與超聲透射鏡下端斜面保持聲學(xué)接觸耦合，并由螺釘通過超聲透射鏡中的斜切面位置的前后兩側(cè)45°小斜凸臺中的小通孔與超聲反射鏡中的45°的斜切面一側(cè)的前后兩側(cè)45°小凸臺中的小螺紋孔連接鎖緊，至此完成了超聲陣列換能器的工藝制備和組裝。所述的超聲傳感器單元中的線陣列壓電晶元由N個長L×寬W的壓電晶元組成，W的取值范圍為1.5mm-3.0mm之間。根據(jù)被檢測復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)的材料和厚度不同，阻尼塊中的環(huán)氧樹脂與阻尼材料按1:1～1:3之間的重量比例進(jìn)行混合。所述的超聲傳感器單元中的線陣列壓電晶元的頻率取值范圍為5.0MHz-10.0MHz之間。所述的超聲陣列換能器中的超聲透射鏡選用低聲衰減的非金屬材料制成，超聲反射鏡的材料選擇按式選擇。ρ2υ2≥6ρ1υ1，這里，ρ1，υ1——分別為超聲透射鏡的密度和聲速，ρ2，υ2——分別為超聲反射鏡的密度和聲速，所述的超聲陣列換能器中的超聲傳感器單元中的線陣列壓電晶元采用并行方式工作或通過電子延時實(shí)現(xiàn)相控制方式工作，用于不同檢測效率條件下的復(fù)合材料筋條區(qū)的快速超聲可視化檢測。所述的超聲陣列換能器中的超聲傳感器單元由個壓電晶元構(gòu)成，N根據(jù)被檢測復(fù)合材料筋條區(qū)底邊或立邊的寬度w按下式確定其最小整數(shù)值：所述的一種用于檢測復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)的超聲陣列換能器進(jìn)行測試的方法是，將組裝完成后的超聲陣列換能器與超聲陣列單元進(jìn)行連接，使超聲透射鏡的斜切面與復(fù)合材料測試試樣表面聲學(xué)接觸耦合，依次接通線陣列壓電晶元中的每個壓電晶元ei，壓電晶元ei產(chǎn)生的入射聲波和反射聲波沿路徑傳播，觀察其來自復(fù)合材料測試試樣中的底面回波信號根據(jù)的有無和大小判別每個電晶元ei是否工作正常，并記錄每個來自每個壓電晶元ei的的幅值分貝值dBi。本專利技術(shù)具有的優(yōu)點(diǎn)和有益效果，本專利技術(shù)針對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條結(jié)構(gòu)連接區(qū)幾何特點(diǎn)，基于超聲反射原理，通過構(gòu)建超聲陣列晶元和超聲波傳播途徑，專利技術(shù)了一種超聲線性陣列換能器，克服了傳統(tǒng)超聲檢測方法復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)根部存在幾何不接近區(qū)造成的檢測盲區(qū)大和檢測效率低等不足。實(shí)際檢測效果表明，采用本專利技術(shù)中的超聲陣列換能器，明顯提高了超聲對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)檢測的可達(dá)性，顯著減少了超聲對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)幾何檢測盲區(qū)，進(jìn)而本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種用于檢測復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)的超聲陣列換能器，其特征是，超聲陣列換能器包括線超聲陣列傳感器單元(1)、超聲透射鏡(2)、超聲反射鏡(3)，1)超聲陣列換能器的結(jié)構(gòu)組成超聲傳感器單元(1)由線陣列壓電晶元(1A)、匹配層(1B)、外殼(1C)、連接座(1D)、連接線(1E)、阻尼塊(1F)、封蓋(1G)組成，線陣列壓電晶元(1A)由N個長L×寬W的壓電晶元

【技術(shù)特征摘要】
1.一種用于檢測復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)的超聲陣列換能器，其特征是，超聲陣列換能器包括線超聲陣列傳感器單元(1)、超聲透射鏡(2)、超聲反射鏡(3)，1)超聲陣列換能器的結(jié)構(gòu)組成超聲傳感器單元(1)由線陣列壓電晶元(1A)、匹配層(1B)、外殼(1C)、連接座(1D)、連接線(1E)、阻尼塊(1F)、封蓋(1G)組成，線陣列壓電晶元(1A)由N個長L×寬W的壓電晶元組成，這里，ei為線陣列壓電晶元(1A)中的第i個壓電晶元，i＝1,2,...,N，其中每個壓電晶元ei的負(fù)極共地，每個壓電晶元ei的正極彼此電器隔離，外殼(1C)為一長方體加工而成，在此長方體內(nèi)部加工有左右貫通內(nèi)長方孔，在此長方體下端前后外側(cè)加工有均布的2個小凸臺(1H)，每個凸臺(1H)中加工有一貫穿通孔，在外殼(1C)上端面的中心位置加工有2個螺紋孔，匹配層(1B)為一透射材料制成的矩形薄片，與外殼(1C)的貫通內(nèi)長方孔間隙配合，阻尼塊(1F)由環(huán)氧樹脂和阻尼材料混合而成，封蓋(1G)外形尺寸與外殼(1C)的外形尺寸匹配，在封蓋(1G)的端面上加工有2個通孔，此2個通孔的位置與外殼(1C)上端面的中心位置2個螺紋孔相匹配，在封蓋(1G)的中心位置加工有一插座連接孔，超聲透射鏡(2)由一矩形透聲材料塊加工成，此矩形透聲材料塊一個端面加工為45°的斜切面，矩形透聲材料塊的其它端面均為矩形平面，所有端面研磨拋光，超聲透射鏡(2)斜切面的兩側(cè)面靠近矩形平面的位置上加工有兩個均布的帶有小螺紋孔的小凸臺，此小凸臺中的小螺紋孔與外殼(1C)下端前后外側(cè)均布的2個小凸臺(1H)上的貫穿通孔同軸和位置匹配，在超聲透射鏡(2)靠近斜切面位置的前后兩側(cè)加工有兩個45°小斜凸臺，小斜凸臺中加工有45°的小通孔，超聲反射鏡(3)由一矩形高聲反射材料塊加工成，此矩形高聲反射材料塊的一個端面加工為45°的斜切面，且斜切面研磨拋光后，再鍍上聲反射層，矩形高聲反射材料塊的其它面均為矩形平面，且此矩形平面研磨拋光，在超聲反射鏡(3)45°的斜切面一側(cè)的前后兩側(cè)加工有兩45°小凸臺，此小凸臺中加工有小螺紋孔，此螺紋孔與超聲透射鏡(2)45°斜切面位置的前后兩側(cè)兩個45°的小通孔同軸和位置匹配；2)超聲陣列換能器的結(jié)構(gòu)連接裝配將負(fù)極連接線的一端與線陣列壓電晶元(1A)的共地端連接，將線陣列壓電晶元(1A)與匹配層(1B)通過環(huán)氧樹脂膠接，將正極連接線的一端與線陣列壓電晶元(1A)中的每個電晶元ei的上端正極連接，將連接好的線陣列壓電晶元(1A)、匹配層(1B)及連接線一起置于外殼(1C)的下端長方內(nèi)孔中，通過樹脂使匹配層(1B)與外殼(1C)的長方內(nèi)孔的周圍預(yù)粘接固定，并使脂使匹配層(1B)下端面與外殼(1C)下端面齊平，然后，將配備好的阻尼塊(1F)從外殼(1C)的上端長方內(nèi)孔開口處進(jìn)行灌封，封裝完畢，將連接座(1D)與封蓋(1G)安裝固定...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：劉松平，劉菲菲，白金鵬，李樂剛，
申請(專利權(quán))人：中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，
類型：發(fā)明
國別省市：北京,11