一种超声波换能器的制作方法

1.本实用新型涉及传感器技术领域，尤其涉及一种应用于路轨轮式探伤利用超声波反射式探伤的超声波收发一体换能器。


背景技术：

2.超声波探伤设备广泛运用于多个技术领域，超声波探伤的原理是：超声波在被检测材料中传播时，由于材料内部损伤导致的材料声学特性和内部组织的变化对超声波的传播会产生一定的影响，通过对超声波受影响程度和状况的探测，了解材料性能和结构变化。为了方便在钢轨上进行无损探伤检测，通常使用超声波轮式探头安装在探伤车上，超声波轮式探头内部安装有超声波换能器，随着探伤车在轨道的运动，产生一定间隔的高压脉冲，高压脉冲通过激励超声波换能器，从而产生超声波，从各组探头发射出的超声波经过介质传入钢轨后发生波型转换，工程上就是采用折射横波、折射纵波来探测钢轨内部不同位置、不同取向的损伤。
3.轮式超声波探伤技术因其检测速度快、检测精度高、定位准确等特点在铁路探伤领域得到快速发展。其换能器采用超声波反射式探伤原理，安装在高速运转的轮式组合探头中，配合大型钢轨探伤车，检测速度可达60km/h～80km/h，适用轨型为43kg/m、50kg/m、60kg/m、75kg/m。可探测钢轨中的水平缺陷、螺孔裂纹、核伤、焊缝缺陷、轨头垂直劈裂等伤损。轮式探头作为一种广泛应用于钢轨超声波探伤设备的元器件，是一种能够在钢轨上高速滚动的软体橡胶轮，其内部集成安装了多种超声波换能器，并填充了能够传播超声波的液态耦合介质。在现有技术中，主要有以下技术方案与本实用新型申请相关：
4.由合肥超科电子有限公司于2016年08月18日申请，并于2016年11月30日公开，公开号为cn106168605a的中国发明申请公开了一种钢轨超声波探轮式探头。轮式探头包括支架、第一、第二超声波换能器、耦合介质、轮状耦合介质容器及固定到车体上的支架轴，支架、第一、第二超声波换能器、耦合介质均安装在轮状耦合介质容器内，超声波换能器安装在支架上，第二超声波换能器的压电晶体、背衬材料、第一层电缆、第二层电缆设置于外壳的内部，其中压电晶体铺在保护层上，背衬材料铺在压电晶体上，压电晶体和保护层之间铺设第一层电缆，背衬材料和压电晶体之间铺设第二层电缆，两个电缆层上分别焊接有电线，电线穿过保护层引到外壳外面。第二超声波换能器的保护层呈阶梯状。该发明还公开了一种超声波换能器，其优点是：能够扩大检测范围、减小检测盲区，并且加工成本较低。
5.然而现有超声波探轮式探头，还存在以下技术缺陷：
6.1)传感器壳体与透声层采用分体式设计，树脂透声层密封性差、易脱落，且需要对发射面进行打磨，可靠性差，使用寿命短；
7.2)传感器未进行阻抗匹配板设计，大大增加了信号的衰减，降低了信号传输效率，降低了检测灵敏度；
8.3)传感器难以满足长时间防水、防腐蚀要求，也难以满足在现有轮式探头上的安装位置匹配。


技术实现要素：

9.有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种超声波换能器，以解决现有超声波轮式探头采用常规树脂透声层密封性差、易脱落，且需要对发射面进行打磨的技术问题。
10.为了实现上述实用新型目的，本实用新型具体提供了一种超声波换能器的技术实现方案，超声波换能器，包括：壳体、信号传输电缆，以及从内至外依次设置于所述壳体内的压电晶片、阻尼吸声层、阻抗匹配板及胶封层。所述压电晶片与阻抗匹配板电连接，所述信号传输电缆电连接至阻抗匹配板，并穿过所述胶封层后对外引出电信号。
11.进一步的，所述壳体上设置有安装部，所述超声波换能器通过安装部固定安装于传感器垫块上，并通过所述传感器垫块固定安装于换能器座上。
12.进一步的，所述壳体采用透声一体式结构，所述壳体作为压电晶片的安装载体，同时所述壳体的底面作为压电晶片的超声波发射表面。
13.进一步的，所述压电晶片采用双面镀银电极的压电陶瓷晶片，压电晶片的镀银电极采用双电极引线结构，既用于加载高压脉冲激励，也用于接收超声反射回波能量转换成的电信号。
14.进一步的，所述阻尼吸声层采用金属钨粉与环氧树脂相混合的阻尼吸声层结构。
15.进一步的，所述阻抗匹配板用于电连接压电晶片与信号传输电缆，并采用阻抗为50ω的电路板。
16.进一步的，所述阻抗匹配板的厚度为0.6～1.0mm。
17.进一步的，所述胶封层采用树脂胶封固化成型结构，通过所述胶封层将压电晶片、阻尼吸声层及阻抗匹配板固封于壳体内。
18.进一步的，所述信号传输电缆采用符合rg174标准的50ω双银同轴信号传输电缆。
19.进一步的，所述阻抗匹配板包括电路板，以及设置于所述电路板上的传感器信号输入正极、传感器信号输入负极、传感器电缆连接端及匹配电感。所述压电晶片背面的引线连接至传感器信号输入正极及传感器信号输入负极。所述匹配电感并联于传感器信号输入正极与传感器信号输入负极之间。所述信号传输电缆连接至传感器电缆连接端。
20.通过实施上述本实用新型提供的超声波换能器的技术方案，具有如下有益效果：
21.(1)本实用新型超声波换能器，采用壳体与透声层一体化设计，密封性能良好，发射面直接一体成型无需打磨，大大增强了传感器的可靠性和使用寿命；
22.(2)本实用新型超声波换能器，采用了阻抗电路板设计，保证电路接口的阻抗匹配，减少了信号衰减；
23.(3)本实用新型超声波换能器，接口器件安装和引线更加方便，安装工艺简单，易于组装，独特的结构设计能够很好地匹配轮式探头中的安装位置；
24.(4)本实用新型超声波换能器，能够满足长时间在液态超声耦合介质中的防水、防腐蚀要求。
附图说明
25.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提
下，还可以根据这些附图获得其它的实施例。
26.图1是本实用新型超声波换能器一种具体实施例的外形结构示意图；
27.图2是本实用新型超声波换能器一种具体实施例的安装结构示意图；
28.图3是本实用新型超声波换能器一种具体实施例省略信号传输电缆后在另一视角下的外形结构示意图；
29.图4是本实用新型超声波换能器一种具体实施例的应用电路原理图；
30.图5是本实用新型超声波换能器一种具体实施例的安装后的结构示意图；
31.图6是本实用新型超声波换能器一种具体实施例中阻抗匹配板的结构示意图；
32.图7是本实用新型超声波换能器一种具体实施例的安装结构示意图；
33.图8是本实用新型超声波换能器另一种具体实施例的应用电路原理图；
34.图中：1-壳体，2-压电晶片，3-阻尼吸声层，4-阻抗匹配板，5-胶封层，6-信号传输电缆，7-安装部，8-传感器垫块，9-换能器座，10-超声波换能器，11-中心架，12-第一挡声板，13-第二挡声板，14-换能器阵列，15-第一换能器，16-第二换能器，17-侧座，18-超声波信号激励电路，19-引线，41-电路板，42-传感器信号输入正极，43-传感器信号输入负极，44-传感器电缆连接端，45-匹配电感，46-灌封树脂透孔一，47-灌封树脂透孔二。
具体实施方式
35.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。
36.如附图1至附图8所示，给出了本实用新型超声波换能器的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明。
37.如附图1和附图2所示，一种超声波换能器(即传感器)10的实施例，涉及一种利用超声波实现反射式探伤的超声波收发一体换能器。超声波换能器10具体包括：壳体1、信号传输电缆6，以及从内至外依次设置于壳体1内的压电晶片2、阻尼吸声层3、阻抗匹配板4及胶封层5。压电晶片2与阻抗匹配板4电连接，信号传输电缆6电连接至阻抗匹配板4，并穿过胶封层5后对外引出电信号。该实施例描述的超声波换能器10，在透声一体化结构的壳体1中，集成安装了压电晶片2、阻尼吸声层3、阻抗匹配板4、胶封层5及信号传输电缆6，采用收发一体的超声波探头设计原理，集成了声学及电学元件，经过特殊的组装工艺融为一体，能够长时间浸泡于具有乙二醇的液态耦合介质中。
38.如附图3和附图5所示，壳体1上进一步设置有安装部7，超声波换能器10通过安装部7固定安装于传感器垫块8上，并通过传感器垫块8固定安装于换能器座9上，换能器座9上安装有中心架11。传感器垫块8用于垫高超声波换能器10，以增加超声波换能器10在轮式探头(即探轮)内的声程。超声波换能器10具有独特的圆柱体(对应于壳体1) 椭圆体(对应于壳体1上的安装部7)组合结构外形。其中，圆柱体结构的壳体1采用中空结构，底部全封，圆柱体中空结构用于安装超声波换能器10及其它结构部件。椭圆体结构的两端开孔，用于与之配套的结构进行紧固，其结构如附图3所示，其与探轮集成安装的部分结构如附图5所示。
超声波换能器10的外形尺寸需与其在轮式探头上的安装位置匹配，超声波换能器10采用如本实施例描述的独特外型结构匹配轮式探头中的安装位置，安装工艺方便，易于组装。在本实施例中主要以超声波换能器10应用于0度超声波探伤对本实用新型技术方案进行说明。
39.如附图4所示，为超声波信号激励电路18与超声波换能器10连接的电路原理图。超声波信号激励电路18为超声波换能器10提供超声波发生激励信号，超声波换能器10则采用正负极性的高压脉冲激励压电材料产生高频脉冲超声波。
40.壳体1进一步采用透声一体式结构，壳体1作为压电晶片2的安装载体，同时壳体1的底面作为压电晶片2的超声波发射表面。本实施例描述的超声波换能器10采用透声一体式结构的壳体1作为压电晶片2的容器载体，采用亚胺材料(一种特殊的工程塑料材质)制成，能长期浸泡于乙二醇和水的混合物中，具备防水、耐水，防腐蚀的作用。壳体1作为承载压电晶片2及其他部件的容器，同时壳体1的底面作为超声波的发射表面，密封性能良好，超声波发射面直接一体成型而无需打磨。
41.压电晶片2进一步采用双面镀银电极的压电陶瓷晶片，压电晶片2的镀银电极采用双电极引线结构，既用于加载高压脉冲激励，也用于接收超声反射回波能量转换成的电信号。压电晶片2背面的引线19穿过阻尼吸声层3上的通孔后连接至阻抗匹配板4上的传感器信号输入正极52及传感器信号输入负极53。
42.阻尼吸声层3进一步采用金属钨粉与环氧树脂相混合的阻尼吸声层结构，对超声波的传播具有阻碍和吸收作用，可以有效减少超声换能器10背部的超声反射干扰。
43.阻抗匹配板4用于电连接压电晶片2与信号传输电缆6，并进一步采用阻抗为50ω的电路板。信号传输电缆6采用符合rg174标准(一种同轴电缆的型号)的50ω双银(导线和屏蔽线均为镀银铜线)同轴信号传输电缆。符合rg174标准的50欧双银同轴信号电缆是一种特氟龙双银同轴电缆，内芯和屏蔽层均镀银处理，损耗小、易焊接、耐高温、超柔软，适用于各种传感器信号的传输。
44.胶封层5进一步采用树脂胶封固化成型结构，通过胶封层5将压电晶片2、阻尼吸声层3及阻抗匹配板4固封于壳体1内。
45.超声波换能器10需符合与其连接的特定超声波探伤检测装置的阻抗匹配和信号衰减要求。如附图6所示，阻抗匹配板4进一步包括电路板41，以及设置于电路板41上的传感器信号输入正极42、传感器信号输入负极43、传感器电缆连接端44及匹配电感45。压电晶片2背面的引线19连接至传感器信号输入正极42及传感器信号输入负极43。匹配电感45并联于传感器信号输入正极42与传感器信号输入负极43之间(即与压电晶片2并联)，如附图8所示。信号传输电缆6连接至传感器电缆连接端44。信号传输电缆6穿过胶封层5上的安装孔后连接至传感器电缆连接端44，信号传输电缆6对外连接至如附图4中所示的超声波信号激励电路18。阻抗匹配板4上还设置有灌封树脂透孔一46及灌封树脂透孔二47。
46.其中，阻抗匹配板4的厚度进一步为0.6～1.0mm，电路板41进一步采用双面阻抗圆型电路板设计。电路板41进一步采用单端阻抗设计，其阻抗值zo为50ohm，板厚为0.8mm，线宽设计为46.69mil。本实施例描述的超声波换能器10，集成了阻抗匹配板4，保证了电路接口的阻抗匹配，接口器件安装和引线更加方便，并有效地减少了信号衰减。
47.如附图7所示，为本实施例所述超声波换能器10在轮式探头上的安装结构示意图。中心架11安装在换能器座9上，换能器座9上还安装有换能器阵列14及第一换能器15，第二
换能器16通过侧座17安装在换能器座9的下部。换能器座9上还安装有第一挡声板12及第二挡声板13，第一挡声板12及第二挡声板13主要起到阻挡超声波的作用，防止超声波信号在轮式探头内部四处反射。
48.钢轨中反射的超声回波返回轮式探头，被超声波换能器10、换能器阵列14、第一换能器15及第二换能器16接收后转化为包含回波信息的电信号，经探轮电缆发送至检测系统中供后续分析处理。轮式探头持续滚动，从而实现对钢轨内部伤损的不间断快速检测。
49.通过实施本实用新型具体实施例描述的超声波换能器的技术方案，能够产生如下技术效果：
50.(1)本实用新型具体实施例描述的超声波换能器，采用壳体与透声层一体化设计，密封性能良好，发射面直接一体成型无需打磨，大大增强了传感器的可靠性和使用寿命；
51.(2)本实用新型具体实施例描述的超声波换能器，采用了阻抗电路板设计，保证电路接口的阻抗匹配，减少了信号衰减；
52.(3)本实用新型具体实施例描述的超声波换能器，接口器件安装和引线更加方便，安装工艺简单，易于组装，独特的结构设计能够很好地匹配轮式探头中的安装位置；
53.(4)本实用新型具体实施例描述的超声波换能器，能够满足长时间在液态超声耦合介质中的防水、防腐蚀要求。
54.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
55.以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制。虽然本实用新型已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本实用新型。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实用新型的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本实用新型技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本实用新型技术方案保护的范围。