[发明专利]线性超声相控阵换能器

说明书

一、技术领域

本发明涉及的是一种用于检测的超声换能器，具体地说是接触式线性平面超声相控阵换能器。

二、背景技术

国内在超声相控阵技术方面的研究开始较晚，和国外相比，国内在超声相控阵无损检测方面的研究比较落后，设计和制作经验不丰富，这些都阻碍了超声相控阵检测技术的应用和发展。超声相控阵换能器是超声相控阵检测系统的关键部分，超声信号的发射和接收都是由超声相控阵换能器来完成的，其性能直接影响着检测系统的发射和接收性能。

超声相控阵换能器按其阵列结构的不同，超声相控阵换能器可分为线阵、面阵、环阵等类型，线性超声相控阵换能器由于结构简单、聚焦算法简单等优点，广泛应用在工业无损检测领域。

线性超声相控阵换能器的性能主要取决于设计方法和制造工艺。为了获得良好的声学性能，要求相控阵换能器的几何设计尺寸很小，这就给换能器的加工精度和制造工艺带来了困难，具体表现在以下几个方面：

1)压电陶瓷材料脆而硬，当换能器阵元的几何尺寸在1mm或更小的数量级时，加工高精度、微小尺寸的压电陶瓷材料成为一个难题。

2)超声相控阵换能器由多个阵元组成，当阵元间距在1mm甚至更小时，通过何种方法使得阵元独立振动而不相互干扰是研究的一个关键问题。

3)超声相控阵换能器各个阵元的信号线中电信号的相互干扰对检测信号的质量影响很大，当阵元数量很多时，如大规模超声相控阵换能器的阵元数已经达到1024甚至更多，信号线的屏蔽去耦问题也是一个影响检测质量的关键因素。

在制造水平允许的条件下，合理的设计换能器参数对于制作符合检测要求的超声相控阵换能器也是非常重要的。在超声相控阵换能器的设计方面，主要问题是如何通过优化换能器的设计参数来获得无栅瓣、低旁瓣级、灵敏度高、噪声低等优良性能。超声相控阵的设计参数主要包括阵元数、阵元宽度、阵元间距和阵元高度，如果这些参数选择不合理，会影响到换能器的性能。

三、发明内容

本发明的目的是提供线性平面超声相控阵换能器的设计方法和制作方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种接触式用于金属检测的线性超声相控阵换能器，所述换能器的中心频率为1.5MHz，由16个窄矩形阵元组成；所述换能器的结构形式包括：一层压电晶体、一层匹配层、背衬和电极制作而成。在换能器的设计过程中，根据换能器的中心频率确定压电晶体的厚度；从接收灵敏度考虑确定背衬的厚度；阵列换能器的几何参数，阵元宽度和阵元间距利用多目标优化方法确定最优解；阵元高度采用空间脉冲响应方法确定最优范围；在换能器的制作过程中，压电陶瓷上表面和侧面镀银，一整块压电陶瓷下表面与电极铜粘帖后，在铜片的另一侧制作背衬；然后在专用陶瓷切割设备上采用多次切割方法进行加工；最后在阵元之间加硅橡胶，在压电陶瓷上表面制作匹配层进行封装。

由于本发明采用以上的技术方案，能够制作出性能较好的线性平面超声相控阵换能器，不仅提高了制作工艺的精度，而且提高了波束聚焦特性。

四、附图说明

图1是线性平面超声相控阵换能器组成部分；

图2是声速随背衬层厚度的变化粘贴铜片的陶瓷；

图3是线性超声相控阵换能器结构；

图4是偏转方向归一化声压；

图5是阵元高度对相控阵发射聚焦声压的影响；

图6是16阵元相控阵换能器剖面图；

图7是橡胶球加压示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图和表举例对本发明作更详细的描述：

本发明所述的超声相控阵换能器是对钢材进行检测，最大检测距离为50cm。对金属的检测频率一般为1MHz-7.5MHz，综合考虑检测距离和晶片的加工能力，最终选择晶片的中心频率为1.5MHz；阵元数增大，虽然能够改变波束特性，但是会增加硬件系统的复杂程度，因此所述的超声相控阵换能器的阵元数为16。

结合图1，所述的线性超声相控阵换能器的组成包括：压电晶体、匹配层、背衬和电极；所述的压电晶体由PZT-5H型压电陶瓷材料构成；环氧树脂作为匹配层；在环氧树脂中添加不同颗粒大小钨粉的比例来制作背衬；所述的电极由铜片和压电陶瓷表面和侧面的银层构成。

根据公式

δ＝N_T/f                        (1)

其中N_T为频率常数，单位为MHz·mm，f为换能器的中心频率，δ为压电晶片的厚度。由于PZT-5H的厚度常数为1.89MHz·mm，压电陶瓷的厚度δ＝1.89/1.5＝1.26mm。