[发明专利]一种用于金属材料检测的超声相控线阵换能器及制作方法

说明书

 所属技术领域

本发明属于金属材料损伤检测领域，具体涉及一种用于超声相控阵扫描成像装置的线阵换能器技术。

背景技术

超声相控阵损伤检测技术始于20世纪60年代，由美国Conoco公司的Crawford等人率先提出^[1]，他们利用超声相控阵技术控制声束检测管道中缺陷，但是直到90年代，由于相关技术与理论的发展未能足以将此思想形成到一定的技术平台，该技术还仅局限于实验室，尚未引起人们的注意。随着计算机技术的发展和信号处理技术的运用^[2]，超声相控阵技术逐渐成为超声检测技术领域中一个新的技术热点。超声相控阵技术在早期主要应用于医疗领域^[3]，如医学超声成像，一方面是由于超声波在医学应用中频率高（通常为5-10 MHz），波长短，能量较大，采用相控延时可聚焦成很细的定位声束，完全可抵达人体内部深处，另一方面，人体组织里只有骨骼能够传播横波，因此，医学超声应用基本采用纵波，易通过获得的反映组织信息实现超声成像，人体组织声阻抗相差不大，可利用不同组织间声阻抗差异来形成声波的反射、散射来识别不同软组织及各器官的形态与性质。

上世纪90年代以前，由于缺乏对多晶片探头进行快速激发所需的计算能力以及处理扫查产生的大量数据文件进行处理的能力，且对超声相控阵相关的理论研究和实践探索还不够透彻，一些关键的数字控制和信号处理技术尚未突破等，尚未形成足以支持数字化高性能超声相控阵对结构损伤检测系统研发的综合技术基础，因此，该技术在工业无损检测中的应用受限。1998年，相关文献报道了表面波及板波的专用相控阵换能器^[4]，2000年以来，超声相控阵检测技术在国外得到了一定的发展并已开始应用于工业检测中，在超声相控阵检测中的金属焊缝检测方面形成了专利^[5,6]，专利[5]中采用相控阵斜探头进行了单一方向的相控聚焦，专利[6]中采用转换开关激励多个驱动器形成阵列来监测金属焊缝缺陷，相关的研究涉及航空工业及核工业领域，如对汽轮机叶片根部和涡轮圆盘的相控阵检测^[7]，核电站和航空材料的相控阵检测等^[8]。2005年，加拿大的R/D TECH公司推出了商用超声相控阵扫描检测仪，其超声相控阵探头采用普通压电陶瓷线性阵列，容纳晶片60个，扫查角度配置为40°～70°，该仪器已经获得美国通用航空公司的认定；法国原子能委员会CAE研制了一套基于VXI总线的相控阵扫描聚焦系统，该系统可与多个常规阵列换能器相连^[9]。在超声相控阵检测技术发展的同时，相控阵换能器性能的改进也得到了提高，2009年，美国的J.Ritter等采用压电复合晶体组成16阵元的线性阵列换能器，扫查角度范围为0°到70°，但这种换能器仅对铁介质检测较敏感^[10]。同时，美国麻省理工大学的无损评价实验室成功地研制了用于混凝土评价的相控阵超声扫描装置，该装置可以初步探测出混凝土中钢筋的位置和走向，使得该技术的研究范围进一步扩大，但当时也仅用于检测最大粒径16mm的混凝土中较大尺度的损伤(20 mm×10 mm)缺陷^[11]。2011年，美国、日本等国开始将超声相控阵检测技术应用于复杂焊接件损伤成像和光测成像中^[12-14]。近年来，国外一些知名公司推出了便携式的相控阵仪器，可以实现现场动态波束控制、电子扫描和实时成像等功能^[15-17]，如R-D tech、GE、Siemens公司等。超声相控阵检测领域逐步扩大。在超声相控阵检测技术诸多应用中，如能够使超声相控阵驱动器具备正交各向异性性能，预计将会更有效提高激发对信噪比，如能够预设精细可控强度信号补偿机制等措施，相控阵驱动器的抗干扰性能、检测精度的改进等，诸项功能的实现将对超声相控阵成像分辨率有着重要的影响。