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超声波无损检测技术工艺 第二章 超声换能器
§2.2 压电换能器
§2.2.4超声检测用压电换能器的种类,结构,设计与制作工艺的考虑因素
一.超声检测技术中常用压电换能器的种类
在超声检测技术中应用的压电换能器是多种多样的,但最广泛应用的是厚度振动型的压电换能器(俗称探头),
它受激励而产生的超声波是纵波,然后可以利用超声波的折射特性,通过适当的方法实现波型转换,把纵波转换
成其他所需要的波型用于检测.此外,根据激发超声波的工作频谱,可以把探头分为宽频带(窄脉冲)探头(可窄至
一周半)和窄频带脉冲探头,前者主要用于要求具有较高分辨力的超声检测,而后者则主要用于如穿透法,谐振
法,声振法等的超声检测.
在实际应用中,最常见的是根据探头的用途和结构特点来分类,大致上有:
1.普通直探头:由单块压电晶片兼并发射与接收功能而制成的探头,其晶片多为圆形薄片,还可分为液浸法检测
用的和直接接触法用的探头
2.普通斜探头:由单块压电晶片兼并发射与接收功能,其晶片多为圆形,方形和矩形薄片.其上配有斜楔以改变晶
片受激产生的纵波在界面上的入射角,利用超声波的折射特性产生波型转换,从而在检测介质中激发出所需要
的波型.它主要用于直接接触法检测,根据所激发波型的不同,可以分为:
(1)横波探头:用于对工件内部及表面缺陷的横波检测,例如检测焊缝
(2)瑞利波（表面波）探头:用于对具有光洁表面的工件的表面缺陷检测,例如检测叶片表面裂纹
(3)板波(兰姆波)探头:用于薄板检测
(4)爬波探头:用于粗糙表面工件的近表面缺陷检测
(5)可变角探头:可调整纵波入射角以探索适当波型超声波的激发条件以及调整超声波在被检介质中的折射角
度
此外还有如纵波斜探头及各种适应不同工件需要的专用探头.
3.组合双晶探头:由两块晶片分别发射和接收超声波,晶片形状有两块半圆形(分割式),两块方形或两块矩形等.
探头上配有延迟块,用以小范围改变纵波入射角以调节超声波进入工件的状态,而且起到延迟阻塞时间,抑制近
场干扰等作用,从而显著提高检测的近表面分辨力.两块晶片之间还配置了隔声层以阻隔入射界面上产生的直
通波和屏蔽感应电场的干扰(即起到电声屏蔽的作用).按照产生的波型和结构形式,可以分为:
(1)组合双晶直探头:包括液浸法检测与直接接触法检测应用的探头,尤其以后者为常用.全部元件组合在一个整
体之内,在工件中激励的是纵波-在被检介质中是以折射纵波进行检测的。
(2)组合双晶斜探头:用于直接接触法,全部元件(包括斜楔)组合在一个整体内,主要用于在工件中激励横波或瑞
利波进行检测。
(3)骑马式组合双晶探头:两块晶片分别安置在一个马鞍形的座块两侧,在工件中激励纵波,同时也兼有横波与瑞
利波成分,可进行综合波型检测,特别适合于小直径棒材的检测
4.聚焦探头:利用声透镜原理或直接烧结而成的曲面形压电晶片,使激励的超声波束能汇聚成细长(或扁长)形状,
有利于声能高度集中,从而明显提高穿透性,指向性和分辨率以及信噪比。聚焦探头的种类很多,主要有:
(1)接触法聚焦直探头
(2)液浸法聚焦直探头
(3)接触法聚焦斜探头
(4)接触法组合双晶聚焦斜探头
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(5)接触法可变角聚焦斜探头
(6)阵列聚焦探头
......等等
此外,根据聚焦声束的形状,又可将聚焦探头分为点聚焦,线聚焦,以及特殊的长焦柱等类型.
5.其他特殊(专用)探头:随着工业生产的发展,为适应各种不同工件的检测需要,还发展了许多特种探头,它们各
自有其特殊的应用场合,如:
(1)超声测厚探头:包括常温,中温,高温状态下使用的,接触法或液浸法使用的,不同分辨率的各种测厚探头
(2)轮式超声探头:可用于自动或半自动的钢板检测等
(3)检测铁路钢轨的超声探头
(4)检测工件内孔的超声探头:深入工件孔内进行检测
(5)从轴类、螺栓等端面进行检测的小角度纵波斜入射探头
(6)用于高温条件下检测的超声探头
(7)冲击波探头:产生冲击波进行检测
(8)用于特殊部位的反射镜式探头:利用声反射镜改变超声束的投射方向
(9)电磁超声探头
(10)混凝土检测用探头
(11)窄脉冲(高阻尼)探头:可获得特别高的分辨力
(12)与计算机配合的相控阵探头或动态聚焦阵列探头
(13)可变焦距的阵列探头
......等等。
随着科学技术水平的不断提高,为适应工业生产应用需求的超声探头品种还将日益增多,例如国外已出现将前
置放大器组合到探头内以提高检测信号的输出能量,用于长距离检测,以及适应数字化检测需要等,而且也必然
还会有更多更好的专用或特殊应用的超声探头出现.
二.常见的超声检测换能器
1.普通直探头:普通直探头俗称平探头或平直探头，其基本结构如图2.20所示.
(1)压电晶片:压电晶片的功能是发射与接收超声波,它是以厚度
振动模式振动,激发出纵波.在设计探头时,除了考虑选择适当的
压电材料外,还要考虑到压电晶片的尺寸与下述因素有关:
谐振频率:在谐振状态下可以获得最大的输出功率,主要由压电
晶片的厚度来确定,这可以根据压电材料的频率常数(或声速),
预定的中心频率来计算.但是,还必须考虑到压电晶片与吸收块
(阻尼块),保护膜粘贴在一起后,由于阻尼的原因而会使原定的
谐振频率降低,在超声探头生产厂的经验数字是提高0.3左右的
预置晶片厚度,例如5MHz的探头晶片选用6.5MHz的晶片厚度
(大约值).
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图2.20 普通直探头基本结构示意图指向性:通常选择晶片的直径或边长为传声介质中超声波波长
的5-8倍以获得较好的指向性,在一定波长条件下,晶片直径越
大,指向性越好,其近似关系有:
θ0=70(λ/D) 或θ=arcsin1.22(λ/D) (圆形晶片,D-直径)
θ0=57(λ/D) (方形晶片,D-边长)
以及:θ-3dB=29(λ/D) (圆形晶片), θ-3dB=25(λ/D) (方形晶片)
θ-6dB=arcsin0.51(λ/D) (圆形晶片)
式中:θ0为超声长的半扩散角(指向角,零扩散角),λ为传声介质中超声波的波长,D为晶片直径或边长,θ-3dB为
偏离声轴的某点声压,比声轴线上相应点的声压低3dB时的半扩散角,θ-6dB为偏离声轴的某点声压,比声轴线上相应点的声压低6dB时的半扩散角,见图2.21。
图2.21 压电晶片指向性与近场示意图 近场长度(声压分布不均匀区):这是因为压电晶片激发出的超
声波在传声介质中开始传播的一段距离内,声压的分布是不均
匀的,有多个极大值和极小值出现,达到一定距离时,声压呈现最
后一个最大值,以后即按一定的指数规律单调下降,我们把声轴
线上最后一个声压极大值之前的一段范围称为近场区,该近场
区的长度有以下关系式: N=(D2-λ2)/4λ
这是根据连续波理论得出的理论公式,而实际上应用的脉冲波
的N值约为该理论值的0.7倍.但是我们仍然可以看出,近场长度
与晶片直径和涉及的波长有关.
应当注意的是:在压电换能器上,压电晶片是粘贴有吸收块和保
护膜的,特别是为了抑制径向振动干扰,在压电晶片的边缘也会
灌注有吸收材料,因此压电晶片在作厚度振动时,其有效振动面
积的直径是小于晶片名义直径的,称为有效晶片直径,对普通直
探头来说,有效晶片直径约为晶片名义直径的0.97倍.
近场长度示意图见图2.21。
在实际制作压电换能器时,可以直接购买已经商品化的压电晶片,若需要改变压电晶片的尺寸规格时,对单晶材
料可使用金刚石刀具(如玻璃刀)进行切割,对于压电陶瓷材料还可以使用锋利的钢刀进行切割.若要修磨厚度
时,可使用研磨膏在平台上进行修磨(例如长度计量器具检修用的平台),要特别注意修磨面的平整均匀,否则激
发出的超声波的波形与波束会发生畸变.此外,修磨过的压电晶片一般都需要重新涂复电极.
压电晶片的处理工艺主要涉及以下四个方面:
[1]压电晶片上电极的涂复:
压电晶体是电介质,需要在与厚度方向垂直的两端面涂复电极才能施加电场,用以激发超声振动.涂复的电极层
要求薄而均匀,与压电晶片粘结牢固,电极面要平整光滑,而且上下两个电极面要保持平行.
涂敷电极的方法可采用烧渗银法,沉铜法以及化学沉银法,真空镀膜法,用导电胶粘贴金属箔等等.下面仅介绍前
面两个比较简单的普通方法:
烧渗银法:用无水乙醇江压电晶片擦洗干净并干燥后,将配好的银浆涂于晶片两个端面上(不能短路),经烤干(可
用红外线灯辐照),再放入烘箱中以100℃/小时的速度升温至600℃左右,保温半小时,然后自然降温(随炉冷却).一
次涂层厚度不够时,可重复进行第二次涂敷(但要注意:电极层太厚将会影响晶片原有的谐振频率,太薄则影响结
合强度和焊接电极引线).
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银浆配方:
氧化银(Ag2O)--重量比为50份或重量100克 氧化铋(Bi2O3)--重量比为0.5份或重量1克
硼酸铅[Pb(BO2)2H2OPbO・3B2O3]--重量比为2.5份或重量5克 松香松节油(重量比3:7)--重量比为36份或重量
72克
松节油--重量比为6份或重量12克 蓖麻子油--重量比为6份或重量10克
银浆配制方法:把额定的松香松节油用水浴法以缓慢加热使其融化(注意易燃),把以上各原料按配方称好放入,
置于球磨罐(钢,瓷或玻璃器皿)中研磨120小时进行细化并搅拌均匀,磨毕装入瓶中密闭保存,用前应搅拌均匀.
沉铜法:把清洗干净的晶片放入氢氟酸(HF)中腐蚀1分钟,取出并用水冲净,放入10%氯化锡溶液中浸润两分钟,取
出并用流水冲净,然后放入2%硝酸银溶液中浸润两分钟,取出并在100℃左右烘干,再放入沉铜液中沉铜15分钟,
取出用流水冲净,最后采用电镀法加厚,再抛光即成.
沉铜液为原液1000:(5-7)促进剂搅拌均匀混和后使用,原液配方为:
硫酸铜(CuSO4・7H2O)--150克 氢氧化钠(NaOH)--300克 丙三醇(甘油)--0.24克 水--1升
将硫酸铜先溶入500毫升水中,加热使充分溶化,冷却至室温,加入甘油搅拌即成甘油铜,将氢氧化钠溶于500毫升
水中,在30-40℃下把甘油铜与氢氧化钠溶液混和均孕(注意防止沉淀).
促进剂为浓度36%的甲醛溶液.
采用沉铜法在晶片上得到铜电极(晶片边缘要刮除铜层以免短路),铜的比重较大,这种电极对晶片谐振频率的
影响要比银电极为大.
当采用烧渗银法涂复电极时,由于其过程中有加热工序,对已经极化处理的压电晶片也会产生去极化效果,故采
用这种方法涂敷电极的压电晶片需重新进行极化处理.下面以锆钛酸铅(PZT)晶片的极化处理为例:
极化温度:将晶片放入硅油中加热到140℃左右 极化电压:每毫米晶片厚度采用2-3千伏的直流电压
极化时间:在上述条件下保持10分钟,然后撤去电压并降温
或者在120-150℃下使用直流3-5KV/mm晶片厚度持续20-60分钟,然后撤去电压并降温.
沉铜法的过程中也有热烘干工序,故必要时也应考虑重新对晶片进行极化处理.
在极化处理时采用的是直流电压,故被极化的晶片有正负极,有些商品化的压电晶片上有特殊标记注明.在目前
情况下,这种极性的存在与换能器在交变信号电压作用下的工作状态有何关系尚不清楚,一般在制作换能器时
对正负极引线方法是没有什么要求的,但是对于大功率低频换能器,则有时会提出要求,因为其表现在灵敏度上
有不同,可能与极化后晶体排列状态相关.有些换能器制造厂是将晶片极化处理时的负极用于接地,正极用于连
接发射信号电压,他们认为,若正负极反接时,对换能器的灵敏度有一定影响,并且有可能在交变电压作用下会有
一定的去极化趋势而影响晶片的老化时间(即寿命缩短),但是这些观点尚无明确的试验分析结论证实.
[2]压电晶片电极引线的焊接:
压电晶片安置在换能器壳体中,通常将晶片底面接地线,晶片上面接发射电路.
电极引线通常使用直径Φ0.2mm左右的细铜线,使用小功率(20W左右)的内热式电烙铁较好,将烙铁头磨成尖圆
锥形以减少晶片在焊接时的受热面积,也便于焊成尽可能小的焊接点,以免影响晶片的谐振状态.焊接引线前,应
先用无水乙醇将晶片上焊接电极引线的部位清洗干净并干燥,使用松香为焊剂(一般的焊膏含有腐蚀性成分),
首先把引线头部用细砂纸(如金相砂纸)打光并吃锡,然后进行焊接.焊接速度要尽可能快并注意散热(当然必须
焊牢),以免因热效应的影响造成晶片上局部去极化或者使电极面受到破坏.焊点应尽量小但要牢固,不能虚焊,
上下两焊点的焊接面积与体积最好近似一致.焊后再用无水乙醇清洗晶片上多余的焊剂.注意焊后两极不能有
短路,焊点位置最好紧靠晶片边沿.焊点的大小与位置对晶片的谐振状态及发射声场形状会否发生畸变有很大
的影响,必须予以高度重视.图2.22示出常见的几种焊点位置.
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