超声波双晶片斜探头的设计与制作工艺方法研究
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1985. l . [ 5 ]祁欣, 于国良. 超声波 TR 探头的设计及应用, 传感器技
术, 1999. 1.
— 49 —
超声波探头是实现电信号与声讯号相互转换的器件, 是超 声波探伤装置的重要组成部分, 超声波在传播过程中遇到障碍 时会发生反射、折射、或是波形的转换, 一一对应于各种缺陷, 这 样我们可以利用被接收的波形中看到缺陷的位置、种类以及数 量等等, 本文是作者通过对探头的原理和结构的研究, 总结了如 何进行双晶片斜探头的设计以及其制作的工艺方法。
参考文献
[ 1 ]Edited by J. Szila rd, U ltra son ic T esting N on - conven2 tiona l testing techn iques[M ]. M a teria ls Eva lua tion, V o l. 47. no. 7, 1980, 17—35.
1、探头的工作原理与结构特点 1. 1 探头工作原理 超声波所用的探头, 主要是利用压电效应来制作的, 有些单 晶和多晶陶瓷材料在应力 (压力或张力等) 作用下产生应变时, 晶体中就产生极化或电场, 这种效应成为正压电效应。 相反地, 当晶体处于电场中时, 由于极化作用, 在晶体中就产生应变或应 力, 这种效应称为逆压电效应。正、逆压电效应统称压电效应。当 一个电脉冲作用到探头上时, 探头就发射超声脉冲。 反之, 当一 个超声脉冲作用到探头上时, 探头就产生一个电脉冲。 1. 2 双晶片探头结构特点 1. 2. 1 双晶片探头的基本结构 横波探头通常由声陷阱、透声楔、晶片、阻尼块、电器接插件 和外壳等几部分组成。 如图 1. 1 所示, 在一个探头中有两个晶 片, 分别用做发射和接收超声波, 这两个晶片之间用隔声层隔 开, 这种探头称作双晶片探头。 为了使发射和接收声束有一交 点, 通常两晶片相互有一倾角。
(6) 吸收胶配方与灌溉工艺: 常用的吸收胶配方如下: 钨粉: 环氧树脂: 二乙烯三胺 (硬化 剂) : 邻苯二甲酸二丁脂 (增塑剂) = 35 克: 10 克: 0. 5 克: 1 克。 有人建议钨粉颗粒尺寸应在0. 2—0. 3 毫米以下。为了使吸 收块与晶片牢固地粘接在一起, 在粘接前应用酒精或丙酮仔细 清洗晶片及晶片座表面, 然后将吸收胶加热至 80℃左右再进行 浇灌。灌注后, 应在20℃左右的温度下, 静置12 天。必须待晶片 与透声楔完全粘牢后再灌吸收胶, 否则会因吸收胶固化时的收 缩, 使晶片与透声楔脱开。吸收胶中钨粉含量是按设计要求添加 的。当环氧树脂与钨粉的比例为1: 5 (重量比) 时, 其声阻可达7× 106 公斤 米2 秒。 有些设计采用采用木屑代替钨粉。 (7) 保护膜的制作 在石英片前镀上耐磨铬可防磨, 但镀层厚度不可大于 0. 1 毫米。也有人用含硅的塑料或碳化钨薄层做保护膜。但要注意, 对于后者应尽量减薄保护膜的厚度。有的厂家以塑料为保护膜, 在塑料内加一导电环或喷涂导电层以实现电气联结。 因为这些 塑料薄膜是可拆换的, 所以塑料膜是靠油层耦合的。也可以用环 氧树脂制作保护膜。 如果采用边磨边测试的办法调整环氧树脂 保护膜厚度, 就能做到使透声效果与不存在保护膜一样。 (8) 预测 在粘好晶片后, 应测一次晶片的传输特性, 灌吸收胶后, 再 测一次传输特性, 从而可以判断有脱焊和短线等故障。另外也可 以采用在粘帖晶片之后罐吸收胶之前, 用试块在探伤仪上测试 一下灵敏度, 如果灵敏度很低也说明故障。 3、结论 通过实践证明, 用该方法制作的探头安全可靠, 具有盲区 小、灵敏度高、分辨力强等优点。 该方法也可应用于单晶片探头 设计制作的参考依据。
科技信息
基础理论研讨
超声波双晶片斜探头的设计与制作工艺方法研究
Fra Baidu bibliotek
内蒙古科技大学 任 羽中 王 涛 凌源兴钢建筑安装有限公司 周淑英
[ 摘 要 ]本文作者通过对超声波探头的基本结构和工作原理的分析研究, 以及在实际的应用过程中, 总结了如何进行 超声波双晶片斜探头的设计以及其制作的工艺方法。 [ 关键词 ]超声波 探头 双晶片 压电效应 横波
定的静压力 (如 0. 6—1 公斤 厘米2) , 在一定温度下保持一段时 间 (如20—25℃, 24 小时)。然后在60—80℃温度下烘干6 小时, 最好制作专用夹具以确保粘接质量。 常用粘接剂有环氧树脂, 502 胶等。 常用的环氧树脂的配方是: 618 环氧树脂: 二乙烯三 胺: 邻苯二甲酸二丁脂= 100 克: 80 克: 6 克。晶片的接地电极焊 点是突起的, 再粘接前, 需在有机玻璃透声楔刻上一个凹坑以放 置小焊点, 保护膜与晶片的粘接剂中切忌有气泡存在。 为此, 在 陪胶时将配好的放置一段时间后, 将上面的一层除掉不用是有 益的。
双晶片斜探头的结构图和透声楔图如图 1. 2。
1. 2. 2 特点
— 48 —
由于采用了双晶片, 一收一发, 消除了有机玻璃 钢界面反 射杂波; 又由于始脉冲不能进入接受放大器, 克服了阻塞现象, 结果使探测盲区大为减小, 为了一次波探伤以及发现近表面缺 陷创造了条件。
因为两个晶片的布置对称地有一倾角, 则发射晶片的声场 与接收晶片作发射晶片考虑时的声场必然相交, 形成一个棱形 区 abcd (见图 1. 3)。
显然, 处于棱形区的缺陷, 起反射信号强; 同时, 对于同样大 小的缺陷, 位于棱形区边缘时, 相对弱些。由此可知, 探伤灵敏度 是随缺陷所在深度变化的, 灵敏度先随深度增加而增高, 直至一 个最大值, 然后又随深度增加而下降。这种探伤灵敏度的变化是 双晶片斜探头的特点。 双晶片斜探头的探伤灵敏度是随深度变 化的, 发射晶片和接收晶片两声场声束轴线交点Q 处的灵敏度 最高。因此, 在实际探伤中, 要根据被检工件的厚度, 选取适当的 倾角 Η, 使交点在需探测缺陷的位置附近。Η愈小, 交点距探测面 的深度愈深, 棱形区也愈细长, 有利于探测较厚的工件; Η愈大, 交点距离探测面深度愈小, 棱形区愈粗短, 有利于探测较薄的工 件。
2. 2 探头的制作工艺 1. 晶片的厚度与形状的修整 当现有的晶片厚度与形状不合适时, 可进行适当的修整。如 需切割压电陶瓷晶片时, 可将晶片固定在一个平而硬的金属台 上, 使用高硬度刚刀 (例如钢锯条磨制的刀) , 按刻好的线反复的 刻画, 逐渐刻下所需的形状。如要切割石英晶片, 需用金刚石。如 果晶片不需要的厚, 可以磨薄它。 为此, 需将晶片用石蜡和松香 混合物固定在一个金属棒的平端头上, 然后在铸铁平台上研磨, 可用一碳化六硼磨料加水助磨。 2. 晶片的镀银 先用氢氧化钠或酒精溶液清洗晶片。 然后在马弗炉中烘干 (600℃, 2 小时)。用小刷刷上一层非常薄的银糊 (氧化银100 克, 硼酸铅5 克, 氧化铋1 克, 松香松节油72 克, 松节油12 克, 蓖麻油 10 克) , 要求银层面积符合设计要求, 平整均匀, 无气泡、起皮、 龟裂等。 在 60—80℃温度下烘干。 然后将其放在马弗炉中, 在 800—840℃下焙烧2 小时。而后, 让晶片在马弗卢中随炉子自然 冷却。 也可以依上法再镀一次银层。 (3) 晶片的极化 像钛酸钡这样的晶片, 在镀银时可能使晶片退极化, 如有必 要可进行再极化处理。可设置一个装满变压器油的油槽, 将晶片 放置在安置于油槽底部的金属电极上, 另外一个电极加在晶片 上表面。在一定的电场强度和温度下使晶片极化。然后在保持电 场不变的条件下, 使油慢慢的冷却。极化过程中要注意防止油着 火和晶片击穿。外加电压突然降低, 就意味着晶片击穿了。油温 和极化电场强度随晶片的种类不同而不同。 通常镐钛酸铅类及 三元系压电陶瓷类晶片的极化条件可选为: 极化电场: 3—5 千伏 毫米 极化温度: 120—150℃ 极化时间: 20—60 分钟 (4) 焊接晶片电极引线时, 必须使用低熔点焊料, 以避免在 焊接过程中过热使晶片退极化。 用下面的配方制成的焊料其熔 点为 70℃左右: 锡 9. 5%、铅 45. 2%、铋 45. 3% 焊接时, 动作要 快, 要使用小瓦数 (如 25 瓦) 烙铁, 焊点要小而圆, 要防止虚焊。 通常晶片的非接地极焊在晶片的正中央, 而接地极焊在晶片的 边缘某一部分, 或焊在侧面上 (如果焊在侧面上, 侧面需镀银)。 焊接完毕后, 要用酒精清洗掉多余的焊药 (如松香等)。 (5) 晶片的粘接 在一些设计中, 晶片与透声楔、晶片与有机玻璃延迟块、晶 片与保护膜之间是用树脂粘接的。 粘接前应先用汽油后用酒精 等洗净晶片, 然后用适量粘接剂将晶片与透声楔等物粘合, 加一
2、双晶片斜探头的设计 2. 1 设计事项 (1) 折射角 (或入射角) 横波探头的入射角一般都在第一临 界角和第二临界角之间。为了获得一定的折射角, 需要按照其理 论公式, 根据采用有机玻璃以及被检测材料的声速计算相应的 纵波入射角。 横波探头的常用折射角为 40°、45°、50°、60°、70°、 80°。 (2) 探头频率 频率的高低是影响定量可靠性的重要因素, 频率高灵敏度和分辨率高, 指向性好。 横波探头常用的频率是 1125- 215 兆赫, 也有采用5 兆赫的。随着频率的降低, 探头的尺 寸相应的增大, 否则就不能保证有的指向性和提供足够尺寸的 声陷阱。 (3) 透声楔尺寸和形状 设计横波探头时, 选择合适的长度 和高度是必要的。 设法使经过多次反射的声波不能返回到晶片
[ 2 ]李克明等.《超声波探伤》[M ]. 北京: 水利电力出版社, 1980, 75—98, 195- 196, 187—192.
[ 3 ] 李家伟. 无损检测手册 [M ]. 北京: 机械工业出版社, 2002, 179, 199, 245.
[ 4《] 声波探伤》编写组编著: 超声波探伤. 水利电力出版社,
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基础理论研讨
上来是设计的原则。 因此, 探头入射点至探头最前端的距离, 应 大到足以使晶片上边缘发射声波, 不会经前臂与底面形成两面 角反射回来。也要注意使晶片下边缘发射声波, 经透声楔反射后 不会回到晶片的上边缘, 见图 (2. 1)。因此不同折射角的探头, 透 声楔的尺寸和形状是不一样的, 特别是设计横波探头时值得注 意的问题。
术, 1999. 1.
— 49 —
超声波探头是实现电信号与声讯号相互转换的器件, 是超 声波探伤装置的重要组成部分, 超声波在传播过程中遇到障碍 时会发生反射、折射、或是波形的转换, 一一对应于各种缺陷, 这 样我们可以利用被接收的波形中看到缺陷的位置、种类以及数 量等等, 本文是作者通过对探头的原理和结构的研究, 总结了如 何进行双晶片斜探头的设计以及其制作的工艺方法。
参考文献
[ 1 ]Edited by J. Szila rd, U ltra son ic T esting N on - conven2 tiona l testing techn iques[M ]. M a teria ls Eva lua tion, V o l. 47. no. 7, 1980, 17—35.
1、探头的工作原理与结构特点 1. 1 探头工作原理 超声波所用的探头, 主要是利用压电效应来制作的, 有些单 晶和多晶陶瓷材料在应力 (压力或张力等) 作用下产生应变时, 晶体中就产生极化或电场, 这种效应成为正压电效应。 相反地, 当晶体处于电场中时, 由于极化作用, 在晶体中就产生应变或应 力, 这种效应称为逆压电效应。正、逆压电效应统称压电效应。当 一个电脉冲作用到探头上时, 探头就发射超声脉冲。 反之, 当一 个超声脉冲作用到探头上时, 探头就产生一个电脉冲。 1. 2 双晶片探头结构特点 1. 2. 1 双晶片探头的基本结构 横波探头通常由声陷阱、透声楔、晶片、阻尼块、电器接插件 和外壳等几部分组成。 如图 1. 1 所示, 在一个探头中有两个晶 片, 分别用做发射和接收超声波, 这两个晶片之间用隔声层隔 开, 这种探头称作双晶片探头。 为了使发射和接收声束有一交 点, 通常两晶片相互有一倾角。
(6) 吸收胶配方与灌溉工艺: 常用的吸收胶配方如下: 钨粉: 环氧树脂: 二乙烯三胺 (硬化 剂) : 邻苯二甲酸二丁脂 (增塑剂) = 35 克: 10 克: 0. 5 克: 1 克。 有人建议钨粉颗粒尺寸应在0. 2—0. 3 毫米以下。为了使吸 收块与晶片牢固地粘接在一起, 在粘接前应用酒精或丙酮仔细 清洗晶片及晶片座表面, 然后将吸收胶加热至 80℃左右再进行 浇灌。灌注后, 应在20℃左右的温度下, 静置12 天。必须待晶片 与透声楔完全粘牢后再灌吸收胶, 否则会因吸收胶固化时的收 缩, 使晶片与透声楔脱开。吸收胶中钨粉含量是按设计要求添加 的。当环氧树脂与钨粉的比例为1: 5 (重量比) 时, 其声阻可达7× 106 公斤 米2 秒。 有些设计采用采用木屑代替钨粉。 (7) 保护膜的制作 在石英片前镀上耐磨铬可防磨, 但镀层厚度不可大于 0. 1 毫米。也有人用含硅的塑料或碳化钨薄层做保护膜。但要注意, 对于后者应尽量减薄保护膜的厚度。有的厂家以塑料为保护膜, 在塑料内加一导电环或喷涂导电层以实现电气联结。 因为这些 塑料薄膜是可拆换的, 所以塑料膜是靠油层耦合的。也可以用环 氧树脂制作保护膜。 如果采用边磨边测试的办法调整环氧树脂 保护膜厚度, 就能做到使透声效果与不存在保护膜一样。 (8) 预测 在粘好晶片后, 应测一次晶片的传输特性, 灌吸收胶后, 再 测一次传输特性, 从而可以判断有脱焊和短线等故障。另外也可 以采用在粘帖晶片之后罐吸收胶之前, 用试块在探伤仪上测试 一下灵敏度, 如果灵敏度很低也说明故障。 3、结论 通过实践证明, 用该方法制作的探头安全可靠, 具有盲区 小、灵敏度高、分辨力强等优点。 该方法也可应用于单晶片探头 设计制作的参考依据。
科技信息
基础理论研讨
超声波双晶片斜探头的设计与制作工艺方法研究
Fra Baidu bibliotek
内蒙古科技大学 任 羽中 王 涛 凌源兴钢建筑安装有限公司 周淑英
[ 摘 要 ]本文作者通过对超声波探头的基本结构和工作原理的分析研究, 以及在实际的应用过程中, 总结了如何进行 超声波双晶片斜探头的设计以及其制作的工艺方法。 [ 关键词 ]超声波 探头 双晶片 压电效应 横波
定的静压力 (如 0. 6—1 公斤 厘米2) , 在一定温度下保持一段时 间 (如20—25℃, 24 小时)。然后在60—80℃温度下烘干6 小时, 最好制作专用夹具以确保粘接质量。 常用粘接剂有环氧树脂, 502 胶等。 常用的环氧树脂的配方是: 618 环氧树脂: 二乙烯三 胺: 邻苯二甲酸二丁脂= 100 克: 80 克: 6 克。晶片的接地电极焊 点是突起的, 再粘接前, 需在有机玻璃透声楔刻上一个凹坑以放 置小焊点, 保护膜与晶片的粘接剂中切忌有气泡存在。 为此, 在 陪胶时将配好的放置一段时间后, 将上面的一层除掉不用是有 益的。
双晶片斜探头的结构图和透声楔图如图 1. 2。
1. 2. 2 特点
— 48 —
由于采用了双晶片, 一收一发, 消除了有机玻璃 钢界面反 射杂波; 又由于始脉冲不能进入接受放大器, 克服了阻塞现象, 结果使探测盲区大为减小, 为了一次波探伤以及发现近表面缺 陷创造了条件。
因为两个晶片的布置对称地有一倾角, 则发射晶片的声场 与接收晶片作发射晶片考虑时的声场必然相交, 形成一个棱形 区 abcd (见图 1. 3)。
显然, 处于棱形区的缺陷, 起反射信号强; 同时, 对于同样大 小的缺陷, 位于棱形区边缘时, 相对弱些。由此可知, 探伤灵敏度 是随缺陷所在深度变化的, 灵敏度先随深度增加而增高, 直至一 个最大值, 然后又随深度增加而下降。这种探伤灵敏度的变化是 双晶片斜探头的特点。 双晶片斜探头的探伤灵敏度是随深度变 化的, 发射晶片和接收晶片两声场声束轴线交点Q 处的灵敏度 最高。因此, 在实际探伤中, 要根据被检工件的厚度, 选取适当的 倾角 Η, 使交点在需探测缺陷的位置附近。Η愈小, 交点距探测面 的深度愈深, 棱形区也愈细长, 有利于探测较厚的工件; Η愈大, 交点距离探测面深度愈小, 棱形区愈粗短, 有利于探测较薄的工 件。
2. 2 探头的制作工艺 1. 晶片的厚度与形状的修整 当现有的晶片厚度与形状不合适时, 可进行适当的修整。如 需切割压电陶瓷晶片时, 可将晶片固定在一个平而硬的金属台 上, 使用高硬度刚刀 (例如钢锯条磨制的刀) , 按刻好的线反复的 刻画, 逐渐刻下所需的形状。如要切割石英晶片, 需用金刚石。如 果晶片不需要的厚, 可以磨薄它。 为此, 需将晶片用石蜡和松香 混合物固定在一个金属棒的平端头上, 然后在铸铁平台上研磨, 可用一碳化六硼磨料加水助磨。 2. 晶片的镀银 先用氢氧化钠或酒精溶液清洗晶片。 然后在马弗炉中烘干 (600℃, 2 小时)。用小刷刷上一层非常薄的银糊 (氧化银100 克, 硼酸铅5 克, 氧化铋1 克, 松香松节油72 克, 松节油12 克, 蓖麻油 10 克) , 要求银层面积符合设计要求, 平整均匀, 无气泡、起皮、 龟裂等。 在 60—80℃温度下烘干。 然后将其放在马弗炉中, 在 800—840℃下焙烧2 小时。而后, 让晶片在马弗卢中随炉子自然 冷却。 也可以依上法再镀一次银层。 (3) 晶片的极化 像钛酸钡这样的晶片, 在镀银时可能使晶片退极化, 如有必 要可进行再极化处理。可设置一个装满变压器油的油槽, 将晶片 放置在安置于油槽底部的金属电极上, 另外一个电极加在晶片 上表面。在一定的电场强度和温度下使晶片极化。然后在保持电 场不变的条件下, 使油慢慢的冷却。极化过程中要注意防止油着 火和晶片击穿。外加电压突然降低, 就意味着晶片击穿了。油温 和极化电场强度随晶片的种类不同而不同。 通常镐钛酸铅类及 三元系压电陶瓷类晶片的极化条件可选为: 极化电场: 3—5 千伏 毫米 极化温度: 120—150℃ 极化时间: 20—60 分钟 (4) 焊接晶片电极引线时, 必须使用低熔点焊料, 以避免在 焊接过程中过热使晶片退极化。 用下面的配方制成的焊料其熔 点为 70℃左右: 锡 9. 5%、铅 45. 2%、铋 45. 3% 焊接时, 动作要 快, 要使用小瓦数 (如 25 瓦) 烙铁, 焊点要小而圆, 要防止虚焊。 通常晶片的非接地极焊在晶片的正中央, 而接地极焊在晶片的 边缘某一部分, 或焊在侧面上 (如果焊在侧面上, 侧面需镀银)。 焊接完毕后, 要用酒精清洗掉多余的焊药 (如松香等)。 (5) 晶片的粘接 在一些设计中, 晶片与透声楔、晶片与有机玻璃延迟块、晶 片与保护膜之间是用树脂粘接的。 粘接前应先用汽油后用酒精 等洗净晶片, 然后用适量粘接剂将晶片与透声楔等物粘合, 加一
2、双晶片斜探头的设计 2. 1 设计事项 (1) 折射角 (或入射角) 横波探头的入射角一般都在第一临 界角和第二临界角之间。为了获得一定的折射角, 需要按照其理 论公式, 根据采用有机玻璃以及被检测材料的声速计算相应的 纵波入射角。 横波探头的常用折射角为 40°、45°、50°、60°、70°、 80°。 (2) 探头频率 频率的高低是影响定量可靠性的重要因素, 频率高灵敏度和分辨率高, 指向性好。 横波探头常用的频率是 1125- 215 兆赫, 也有采用5 兆赫的。随着频率的降低, 探头的尺 寸相应的增大, 否则就不能保证有的指向性和提供足够尺寸的 声陷阱。 (3) 透声楔尺寸和形状 设计横波探头时, 选择合适的长度 和高度是必要的。 设法使经过多次反射的声波不能返回到晶片
[ 2 ]李克明等.《超声波探伤》[M ]. 北京: 水利电力出版社, 1980, 75—98, 195- 196, 187—192.
[ 3 ] 李家伟. 无损检测手册 [M ]. 北京: 机械工业出版社, 2002, 179, 199, 245.
[ 4《] 声波探伤》编写组编著: 超声波探伤. 水利电力出版社,
科技信息
基础理论研讨
上来是设计的原则。 因此, 探头入射点至探头最前端的距离, 应 大到足以使晶片上边缘发射声波, 不会经前臂与底面形成两面 角反射回来。也要注意使晶片下边缘发射声波, 经透声楔反射后 不会回到晶片的上边缘, 见图 (2. 1)。因此不同折射角的探头, 透 声楔的尺寸和形状是不一样的, 特别是设计横波探头时值得注 意的问题。