一种大功率四晶一体超声波换能器.pdf

本发明中的大功率四晶一体超声波换能器，采用频率为20KHZ～200KHZ的超声波，增加了换能元件，考虑了换能器中元件之间相互匹配优化问题，对应每个晶片都配有各自独立的耦合装置，相互间由隔音层进行隔离，极大降低了晶片间的串扰影响，可满足大功率测量的要求，特别适用于类似混凝土等声阻较大的非金属材料的超声检测；通过一体化驱动电路，实现对换能装置工作模式的选择和转换，能满足超声检测过程中的适应性要求，可根据不同的被测材料，选择相应的工作模式。

1.  一种大功率四晶一体超声波换能器，装置整体内部包括四个轴对称的圆柱形腔体，腔体之间由吸音材料形成的隔音层分割，每个腔体沿轴向从上到下由吸音材料、压电晶片独立封装体和耦合装置组成，腔体的上部是一体化驱动电路，装置整体由圆柱形外壳封装成一体；
压电晶片独立封装体由保护套、阻尼块和压电晶片组成，四个压电晶片封装体倾斜对称安装于四个腔体中，压电晶片分为两组工作，四片压电晶片中相互间隔的两片压电晶片作为一组压电晶片，两组压电晶片中的一组压电晶片作为发射晶片，另外一组压电晶片作为接收晶片；
压电晶片独立封装体中的保护套是由金属制成的圆柱形壳体，上表面有一个开孔，用于穿过导线，导线用来连接一体化驱动电路和压电晶片；无下表面，压电晶片直接与耦合装置的延时块接触；
耦合装置从上到下由延时块和耦合块组成；延迟块是由有机玻璃制成的锲形块，耦合块由耐磨橡胶和塑料膜组成；
一体化驱动电路由控制器，四通道可控模拟开关，和信号处理环节组成；其中，信号处理环节由选通控制和功率模块电路组成。

2.  根据权利要求1所述的换能器，其特征是四片压电晶片相互倾斜对称安装在四个腔体中，发射压电晶片和接收压电晶片相互倾斜对称分布于四个不同的腔体中，两片作为发射晶片的压电晶片采用锆钛酸铅的陶瓷片PZT4，具有相同的制作工艺，结构尺寸，脉冲回波灵敏度，压电系数，机电耦合系数和弹性常数；两片作为接收压电晶片的压电晶片采用锆钛酸铅的陶瓷片PZT5，具有相同的制作工艺，结构尺寸，脉冲回波灵敏度，压电系数，机电耦合系数和弹性常数；发射晶片和接收晶片具有相同的结构尺寸，压电系数，机电耦合系数和弹性常数；发射晶片发射频率和接收晶片脉冲回波最高灵敏度的频率一致。

3.  根据权利要求2所述的换能器，其特征是换能器的工作模式由一体化驱动电路中的控制器统一控制，其具体步骤如下：
A.控制器通过四个I/O口给出选通信号到四路可控模拟开关；
B.选通信号控制多路选择开关电路的四路，使与之对应的压电晶片与控制器另外四个I/O口之间的电路接通或断开；
C.控制器通过四个I/O口给出的选通信号同时控制信号处理模块的选通控制电路，选通对应的功率模块电路同步工作，由此实现工作模式的选择与转换。

4.  根据权利要求3所述的换能器，其特征是换能器接收和发送频率为20KH_Z～200KH_Z的超声波，且频率可调。

一种大功率四晶一体超声波换能器
技术领域：本发明属于超声波检测领域，具体涉及非金属材料超声波测厚、非金属构件超声波探伤等方面的应用。
背景技术：目前，在工业上超声检测主要应用于金属构件的探伤、物体间的距离检测和液体或气体的流速测量等，所以常用的超声波换能器通常由一个或两个换能原件组成一个换能器，即所谓的单晶换能器或双晶换能器。目前单晶换能器或双晶换能器，由于内部换能原件数量少(1～2个)，在使用过程中，对于类似混凝土等声阻较大的非金属材料，由于材料对声波的散射、吸收造成超声波衰减严重，即使采用透射法测量以减少生能量损失，也不能有效的检测非金属材料的外廓尺寸和内部缺陷。其次，现有的工业超声检测采用的是0.25MH_Z～12MH_Z的声波，属于中、高超声频段，对于类似混凝土等非金属高声阻材料声波传输衰减迅速，声波收发功率小。而且，换能原件的结构参数未针对高声阻材料应用进行特别设计，更没有考虑换能原件之间相互匹配优化问题，也不具备工作模式转换和聚焦功能(适用性要求：针对不同的被测材料，工作模式转换和聚焦通常需要调整)，效率低信号弱，而且换能器参数固定不可调节。因此，针对非金属高声阻材料(或对声波强吸收的材料)超声检测应用，目前采用的单晶换能器或双晶换能器不能正常使用。
发明内容：
本发明的目的：针对非金属高声阻材料(或对声波强吸收的材料)超声检测应用，研发了一种特别设计的大功率、可转换工作模式的四晶一体超声波换能器。
本发明的技术方案：
一种大功率四晶一体超声波换能器，装置整体内部包括四个轴对称的圆柱形腔体，腔体之间由吸音材料形成的隔音层分割，每个腔体沿轴向从上到下由吸音材料、压电晶片独立封装体、和耦合装置组成，腔体的上部是一体化驱动电路板，装置整体由圆柱形外壳封装成一体，组成组合式超声波收发一体的换能器。
压电晶片独立封装体由保护套、阻尼块和压电晶片组成，阻尼块使用环氧树脂与钨粉混合后浇注在压电晶片背面,以达到阻尼作用,四个压电晶片封装体倾斜对称安装于四个腔体中，压电晶片分为两组工作，四片压电晶片中相互间隔的两片压电晶片作为一组压电晶片，其中一组压电晶片作为发射晶片组，另外一组压电晶片作为接收晶片组，为了加以区别，发射晶片组的两片压电晶片称为1号和3号晶片，作为接收晶片的两片压电晶片称为2号和4号晶片；
压电晶片独立封装体中的保护套是由金属制成的圆柱形壳体，上表面有一个开孔，用于穿过导线，导线用来连接一体化驱动电路和压电晶片；无下表面，压电晶片直接与耦合装置的延时块接触；
耦合装置从上到下由延时块和耦合块组成；延迟块是由有机玻璃做成的锲形块，耦合块由耐磨橡胶和塑料膜组成；
一体化驱动电路由控制器，四通道可控模拟开关，和信号处理环节组成；其中，信号处理环节由选通控制和功率模块电路组成。
两片作为发射晶片的压电晶片，采用锆钛酸铅的陶瓷片PZT4，经过筛选配对成发射组，两片作为接收压电晶片的压电晶片，采用锆钛酸铅PZT5，经过筛选配对成接收组，还进行了发射组和接收组的机电匹配；其中，PZT压电陶瓷(锆钛酸铅)：P是铅元素Pb的缩写，Z是锆元素Zr的缩写，T是钛元素Ti的缩写。PZT压电陶瓷是将二氧化铅、锆酸铅、钛酸铅在高温下烧结而成的多晶体。具有正压电效应和负压电效应。P-4：铁铂、锰钙改性锆钛酸铅，P-5:属La、Nb改性二元系材料。
对于超声波压电晶片的主要性能参数包括结构尺寸，机电耦合系数，频率常数，压电系数，弹性常数等，为实现作为发射晶片的两片压电晶片的匹配，本发明中选用具有相同的制作工艺，结构尺寸，相对脉冲回波灵敏度，压电系数，弹性常数和机电耦合系数的压电晶片；同样，为实现作为接收晶片的两片压电晶片的匹配，选用具有相同的制作工艺，结构尺寸，相对脉冲回波灵敏度，压电系数，弹性常数和机电耦合系数的压电晶片；为实现发射组和接收组的机电匹配，本发明中选用具有相同的结构尺寸，机电耦合系数，压电系数，弹性常数的压电晶片，并将发射压电晶片和接收压电晶片保持相互倾斜对称分布于四个不同的腔体中，且发射晶片的发射频率和接收晶片相对脉冲回波最高灵敏度的频率一致。
换能器的工作模式由一体化驱动电路中的控制器统一控制，其具体步骤如下：
A.控制器通过四个I/O口给出选通信号到四路可控模拟开关；
B.选通信号控制多路选择开关电路的四路，使与之对应的压电晶片与控制器另外四个I/O口之间的电路接通或断开；
C.控制器通过四个I/O口给出的选通信号同时控制信号处理模块的选通控制电路，选通对应的功率模块电路同步工作，由此实现工作模式的选择与转换；
本发明中的大功率四晶一体超声波换能器中，四个晶片相对独立，各自的工作状态由控制器统一控制，通过控制电路可以根据实际需要，灵活的选择、设定多种工作模式。发射部分由1、3号单元组成，接收部分由2、4号单元组成，通过设定各个晶片的接通与断开工作状态，即可实现多种工作模式的组合设定。控制器通过I/O口1～4给出选通信号(高电平为通，低电平为断)，该信号选通多路选择开关电路TS3A4751芯片的四路中的某一路或多路，使之对应的压电晶片与控制器的对应通道接通或断开；选通信号同时连接后面的信号处理环节的选通控制电路，使之对应通道功率模块电路同步工作，由此可以实现表1所示不同工作模式的选择与转换。
表1工作模式列表

根据实际检测要求，通过控制器程序预先预置或切换该装置工作模式，如双发双收、双发单收、单发双收、单发单收、发射以及接收模式。
本发明的大功率四晶一体超声波换能器接收和发射频率为20KH_Z～200KH_Z范围的超声波，且频率可调。本发明的超声波换能器由电路控制可实现功率、工作模式设定和调整，特别适用于类似混凝土等声阻较大的非金属材料的超声检测。
本发明的有益效果：
本发明中的大功率四晶一体超声波换能器，采用频率为20KH_Z～200KH_Z范围的超声波，增加了换能元件，对结构和参数进行特别设计，考虑了换能器中元件之间相互匹配优化问题，对应每个晶片都配有各自独立的耦合装置，相互间由隔音层进行隔离，极大降低了晶片间的串扰影响，可满足大功率测量的要求，特别适用于类似混凝土等声阻较大的非金属材料的超声检测；通过一体化驱动电路，实现对换能装置工作模式的选择和转换，能满足超声检测过程中的适应性要求，可根据不同的被测材料，选择相应的工作模式，具有效率高，能效大的特点。
附图说明：
下面结合附图，通过非限定性的举例对本发明的优选实施方法作进一步说明，在附图中：
本发明装置由四个互为倾斜轴对称安装的压电晶体组成，参见图1～4所示。
图1为立体示意图。装置整体内部包括四个轴对称的圆柱形腔体，四个互为倾斜轴对称安装的压电晶片分别放置于四个不同的腔体中，标记1号压电晶片1，2号压电晶片2，3号压电晶片3和4号压电晶片4；其中，1号和3号压电晶片为发射晶片，2号和4号压电晶片为接收晶片。
图2为图1中A-A’面剖视图，图3为图1中B-B’面剖视图，图4为俯视图。装置整体内部包括四个轴对称的圆柱形腔体，腔体之间由吸音材料形成的隔音层9分割，每个腔体沿轴向从上到下由吸音材料10、压电晶片独立封装体13和耦合装置12组成，腔体的上部是一体化驱动电路8，装置整体由圆柱形外壳14封装成一体，其中，压电晶片独立封装体13由保护套5，对应压电晶片和阻尼块11组成，耦合装置12由延时块6和耦合块7组成；
图5为一体化驱动电路，由控制器、四通道可控模拟开关(TS3A4751)、两个信号处理环节组成，每个信号处理环节由一个选通控制和两个功率模块电路组成，四个功率模块电路分别与对应的1～4号晶片相连。
图6为双发双收工作模式下超声波发送接收示意图。
图7为双发单收工作模式下超声波发送接收示意图。
图8为单发双收工作模式下超声波发送接收示意图。
图9为单发单收工作模式下超声波发送接收示意图。
具体实施方式
以下将对本发明的优先实施例进行详细的描述；应当理解，优先实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
参见图1～4，本发明中的大功率四晶一体超声波换能器由四个互为倾斜轴对称安装的压电晶体组成，装置整体内部包括四个轴对称的圆柱形腔体，四个互为倾斜轴对称安装的压电晶片分别放置于四个不同的腔体中，分别标记1号压电晶片1，2号压电晶片2，3号压电晶片3和4号压电晶片4；其中，1号和3号压电晶片为发射晶片，2号和4号压电晶片为接收晶片。装置整体内部包括四个轴对称的圆柱形腔体，腔体之间由吸音材料形成的隔音层9分割，每个腔体沿轴向从上到下由吸音材料10、压电晶片独立封装体13、和耦合装置12组成，腔体的上部是一体化驱动电路8，装置整体由圆柱形外壳14封装成一体，其中，压电晶片独立封装体13由保护套5，对应压电晶片和阻尼块11组成，耦合装置12由延时块6和耦合块7组成。
参见图5，本发明的大功率四晶一体超声波换能器中，四个压电晶片相对独立，各自的工作状态由控制器统一控制，通过控制电路可以根据实际需要，灵活的选择、设定多种工作模式。由多路开关实现工作模式的设定与转换。发射部分由1、3号单元组成，接收部分由2、4号单元组成，通过设定各个晶片的接通与断开工作状态，即可实现多种工作模式的组合设定。控制器通过(高电平为通，低电平为断)，控制器通过I/O口5～6发出频率在20KH_Z～200KH_Z范围内一定频率的电激励信号，控制器通过I/O口7～8接收由2号，4号压电晶片返回并经信号处理环节处理后的电信号；I/O口1～4给出选通信号选通多路选择开关电路TS3A4751芯片的四路中的某一路或多路，使之对应的晶片与控制器I/O口的5～8对应通道接通或断开；选通信号同时连接后面的信号处理环节的“选通控制”电路，使之对应通道功率模块电路同步工作。工作模式选择描述如下：
根据实际检测要求，通过控制器或程序预先预置或切换该装置工作模式，如双发双收、双发单收、单发双收、单发单收、发射以及接收模式。
事例举例如下：
①双发双收模式
控制器I/O口1～4输出高电平。1、3号压电晶片处于发射工作状态，2、4号压电晶片处于接收工作状态，该工作模式下超声波发送接收示意图参见图6所示。
②双发单收模式
控制器I/O口1～2输出高电平，I/O口3(或4)输出高电平，I/O口4(或3)输出低电平。1、3号压电晶片处于发射工作状态，2(或4)号压电晶片处于接收工作状态，该工作模式下超声波发送接收示意图参见图7所示。
③单发双收模式
控制器I/O口1(或2)输出高电平，I/O口2(或1)输出低电平；I/O口3～4输出高电平。1(或3)号压电晶片处于发射工作状态，2、4号压电晶片处于接收工作状态，该工作模式下超声波发送接收示意图参见图8所示。
④单发单收模式
控制器I/O口1(或2)输出高电平，I/O口2(或1)输出低电平；I/O口3(或4)输出高电平，I/O口4(或3)输出低电平。1(或3)号压电晶片处于发射工作状态，2(或4)号压电晶片处于接收工作状态，该工作模式下超声波发送接收示意图参见图9所示。
⑤发射模式
控制器I/O口1～2(或1，或2)输出高电平；I/O口3～4输出低电平。1、3(或1，或3)号压电晶片处于发射状态，2、4号压电晶片处于非工作状态。
⑥接收模式
控制器I/O口1～2输出低电平；I/O口3～4(或3，或4)输出高电平。1、3号晶片处于非工作状态，2、4(或2，或4)号压电晶片处于接收状态。