一维铰链阵列结构的超声相控阵换能器装置

摘要

一种一维铰链阵列结构的超声相控阵换能器的装置属于超声检测技术领域装备，该装置上方为固定支架，连接杆分别与固定支架和铰链阵列相固连；音圈电机以连接杆为中心对称排列并固连在固定支架上；出力杆一端与音圈电机线圈连接，一端与一维铰链阵列的阵列单元上表面连接；压电阵元固连在一维铰链阵列的各单元下表面；音圈电机与出力杆的个数为2N个(N＝1、2、3、4、5)，压电阵元的个数为2N+1个，根据待测件大小选取不同的N值。通过调节各音圈电机线圈的电流，使相应的出力杆产生位移，能够推出和收回铰链阵列单元以及固连在下面的压电阵元，驱动一维铰链阵列产生形变使压电阵元与待测件表面完全贴合，从而可以应用于表面为平面或者曲面的待测工件的检测，并且可以结合延时法则实现超声波的聚焦与偏转。

权利要求

1.一种一维铰链阵列结构的超声相控阵换能器装置，其特征在于，所述装置是：连接杆（5）一端固连在固定支架（6）的中心位置，一端与一维铰链阵列（2）的中心阵列单元连接；音圈电机（4）以连接杆（5）为中心对称排列并固连在固定支架（6）上；出力杆（3）一端与音圈电机线圈（4a）连接，一端与一维铰链阵列（2）的阵列单元上表面连接；压电阵元（1）固连在一维铰链阵列（2）的各单元下表面；根据待测件表面的曲率，分别控制音圈电机线圈（4a）中的电流，使音圈电机线圈（4a）受到磁场力的作用，带动出力杆（3）运动产生位移，驱动一维铰链阵列（2）产生形变，最终使压电阵元（1）与待测件表面完全贴合；检测结束后，将音圈电机线圈（4a）中的电流反向，音圈电机线圈（4a）所受到的磁场力反向，出力杆（3）带动一维铰链阵列（2）、压电阵元（1）回到初始位置，准备进行下次检测。

说明书

一维铰链阵列结构的超声相控阵换能器装置

技术领域

[0001] 本发明属于超声检测技术领域装备，主要涉及一种一维铰链阵列结构的超声相控阵换能器装置。

背景技术

[0002] 随着工业5.0的提出，制造变得更加智能，工业也被称为智能工厂。人们对设备与产品的安全性与可靠性也提出了更高的要求。无损检测技术作为一种能够在不损害或者对
检测对象性能不产生影响的技术，在检测领域得到了广泛运用。超声检测技术是常用的无
损检测技术之一，超声检测与日新月异的现代科学技术紧密结合，不断滋生出新的内涵，拓
展出广阔的外延。在超声检测领域，近年来的一个研究热点就是超声相控阵检测技术。超声
相控阵检测具有扫查范围大、检测速度快、分辨率高和适用范围广等优点，使用超声相控阵
检测技术还可以实现理想的声束聚焦和偏转。超声相控阵换能器作为超声相控阵检测系统
的关键部件，但由于性能优良、结构牢靠、经济耐用的超声相控阵换能器的缺乏，阻碍了超
声相控阵技术的广泛应用。

[0003] 近几年，超声相控阵检测技术在工业检测领域发展迅速，超声相控阵检测技术越来越受到重视，并且成为研究的热点，越来越多的研究人员对超声相控阵换能器进行了深
入的研究。中国科学院声学研究所提出一种换能器装置(用于扫描成像装置的相控阵探头。
公开号：CN1530650A)。该探头包括由换能器单元组成的阵列；换能器单元呈长方体，由压电
块和非压电块组成；压电块和非压电块在换能器单元的宽度方向上交错放置；各换能器单
元的上下表面分别覆盖有上电极和下电极。用于扫描成像装置的相控阵探头可以直接产生
纯横波，避免了波型转换带来的能量损失或其它干扰，避免了固体中声波波型转换带来的
影响；使用此探头，不仅可以利用电子相控技术实现对固体材料的垂直纯横波声束电子扫
描，还可对粘接界面的液体夹层及零间隙脱粘进行检测。用于扫描成像装置的相控阵探头，
可用于固体材料的超声无损检测，其中包括粘接界面的质量评价。该装置存在的问题在于：
探头结构较为固定，无法应用于多类型表面待测工件的检测。

[0004] 钢研纳克检测技术股份有限公司提出一种相控阵换能器装备(一种焦距可调的电磁超声相控阵换能器。公开号：CN109759307A)。该换能器包括与被检工件配合工作的永磁
铁和电磁超声线圈，电磁超声线圈贴附在被检工件外表面，电磁超声线圈由多个不同直径
的同心圆的独立线圈组成，永磁铁外面设置有探头外壳，永磁铁与电磁超声线圈之间设置
有一个薄铜片；在多个不同直径的同心圆的独立线圈中，内环线圈和外环线圈的激励电流
之间具有可调节的相对延时Δt。将相控阵技术应用到电磁超声换能器中，便可以通过改变
每个线圈的电流相位，实现电子调节探头焦距的效果，使得电磁超声技术的应用更加广泛。
该装置存在的问题在于：电磁转化效率较低，灵敏度取决于探头与探伤对象的间隙，且检测
时需要特殊夹具。

[0005] 深圳深超换能器有限公司提出一种相控阵换能器(相控阵换能器。公开号：CN203508355U)。该专利提出的一种相控阵换能器，包括依次层叠的吸声材料层、压电元件
层、匹配层、声透镜，在声透镜外面具有外壳，压电元件层是压电单晶材料制成，匹配层是由
三层复合而成；在吸声材料层与压电元件层之间设有衬底层。以压电单晶材料取代了常用
的压电陶瓷材料作为压电元件层，极大程度地提高相控阵换能器的灵敏度和带宽；匹配层
是有三层复合而成。可以改善声阻抗的匹配；压电单晶的阻抗要高于压电陶瓷，固与传统吸
声材料阻抗失配更严重，在压电单晶与吸声材料之间加入一层氧化铝衬底层，能实现压电
单晶材料与吸声材料层之间的声阻抗区配，起到了提高带宽的作用。该装置存在的问题在
于：不可以实现曲表面待测件裂纹缺陷的无损检测。

发明内容

[0006] 目前，市场上的超声相控阵换能器多为测量表面为平面的工件，测量表面为曲面的工件的超声相控阵换能器相对较少。因此我们想到一种通过改变超声相控阵换能器的结
构并结合延时法则，来实现超声波声束的偏转和聚焦，其中阵元个数为奇数个。本发明是基
于一维铰链阵列结构，结合延时法则来实现超声波的偏转和聚焦，结构具有多样性，能够实
现对表面为平面或曲面的待测件进行检测。

[0007] 本发明的目的是这样实现的：

[0008] 一维铰链阵列结构的超声相控阵换能器的装置是，上方为固定支架，连接杆分别与固定支架和铰链阵列相固连；音圈电机以连接杆为中心对称排列并固连在固定支架上；
出力杆一端与音圈电机线圈连接，一端与一维铰链阵列的阵列单元上表面连接；压电阵元
固连在一维铰链阵列的各单元下表面；音圈电机与出力杆的个数为2N个(N＝1、2、3、4、5)，
压电阵元的个数为2N+1个，根据待测件大小选取不同的N值。

[0009] 与现有技术相比，本发明的特点是：

[0010] 本发明通过调节各音圈电机线圈的电流，使相应的出力杆产生位移并带动一维铰链阵列单元产生位移，能够推出和收回一维铰链阵列单元以及固连在下面的压电阵元，驱
动一维铰链阵列产生形变与待测件表面完全贴合，从而可以应用于表面为平面或者曲面的
待测工件的检测，并且可以结合延时法则实现超声波的聚焦与偏转。
附图说明：

[0011] 图1是一维铰链阵列结构的超声相控阵换能器结构示意图。

[0012] 图2是音圈电机结构示意图。

[0013] 图中件号：1—压电阵元，2—一维铰链阵列，3—出力杆，4—音圈电机，4a—音圈电机线圈，4b—音圈电机磁缸，5—连接杆，6—固定支架

具体实施方式

[0014] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

[0015] 一种一维铰链阵列结构的超声相控阵换能器装置，所述装置是：连接杆5一端固连在固定支架6的中心位置，一端与一维铰链阵列2的中心阵列单元连接；音圈电机4以连接杆
5为中心对称排列并固连在固定支架6上；出力杆3一端与音圈电机线圈4a连接，一端与一维
铰链阵列2的阵列单元上表面连接；压电阵元1固连在一维铰链阵列2的各单元下表面；根据
待测件表面的曲率，分别控制音圈电机线圈4a中的电流，使音圈电机线圈4a受到磁场力的
作用，带动出力杆3运动产生位移，驱动一维铰链阵列2产生形变，最终使压电阵元1与待测
件表面完全贴合；检测结束后，将音圈电机线圈4a中的电流反向，音圈电机线圈4a所受到的
磁场力反向，出力杆3带动一维铰链阵列2、压电阵元1回到初始位置，准备进行下次检测。