二维铰链阵列结构的超声相控阵换能器装置

摘要

一种二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，连接杆分别与固定支架和二维铰链阵列相固连；音圈电机以连接杆为中心按米字型对称排列并固连在固定支架上；出力杆分别与音圈电机线圈和阵列单元上表面连接；压电阵元固连在各阵列单元下表面；音圈电机与出力杆的个数为2N(N＝4、8、12、16、20)个，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。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，带动二维铰链阵列单元产生位移，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，驱动二维铰链阵列产生形变使压电阵元与待测件表面完全贴合，可应用于表面为平面、曲面或球面的待测工件的检测。

权利要求

1.一种二维铰链阵列结构的超声相控阵换能器装置，所述装置包括固定支架（5），固定支架（5）由固定支架基座（5a）和连接杆（5b）组成，连接杆（5b）一端固连在固定支架基座（5a）的中心位置，一端与二维铰链阵列（2）的中心阵列单元连接；音圈电机（4）以连接杆（5b）为中心按米字型对称排列并固连在固定支架（5）上；出力杆（3）一端与音圈电机线圈（4a）连接，一端与二维铰链阵列（2）的阵列单元上表面连接；压电阵元（1）固连在二维铰链阵列（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，驱动二维铰链阵列（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）带动二维铰链阵列（2）、压电阵元（1）回到初始位置，准备进行下次检测。

说明书

二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，主要涉及一种二维铰链阵列结构的超声相控阵换能器装置。

背景技术

[0002] 超声检测技术是常用的无损检测方法之一，超声检测技术的最大优点是对裂纹、夹层、未焊透等缺陷类型具有很高的检测能力。同时，超声检测技术对人体无害、设备便携、
使用灵活，适合在车间、野外和水下等各种环境下使用。借助于一些轻巧的机械装置，超声
检测技术能对正在运行的设备进行检测。鉴于以上优点，超声检测技术在无损检测领域得
到广泛使用。超声检测技术研究的不断深入，推动其向数字化、自动化、智能化和图像化发
展，超声相控阵检测技术应运而生。超声相控阵检测技术具有扫查范围大、检测速度快分辨
率高和适用范围广等优点。超声相控阵换能器作为超声相控阵检测系统的关键部件，由于
性能优良、结构牢靠、经济耐用、结构灵活变化的超声相控阵换能器的缺乏，阻碍了超声相
控阵检测技术的广泛应用。

[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。曼图电子(上海)有限公司提出一种面阵探头(一种面阵探头。公开号：
CN209542523U)。包括正电极引线、负电极引线、电极阵元、正电极层、负电极层、匹配层和背
衬材料层；电极阵元包括若干正电极单元、若干负电极单元和绝缘材料层，正电极单元和负
电极单元从上往下等间距交叉排布，绝缘材料层分布于正电极单元和负电极单元的间隙
中，正电极单元、负电极单元和绝缘材料层形成块状空间；正电极层在块状空间的上表面处
设有若干分隔槽，分隔槽将块状空间的上表面分隔为若干等同的矩形正电极层；正电极引
线连接于正电极层，负电极引线连接于负电极层。该面阵探头操作方便、灵敏度高、高度集
成、分辨率高。该装置存在的问题在于：不能应用于表面为曲面或球面的待测件的检测。

[0004] 长沙芬贝电子科技有限公司提出一种二维阵列超声探头(一种二维阵列超声探头。公开号：CN206763312U)。包括匹配层、第一柔性线路板、压电陶瓷复合材料晶片、第二柔
性线路板、背衬、第三柔性线路板、超声主板和线，匹配层连接第一柔性线路板，第一柔性线
路板连接压电陶瓷复合材料晶片，压电陶瓷复合材料晶片连接第二柔性线路板，第二柔性
线路板连接背衬，背衬连接第三柔性线路板，第三柔性线路板与超声主板连接，超声主板与
线连接，超声主板包括发射切换电路、接收切换电路、超声发射电路模块、超声接收电路模
块、模块、电路、时钟分配电路和模块。采用上述技术方案制成了一种带信号切换处理电路
的二维阵列超声探头，降低了电路的硬件需求，具有低成本、便携性与可靠性等特点。该装
置存在的问题在于：不能应用于表面为曲面或球面待测件的检测。

[0005] 深圳深超换能器有限公司提出一种超声波面阵探头制备方法(二维超声波面阵探头及其制备方法。公开号：CN107280704A)。二维超声波面阵探头包括压电阵列、背衬材料
层、至少一层匹配层和若干个集成开关芯片所述压电阵列包括多个呈阵列排布的压电单元
所述背衬材料层位于压电阵列的正极面处，用以吸收压电阵列正极面处发射的超声波所述
匹配层位于所述压电阵列的负极面处，用以与人体的声阻抗相匹配每一个所述集成开关芯
片与至少两个所述压电单元电连接，用以分时控制至少两个所述压电单元的导通。该发明
技术方案可以减少输出信号通道的数量。该装置存在的问题在于：不能应用于表面为曲面
或球面的待测件的检测。

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待测工件，测量表面为球面的待测工件的超声相控阵换能器十分稀少。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，按
米字型排列。本发明是基于二维铰链阵列结构，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、曲面或球面的待测工件进行检测。

[0007] 本发明的目的是这样实现的：

[0008] 一种二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二维铰链阵列相固连；音圈电机以连接杆为中心并按米字型对称排列并
固连在固定支架上；出力杆一端与音圈电机线圈连接，一端与二维铰链阵列的阵列单元上
表面连接；压电阵元固连在二维铰链阵列的各单元下表面，以连接杆为中心并按米字型对
称排列。音圈电机与出力杆的个数为2N(N＝4、8、12、16、20)个，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的电流，使相应的出力杆产生位移，带动二维铰链阵列单元产生位移，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
二维铰链阵列发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、
曲面或球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是二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3是固定支架结构示意图

[0014] 图中件号：1—压电阵元，2—二维铰链阵列，3—出力杆，4—音圈电机，4a—音圈电机线圈，4b—音圈电机磁缸，5—固定支架，5a—固定支架基座，5b—连接杆

具体实施方式

[0015] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

[0016] 一种二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5b一端固连在固定支架基座5a的中心位置，一端与二维铰链阵列2的中心阵列单元连接；音圈电机4
以连接杆5b为中心按米字型对称排列并固连在固定支架5上；出力杆3一端与音圈电机线圈
4a连接，一端与二维铰链阵列2的阵列单元上表面连接；压电阵元1固连在二维铰链阵列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，驱动二维铰链阵列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带动二维铰链阵列2、压电阵元1回到初始位置，准
备进行下次检测。