專(zhuān)利名稱(chēng)：一種非接觸聚集型探頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超聲波振動(dòng)檢測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種非接觸聚集型探頭。
背景技術(shù)：
地震物理模擬研究是指利用物理模型對(duì)地震及有關(guān)現(xiàn)象(特別是波動(dòng)現(xiàn)象)進(jìn)行研究，它是實(shí)驗(yàn)地質(zhì)學(xué)的一個(gè)重要組成部分，又被稱(chēng)為模型地質(zhì)學(xué)。模型地質(zhì)學(xué)研究中最普遍使用的方法是超聲波方法，因此常被稱(chēng)為超聲地震模擬。超聲地震物理模型實(shí)驗(yàn)通過(guò)超聲波在地質(zhì)模型中的傳播觀測(cè)對(duì)地震波在各種復(fù)雜地質(zhì)體中的傳播進(jìn)行室內(nèi)模擬觀測(cè)，并根據(jù)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行地震學(xué)研究。它解釋和解決了許多地球物理勘探中出現(xiàn)的實(shí)際問(wèn)題，從 而極大地推動(dòng)了地震學(xué)理論的發(fā)展。超聲波檢測(cè)也叫超聲探傷，是無(wú)損檢測(cè)的一種。無(wú)損檢測(cè)是在不損壞工件或原材料工作狀態(tài)的前提下，對(duì)被檢驗(yàn)部件的表面和內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行檢查的一種檢測(cè)手段。目前常用的超聲波檢測(cè)方法主要有兩種，接觸式測(cè)量和非接觸測(cè)量。①接觸式測(cè)量接觸式測(cè)量通常采用壓電式超聲波探頭或其他材料制成的探頭。這種探頭通常由壓電晶片或其他材料(如復(fù)合材料)組成，其結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，安裝方便，收發(fā)可互換。圖I給出的是壓電接觸式探頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。當(dāng)對(duì)固體材料進(jìn)行測(cè)量時(shí)，發(fā)射探頭和接收探頭緊貼被測(cè)物體表面。發(fā)射頭將電信號(hào)(一般為窄脈沖)轉(zhuǎn)換為超聲波信號(hào)；而接收頭則將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。②非接觸測(cè)量目前使用的非接觸測(cè)量通常由強(qiáng)脈沖激光源和激光測(cè)振儀組成。超聲波發(fā)射部分采用強(qiáng)脈沖激光源。當(dāng)對(duì)模型進(jìn)行測(cè)試時(shí)，強(qiáng)脈沖激光源向模型某點(diǎn)(又稱(chēng)為炮點(diǎn))發(fā)射激光脈沖，該點(diǎn)受熱會(huì)發(fā)生熱膨脹或熔化，由此產(chǎn)生超聲波并向模型內(nèi)部傳送。超聲波接收部分采用激光測(cè)振儀，它可檢測(cè)被測(cè)物體表面的振動(dòng)速度或位移。現(xiàn)有的超聲波檢測(cè)方法在用于地質(zhì)模型檢測(cè)時(shí)存在一定的缺點(diǎn)和局限性。①壓電式超聲波探頭相對(duì)簡(jiǎn)單，價(jià)格較低，但在進(jìn)行地質(zhì)模型檢測(cè)時(shí)，使用壓電式探頭進(jìn)行發(fā)射和接收時(shí)會(huì)產(chǎn)生一些問(wèn)題。壓電式超聲波探頭在對(duì)固體地質(zhì)模型(尤其對(duì)復(fù)雜表面模型)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，由于工藝方面的原因器件，檢測(cè)部分接觸面較大，當(dāng)對(duì)曲表面模型進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，探頭和模型表面耦合效果差，有時(shí)甚至無(wú)法耦合；由于現(xiàn)有超聲波探頭只能進(jìn)行窄帶發(fā)射和接收，因此測(cè)量不能反映野外施工寬頻接收的實(shí)際情況。另外由于是接觸式測(cè)量，采用手動(dòng)方式則測(cè)量效率低、精度差；當(dāng)通過(guò)機(jī)械方式移動(dòng)時(shí)每次都要重復(fù)進(jìn)行拔起和放置這個(gè)過(guò)程，而每次放置點(diǎn)探頭和模型間的接觸壓力很難做到一致，因此測(cè)量的重復(fù)性差，容易損壞探頭。目前往往一套固體地質(zhì)模型的完整測(cè)試需要幾個(gè)月時(shí)間，壓電式超聲波探頭遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足科研生產(chǎn)的需要。②激光超聲波測(cè)量
激光超聲波測(cè)量是一種非接觸超聲波測(cè)量方法。它可以有效地克服壓電式探頭存在的問(wèn)題，但它也存在著一些問(wèn)題。由于超聲波發(fā)射部分采用強(qiáng)脈沖激光源，當(dāng)強(qiáng)脈沖激光源照射非金屬材料時(shí)，瞬時(shí)產(chǎn)生的高溫會(huì)損壞被測(cè)點(diǎn)表面，使該點(diǎn)及附近地區(qū)被燒焦，并產(chǎn)生變形。該點(diǎn)的損壞，會(huì)影響下一次在該點(diǎn)的激發(fā)效果。而在進(jìn)行物理模型檢測(cè)時(shí)，要求能在同一個(gè)發(fā)射點(diǎn)(我們稱(chēng)之為炮點(diǎn))上多次發(fā)射超聲波信號(hào)，這就意味著該點(diǎn)被強(qiáng)脈沖激光源多次照射，且要求每次照射前該點(diǎn)的狀態(tài)不會(huì)發(fā)生變化，即重復(fù)性好，而采用強(qiáng)脈沖激光源很難做到這一點(diǎn)。如果降低發(fā)射能量，則產(chǎn)生的超聲波發(fā)射能量不夠，信號(hào)無(wú)法到達(dá)模型深層。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的難題，提供一種非接觸聚集型探頭，用于模擬炸藥，進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的

一種非接觸聚集型探頭，包括基體和壓電陶瓷，所述基體為正面凹、背面凸的弧形結(jié)構(gòu)，有彈性；所述壓電陶瓷粘貼在弧形基體的背面，其極化方向沿基體的厚度方向，即基體的法向。當(dāng)基體的工作模態(tài)為彎曲振動(dòng)時(shí)，基體的波峰處和波谷處的位移方向(即波峰或波谷處的法向)均指向同一個(gè)焦點(diǎn)；壓電陶瓷粘貼在基體的背面的波峰處或波谷處。當(dāng)基體的工作模態(tài)為彎曲振動(dòng)時(shí)，基體的波峰處和波谷處的位移方向均指向同一個(gè)焦點(diǎn)；壓電陶瓷同時(shí)粘貼在波峰處和波谷處；在波峰處的壓電陶瓷的極化方向與在波谷處的壓電陶瓷的極化方向是相反的。在所述基體的正面設(shè)有匹配層，所述匹配層的材料采用多微孔材料，包括氣凝膠或多孔高纖維復(fù)合材料或多孔聚合材料。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是①利用本發(fā)明的非接觸聚集型探頭可以模擬炸藥，而且發(fā)射點(diǎn)介質(zhì)不會(huì)受到損壞，因此屬于無(wú)損檢測(cè)；如果加上用激光測(cè)振儀的激光頭模擬地震檢波器，就能模擬野外勘探的完整采集過(guò)程；②由于非接觸聚焦型探頭是非接觸發(fā)射源，在移動(dòng)位置時(shí)，發(fā)射頭沒(méi)有提放過(guò)程，其生產(chǎn)效率較高；③非接觸聚焦型探頭在模型上的焦點(diǎn)可通過(guò)聚焦小到O. 2mm(是指炮點(diǎn)直徑大小或指超聲波發(fā)射到模型表面時(shí)那一點(diǎn)的直徑，這跟光聚焦本質(zhì)上是一樣的)，符合野外震源按比例縮小的要求，使模擬效果更加逼真。


圖I是現(xiàn)有技術(shù)中的壓電接觸式探頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。圖2-1是本發(fā)明的非接觸聚焦型探頭的背面示意圖。圖2-2是本發(fā)明的非接觸聚焦型探頭的正面示意圖。圖3是本發(fā)明的非接觸聚焦型探頭上的壓電陶瓷激發(fā)探頭彎曲振動(dòng)和聚焦聲波的原理示意圖。
圖中，1_1是超聲福射面，1-2是聲匹配層，1-3是壓電陶瓷，1-4是金屬盒體，1-5底座，1-6是屏蔽材料，1-7是引線端子；2-1是聞性能PZT, 2-2是福射面，2-3是基體，2-4是聲波福射，2_5是極化方向。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述一種非接觸聚焦型探頭設(shè)計(jì)為如圖2所示，圖2給出的是非接觸聚焦型探頭在不工作狀態(tài)下的整體圖，是正面凹，背面凸的結(jié)構(gòu)，所述弧形基體2-3有彈性，在基體2-3的背面(如圖2-1所示)粘貼有多塊壓電陶瓷(高性能PZT) 2-1，每塊壓電陶瓷2-1的極化方向均沿厚度方向，即弧形基體2-3的法向。當(dāng)對(duì)壓電陶瓷2-1施加沿極化方向的電場(chǎng)時(shí)，依靠壓電陶瓷2-1的d31效應(yīng)可首先在壓電陶瓷2-1內(nèi)以產(chǎn)生沿切向的位移響應(yīng)，從而使電能
有效地轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。由于壓電陶瓷2-1與彈性弧形基體2-3是膠結(jié)在一起的，由變形協(xié)調(diào)條件可知，二者在邊界處(陶瓷與基體粘貼的地方)將產(chǎn)生同樣的變形，壓電陶瓷2-1將拉動(dòng)基體2-3 —起變形，會(huì)對(duì)基體2-3產(chǎn)生拉伸力由此產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力。如果對(duì)壓電陶瓷2-1施加特定的信號(hào)(交變或脈沖)，就可以使壓電陶瓷2-1因逆壓電效應(yīng)發(fā)生位移，帶動(dòng)與壓電陶瓷2-1粘接在一起的基體2-3發(fā)生變形，激發(fā)出基體2-3的高頻振動(dòng)，如圖3所示，圖3給出的是非接觸聚焦型探頭在工作狀態(tài)中具有多個(gè)波峰波谷的示意圖。設(shè)計(jì)基體的準(zhǔn)則是，選定彎曲振動(dòng)作為工作模態(tài)，其波峰和波谷處的位移方向均指向同一焦點(diǎn)(在沒(méi)有粘貼壓電陶瓷前，可以通過(guò)有限元分析和設(shè)計(jì)，使之滿(mǎn)足要求)。為增大輸出功率，壓電陶瓷可同時(shí)粘貼在波峰處或波谷處或同時(shí)粘貼在波峰處和波谷處。只貼在波谷處或只貼在波峰處，也能激發(fā)所需要的振動(dòng)形式，但若只貼在波峰或波谷處，壓電單元過(guò)少，可能會(huì)使得輻射能量不夠而影響效果，因?yàn)楫吘故峭ㄟ^(guò)壓電單元來(lái)實(shí)現(xiàn)最終的聲輻射能量輸出的。特別需要注意的是，在波峰或波谷處壓電陶瓷的變形方向是始終相反的，這可通過(guò)在波峰和波谷處粘貼的壓電陶瓷的極化方向2-5相反來(lái)保證，如圖3所示。工作時(shí)，對(duì)所有的壓電陶瓷施加交變的激勵(lì)信號(hào)，且交變電場(chǎng)的頻率與基體的振動(dòng)模態(tài)頻率一致。由于分布于波峰和波谷處的極化方向2-5是相反的，其變形也是反向的，就可激發(fā)出工作模態(tài)了?；⌒位w上每一個(gè)波峰或波谷處產(chǎn)生位移響應(yīng)均可誘發(fā)聲波傳遞出去。由于探頭基體振動(dòng)的波峰和波谷處位移方向均指向同一焦點(diǎn)，高頻振動(dòng)誘發(fā)的聲波輻射2-4的能量將會(huì)在焦點(diǎn)達(dá)到最大，即能夠?qū)崿F(xiàn)一定距離上的聲波能量聚焦。依靠d31效應(yīng)的這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于，因?yàn)椴粫?huì)有反射波的干擾，因此不需要有背襯的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)上比較簡(jiǎn)單。具體的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于弧形基體的具體構(gòu)形參數(shù)，具體構(gòu)形參數(shù)是根據(jù)如下原則來(lái)確定(1)波峰和波谷處位移指向一點(diǎn)，即聚焦；(2)獲得盡量大的振幅輸出。壓電陶瓷的布置和數(shù)量(可根據(jù)所需功率來(lái)增加數(shù)量)，輻射面2-2(指基體的正面，即沒(méi)有壓電陶瓷的那個(gè)面)的表面設(shè)有匹配層，所述匹配層的材料設(shè)計(jì)和選擇要保證產(chǎn)生滿(mǎn)足要求的足夠能量的聲波。對(duì)于匹配層的選擇主要考慮到聲阻抗匹配、衰減小等，以及能否滿(mǎn)足加工要求，如某些材料就很脆，導(dǎo)致很難加工成所需要的具有平行且光滑的表面。本發(fā)明中，匹配層可選材料集中在多微孔材料，因此一般可選擇如氣凝膠，多孔高纖維復(fù)合材料，多孔聚合材料。本發(fā)明的工作原理是當(dāng)對(duì)被測(cè)地質(zhì)模型進(jìn)行測(cè)試時(shí)，啟動(dòng)高壓脈沖發(fā)生器向非接觸聚焦型探頭發(fā)出高壓驅(qū)動(dòng)窄脈沖，而該非接觸聚焦型探頭則向被測(cè)地質(zhì)模型的某點(diǎn)(又稱(chēng)為炮點(diǎn))發(fā)射聚焦脈沖，在該點(diǎn)(指炮點(diǎn)處)產(chǎn)生超聲波(非接觸聚焦型探頭將脈沖電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲波信號(hào)發(fā)出)并向模型內(nèi)部傳送。在此過(guò)程中，發(fā)射點(diǎn)介質(zhì)不會(huì)受到損壞，因此屬于無(wú)損檢測(cè)。由于非接觸聚焦型探頭是非接觸發(fā)射源，在移動(dòng)位置時(shí)，發(fā)射頭沒(méi)有提放過(guò)程，其生產(chǎn)效率較高；并且非接觸聚焦型探頭在模型上的焦點(diǎn)可通過(guò)聚焦小到
O.2mm(是指炮點(diǎn)直徑大小或指超聲波發(fā)射到模型表面時(shí)那一點(diǎn)的直徑，這跟光聚焦本質(zhì)上是一樣的)，符合野外震源按比例縮小的要求。上述技術(shù)方案只是本發(fā)明的一種實(shí)施方式，對(duì)于本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員而言，在本 發(fā)明公開(kāi)了應(yīng)用方法和原理的基礎(chǔ)上，很容易做出各種類(lèi)型的改進(jìn)或變形，而不僅限于本發(fā)明上述具體實(shí)施方式
所描述的方法，因此前面描述的方式只是優(yōu)選的，而并不具有限制性的意義。
權(quán)利要求
1.一種非接觸聚集型探頭，其特征在于所述非接觸聚集型探頭包括基體和壓電陶瓷，所述基體為正面凹、背面凸的弧形結(jié)構(gòu)，有彈性；所述壓電陶瓷粘貼在基體的背面，其極化方向沿基體的厚度方向，即基體的法向。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的非接觸聚集型探頭，其特征在于當(dāng)所述基體的工作模態(tài)為彎曲振動(dòng)時(shí)，基體的波峰處和波谷處的位移方向均指向同一個(gè)焦點(diǎn)；壓電陶瓷粘貼在基體的背面的波峰處或波谷處。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的非接觸聚集型探頭，其特征在于當(dāng)所述基體的工作模態(tài)為彎曲振動(dòng)時(shí)，基體的波峰處和波谷處的位移方向均指向同一個(gè)焦點(diǎn)；壓電陶瓷同時(shí)粘貼在波峰處和波谷處；在波峰處的壓電陶瓷的極化方向與在波谷處的壓電陶瓷的極化方向是相反的。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3之一所述的非接觸聚集型探頭，其特征在于在所述基體的正面設(shè)有匹配層，所述匹配層的材料采用多微孔材料，包括氣凝膠或多孔高纖維復(fù)合材料或多孔聚合材料。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種非接觸聚集型探頭，屬于超聲波振動(dòng)檢測(cè)領(lǐng)域。所述非接觸聚集型探頭包括基體和壓電陶瓷，所述基體為正面凹、背面凸的弧形結(jié)構(gòu)，有彈性；所述壓電陶瓷粘貼在弧形基體的背面，其極化方向沿基體的厚度方向，即基體的法向。利用本發(fā)明，發(fā)射點(diǎn)介質(zhì)不會(huì)受到損壞，因此屬于無(wú)損檢測(cè)。由于非接觸聚焦型探頭是非接觸發(fā)射源，在移動(dòng)位置時(shí)，發(fā)射頭沒(méi)有提放過(guò)程，其生產(chǎn)效率較高；并且非接觸聚焦型探頭在模型上的焦點(diǎn)可通過(guò)聚焦小到0.2mm，符合野外震源按比例縮小的要求，使模擬效果更加逼真。
文檔編號(hào)G01N29/34GK102818621SQ201110153530
公開(kāi)日2012年12月12日 申請(qǐng)日期2011年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月9日
發(fā)明者宗遐齡, 陳超, 王輝明, 王躍, 郝守玲 申請(qǐng)人:中國(guó)石油化工股份有限公司, 中國(guó)石油化工股份有限公司石油物探技術(shù)研究院