專利名稱：能進行超聲波精確測量具有超聲波傳感器的連接件及工藝和用途的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于一種機械上的連接零部件，特別是一種具有在低、高溫、水、水溶液、化學品、及高能輻射中仍能保持其穩(wěn)定性的超聲波傳感器裝置的技術。能通過超聲波測量儀對組裝時連接零部件的預緊力，拉力和扭力進行精確的測量。本發(fā)明超聲波傳感器具有分層結構，它的功能層、電極層和壓電層通過物理和化學鈍化層來固定或嵌 入，通過緊湊的層結構來進一步減少化學活性面。利用這些鈍化層來抑制由高溫或高能輻射所激發(fā)的擴散、 氧化、脫氧，減少以及腐蝕等化學降解過程。通過在緊湊的物理化學防護層中進一步的固定和嵌入使得超聲波傳感器裝置表面化學活性的減少得以實現(xiàn)。
背景技術：
目前，利用超聲波檢測技術對組裝時的機械連接零部件進行檢測，如對螺釘或螺栓在組裝時的預緊力、拉力和扭力的檢測。在檢測中，在連接零部件的端面上設置超聲波傳感器，一般的超聲波傳感器缺點在于超過200°C時，它的功能層就會擴散、氧化、脫氧減少以及腐蝕，后果是完全失去壓電功能，無法進行正常的檢測工作；另一個缺點是水和液體浸入后，會導致電極層和壓電層的功能消失。在目前的超聲波傳感器中使用了聚偏氟乙烯膜材料，其缺點是不耐高溫，溫度超過約70°C時就開始老化，在極端情況下甚至可能溶解，并且在表面觀察不到，因此利用這樣受損的超聲波傳感器進行檢測，會導致測量結果不準確，所發(fā)生的誤差率達到40%，甚至無法進行超聲波測量。此外，在機械連接零部件的測量面使用耦合凝膠的耦合超聲波傳感器進行測量時并不適合，因為在探頭定位時，微小的差異會導致超聲波耦合預備時間的差別，無法實現(xiàn)所需測量的精確度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能進行超聲波精確測量具有超聲波傳感器的連接件及工藝和用途，其傳感器在1500°C以上高溫時，仍能夠長期保持穩(wěn)定運行，同時耐水、化學品的浸蝕和高能輻射，并保持其工作穩(wěn)定性。本發(fā)明提供的技術方案如下它包括連接件，其特征在于在連接件的一端面或兩端面上設置超聲波傳感器原件，其結構是，逐層分別嵌度壓電層，鈍化層和電極層，即最內(nèi)層設置第一鈍化層，在第一鈍化層上面中部設置壓電層，在壓電層上面及壓電層外周的第一鈍化層上面設置第二鈍化層，第二鈍化層的上面中部設置環(huán)狀第一電極層，在環(huán)狀第一電極層內(nèi)設置第二電極層，在環(huán)狀第一電極層和第二電極層上面及外周的第二鈍化層上面設置第三鈍化層，在第三鈍化層的上面設置機械防護層。上述的壓電層材料從以下材料中選用氧化鋅、氧化硅、鈦酸鋇、鈮酸鋰或鎵磷酸
Τττ . ο上述的電極層材料從以下材料選用鈦、氮化鈦、氮化鈦硅、鈦氮化鋁、碳化硅或碳氮化硅。上述的機械防護層材料從以下 材料選用氮化鈦、氮化鈦硅、鈦氮化鋁、氮化硅、 氮化鋁或碳化硅。上述的鈍化層材料從以下材料選用二氧化硅、氮氧化硅、氧化鋁、碳化硅或碳氮化硅。本發(fā)明所述的這些嵌度層，可以由各種不同的材料構成以滿足各種用途。通過不同的材質構造使得它們具有抗潮濕和腐蝕性介質等特性。上述的連接件可以是螺釘、螺栓、螺柱、空心釘、鉚釘、銷釘、法蘭、拉桿、發(fā)動機零件或飛機零件等。上述連接件的制造材料最好選用便高合金鋼、特種鋼、鈦、鈦合金、鋁和鋁合金、鎳合金、黃銅、非磁性鋼、高分子材料。上述的壓電層表面設置傾斜角度以適宜發(fā)射和接受縱向以及線性橫向偏振超聲波。本發(fā)明的積極效果是嵌度傳感器的結構層能抑制物理化學鈍化層之間由高溫或高輻射所激發(fā)的擴散、氧化、脫氧、減少以及腐蝕等化學降解過程。通過緊湊的分層結構來減少化學的活性接觸面。利用嵌度緊湊的物理化學防護層(機械層)來減少超聲波傳導器裝置表面的化學活性。連接件上的超聲波傳感器裝置在高于500°C以上高溫時，仍能夠長期保持穩(wěn)定運行，同時耐水、化學品的浸蝕和高能輻射，并保持其工作穩(wěn)定性。檢測結果更精確。在設備維護期間能隨時對任何連接件進行檢測，檢測方便。


圖1是本發(fā)明的超聲波傳感器的結構剖面示意圖。圖2是超聲波傳感器嵌鍍在連接件兩個端面的示意圖。圖3是第一電極層和第二電極層平面設置示意圖。圖4是本發(fā)明連接超聲波檢測設備示意圖。圖5、圖6、圖7、圖8、圖9是幾種不同形狀連接件設置超聲波傳感器裝置的示意圖。
具體實施例方式見圖1、2、3，具體實施例1結構如下本發(fā)明的連接零部件為帶連接螺紋1的螺柱 10，在組裝時，它擰入一個部件的螺孔或螺母。在螺柱10的一個端面2或兩個端面2、12上 (見圖2)設置超聲波傳感器裝置11，超聲波傳感器裝置11的結構是在螺柱10的端面上， 即最內(nèi)層嵌鍍第一鈍化層9，第一鈍化層9采用材料二氧化硅、氮氧化硅、氧化鋁、碳化硅或碳氮化硅，在第一鈍化層化層9上面的中部嵌鍍壓電層3，壓電層3采用氧化鋅、氧化硅、鈦酸鋇、鈮酸鋰或鎵磷酸鹽；在壓電層3上面及壓電層外周的第一鈍化層上面設置第二鈍化層8，第二鈍化層8采用二氧化硅、氮氧化硅、氧化鋁、碳化硅或碳氮化硅；在第二鈍化層8 的上面中部設置電極層，電極層設有兩個相互隔離的電極，本實施例的兩個電極設有環(huán)狀第一電極4，在環(huán)狀第一電極4內(nèi)設置第二電極5，電極層材料可選用鈦、氮化鈦、氮化鈦硅、 鈦氮化鋁、碳化硅或碳氮化硅。還可采用兩個平行的電極。在環(huán)狀第一電極4和第二電極5上面及外周的第二鈍化層8上面設置第三鈍化層7，第三鈍化層7采用二氧化硅、氮氧化硅、 氧化鋁、碳化硅或碳氮化硅材料；在第三鈍化層的上面設置機械防護層6 ；機械防護層6選用氮化鈦、氮化鈦硅、鈦氮化鋁、氮化硅、氮化鋁或碳化硅(根據(jù)需要來選用不同的材料)。超聲波傳感 器的分層結構及與連接件端面之間具有高度的附著力(大于50牛頓每平方毫米)，可以避免發(fā)生連接錯誤，可以更為精確的測量信號的傳播時間，從而更精確的測定連接件的拉力、扭力及預緊力。超聲波換傳感器各層結構的嵌鍍以及和連接件端面嵌鍍可以采用下面任一種工藝ρ ν D工藝(物理氣相沉積)、C V D工藝(化學氣相沉積)、 熱噴涂、PAC V D工藝(等離子輔助化學氣相沉積)、電化學沉積工藝、有機或無機的自組織結構形成的涂層工藝。根據(jù)所選的用于制造壓電層的壓電性能材料，在溫度達到居里溫度之前能產(chǎn)生有效的超聲波信號，從而實現(xiàn)精確的超聲波測量。見圖5、圖6、圖7、圖8、圖9，各圖所示連接件分別為外六角螺帽螺栓、圓帽內(nèi)多角扳孔螺栓、螺釘、空心螺栓和內(nèi)多角扳孔螺釘。圖中只表示部分連接件形狀，還有鉚釘、銷釘、法蘭、閥門、拉桿、墊片、軸承零件，引擎零件、飛機零件、發(fā)動機零件等未在圖中表達。在各圖中表達的各種連接件，其一端面設置超聲波傳感器11。見圖2，在圖2中的連接件，其兩端面設置超聲波傳感器11。上述連接件的材料最好選用高合金鋼、特種鋼、鈦、鈦合金、鋁和鋁合金、鎳合金、 黃銅、非磁性鋼等。見圖4，將本發(fā)明具有超聲波傳感器裝置的連接件連接超聲波檢測設備13，連接方式是超聲波檢測設備13的信號傳輸線14觸點接觸超聲波傳感器11，另一信號傳輸線 15觸點接觸螺柱10。通過超聲波檢測設備13和超聲波傳感器向螺柱10發(fā)出的超聲波脈沖和反射的超聲波脈沖回波，并由超聲波檢測設備13測量出預緊力、扭力和拉力。本發(fā)明提供的具有超聲波傳感器裝置的連接件能廣泛適用于航空航天、能源、風能、機械、汽車、內(nèi)燃機和變速器等產(chǎn)品領域。例如適用于工作溫度極高的飛機發(fā)動機，甚至飛機發(fā)動機燃燒室外部的連接件，溫度可達500°C ；并且由溫度的反復升降帶來的循環(huán)應力；同樣適用于核電廠工作溫度較高的設備上，以及其他領域的工作溫度升降溫差大的設備上。如在低溫應用領域的衛(wèi)星技術、飛機和導彈技術、低溫恒溫器應用、或高溫應用領域， 如燃氣渦輪機、飛機發(fā)動機、燃燒室區(qū)的工作溫度要求在-270° C至1500° C。本發(fā)明中提出的超聲波傳感器本身可以經(jīng)受頻繁的溫度循環(huán)，這些溫度循環(huán)的特點是很短的升溫時間，只有幾分鐘，持續(xù)的高溫負荷，冷卻緩慢。超聲波傳感器在經(jīng)受這些溫度循環(huán)后仍能完全保持有效的工作，在分層結構之內(nèi)不會出現(xiàn)可影響超聲波信號傳播時間的部分溶解現(xiàn)象。超聲波傳感器的分層結構具有高度的附著力(大于50牛頓每平方毫米)，可以避免發(fā)生連接錯誤，可以更為精確的測量信號的傳播時間，從而更精確的測定連接件的拉力、扭力及預緊力。通過對物理化學防護層的疏水性設置來使得超聲波傳感器具有抗水和水溶液性能。
權利要求
1.一種能進行超聲波精確測量具有超聲波傳感器的連接件，它包括連接件，其特征在于在連接件的一端面或兩端面上設置超聲波傳感器原件，其結構是，逐層分別嵌度壓電層，鈍化層、電極層和機械防護層，即最內(nèi)層設置第一鈍化層，在第一鈍化層上面中部設置壓電層，在壓電層上面及壓電層外周的第一鈍化層上面設置第二鈍化層，第二鈍化層的上面中部設置環(huán)狀第一電極層，在環(huán)狀第一電極層內(nèi)設置第二電極層，在環(huán)狀第一電極層和第二電極層上面及外周的第二鈍化層上面設置第三鈍化層，在第三鈍化層的上面設置機械防護層。
2.根據(jù)權利要求1所述的能進行超聲波精確測量具有超聲波傳感器的連接件，其特征是壓電層材料選用氧化鋅、氧化硅、鈦酸鋇、鈮酸鋰或鎵磷酸鹽。
3.根據(jù)權利要求1所述的能進行超聲波精確測量具有超聲波傳感器的連接件，其特征是電極層材料選用鈦、氮化鈦、氮化鈦硅、鈦氮化鋁、碳化硅或碳氮化硅。
4.根據(jù)權利要求1所述的能進行超聲波精確測量具有超聲波傳感器的連接件，其特征是機械防護層材料選用氮化鈦、氮化鈦硅、鈦氮化鋁、氮化硅、氮化鋁或碳化硅。
5.根據(jù)權利要求1所述的能進行超聲波精確測量具有超聲波傳感器的連接件，其特征是鈍化層材料選用二氧化硅、氮氧化硅、氧化鋁、碳化硅或碳氮化硅。
6.根據(jù)權利要求1所述的能進行超聲波精確測量具有超聲波傳感器的連接件，其特征是連接件是螺釘、螺栓、螺柱、空心釘、鉚釘、銷釘、法蘭、拉桿、發(fā)動機零件或飛機零件。
7.根據(jù)權利要求1所述的能進行超聲波精確測量具有超聲波傳感器的連接件，其特征是超聲波傳感器的各個結構層間以及和連接件端面之間的附著力為大于50牛頓每平方毫米。
8.—種如權利要求1所述的能進行超聲波精確測量具有超聲波傳感器的連接件的工藝，其特征是超聲波傳感器裝置的分層結構采用下述之一工藝制造物理氣相沉積工藝、 化學氣相沉積工藝、等離子輔助化學氣相沉積工藝、熱噴涂工藝、電化學或化學沉積工藝、 利用有機或無機根的自組織結構形成涂層工藝。
9.一種如權利要求1所述的能進行超聲波精確測量具有超聲波傳感器的連接件的用途，其特征是超聲波傳感器裝置的應用范圍在-270° C至1500° C之間。
10.一種如權利要求1所述的能進行超聲波精確測量具有超聲波傳感器的連接件的用途，其特征是通過對物理化學防護層的疏水性設置來使得超聲波傳感器具有抗水和水溶液性能。
全文摘要
一種能進行超聲波精確測量具有超聲波傳感器的連接件及工藝和用途，它包括連接零部件，其特征是在連接零部件外端面上設置超聲波傳感器原件，即在連接零部件外端面上，即最內(nèi)層設置第一鈍化層，在第一鈍化層上面中部設置壓電層，在壓電層上面及壓電層外周的第一鈍化層上面設置第二鈍化層，第二鈍化層的上面中部設置電極層，電極層有兩個相互隔離的電極，在電極層上面及外周的第二鈍化層上面設置第三鈍化層，在第三鈍化層的上面設置機械防護層。本發(fā)明的積極效果是連接零部件上的傳感器原件在500℃以上高溫時，仍能夠長期保持穩(wěn)定運行，同時耐水、化學品的浸蝕和高能輻射，并保持其工作穩(wěn)定性。檢測結果準確。在設備維護期間能隨時對任何連接件進行檢測，檢測方便。
文檔編號G01L1/25GK102435363SQ20111028159
公開日2012年5月2日 申請日期2011年9月21日 優(yōu)先權日2011年9月21日
發(fā)明者陳威 申請人:陳威