2. 2 探头的制作工艺 1. 晶片的厚度与形状的修整 当现有的晶片厚度与形状不合适时, 可进行适当的修整。如 需切割压电陶瓷晶片时, 可将晶片固定在一个平而硬的金属台 上, 使用高硬度刚刀 (例如钢锯条磨制的刀) , 按刻好的线反复的 刻画, 逐渐刻下所需的形状。如要切割石英晶片, 需用金刚石。如 果晶片不需要的厚, 可以磨薄它。 为此, 需将晶片用石蜡和松香 混合物固定在一个金属棒的平端头上, 然后在铸铁平台上研磨, 可用一碳化六硼磨料加水助磨。 2. 晶片的镀银 先用氢氧化钠或酒精溶液清洗晶片。 然后在马弗炉中烘干 (600℃, 2 小时)。用小刷刷上一层非常薄的银糊 (氧化银100 克, 硼酸铅5 克, 氧化铋1 克, 松香松节油72 克, 松节油12 克, 蓖麻油 10 克) , 要求银层面积符合设计要求, 平整均匀, 无气泡、起皮、 龟裂等。 在 60—80℃温度下烘干。 然后将其放在马弗炉中, 在 800—840℃下焙烧2 小时。而后, 让晶片在马弗卢中随炉子自然 冷却。 也可以依上法再镀一次银层。 (3) 晶片的极化 像钛酸钡这样的晶片, 在镀银时可能使晶片退极化, 如有必 要可进行再极化处理。可设置一个装满变压器油的油槽, 将晶片 放置在安置于油槽底部的金属电极上, 另外一个电极加在晶片 上表面。在一定的电场强度和温度下使晶片极化。然后在保持电 场不变的条件下, 使油慢慢的冷却。极化过程中要注意防止油着 火和晶片击穿。外加电压突然降低, 就意味着晶片击穿了。油温 和极化电场强度随晶片的种类不同而不同。 通常镐钛酸铅类及 三元系压电陶瓷类晶片的极化条件可选为: 极化电场: 3—5 千伏 毫米 极化温度: 120—150℃ 极化时间: 20—60 分钟 (4) 焊接晶片电极引线时, 必须使用低熔点焊料, 以避免在 焊接过程中过热使晶片退极化。 用下面的配方制成的焊料其熔 点为 70℃左右: 锡 9. 5%、铅 45. 2%、铋 45. 3% 焊接时, 动作要 快, 要使用小瓦数 (如 25 瓦) 烙铁, 焊点要小而圆, 要防止虚焊。 通常晶片的非接地极焊在晶片的正中央, 而接地极焊在晶片的 边缘某一部分, 或焊在侧面上 (如果焊在侧面上, 侧面需镀银)。 焊接完毕后, 要用酒精清洗掉多余的焊药 (如松香等)。 (5) 晶片的粘接 在一些设计中, 晶片与透声楔、晶片与有机玻璃延迟块、晶 片与保护膜之间是用树脂粘接的。 粘接前应先用汽油后用酒精 等洗净晶片, 然后用适量粘接剂将晶片与透声楔等物粘合, 加一
定的静压力 (如 0. 6—1 公斤 厘米2) , 在一定温度下保持一段时 间 (如20—25℃, 24 小时)。然后在60—80℃温度下烘干6 小时, 最好制作专用夹具以确保粘接质量。 常用粘接剂有环氧树脂, 502 胶等。 常用的环氧树脂的配方是: 618 环氧树脂: 二乙烯三 胺: 邻苯二甲酸二丁脂= 100 克: 80 克: 6 克。晶片的接地电极焊 点是突起的, 再粘接前, 需在有机玻璃透声楔刻上一个凹坑以放 置小焊点, 保护膜与晶片的粘接剂中切忌有气泡存在。 为此, 在 陪胶时将配好的放置一段时间后, 将上面的一层除掉不用是有 益的。
双晶片斜探头的结构图和透声楔图如图 1. 2。
1. 2. 2 晶片, 一收一发, 消除了有机玻璃 钢界面反 射杂波; 又由于始脉冲不能进入接受放大器, 克服了阻塞现象, 结果使探测盲区大为减小, 为了一次波探伤以及发现近表面缺 陷创造了条件。
因为两个晶片的布置对称地有一倾角, 则发射晶片的声场 与接收晶片作发射晶片考虑时的声场必然相交, 形成一个棱形 区 abcd (见图 1. 3)。
(6) 吸收胶配方与灌溉工艺: 常用的吸收胶配方如下: 钨粉: 环氧树脂: 二乙烯三胺 (硬化 剂) : 邻苯二甲酸二丁脂 (增塑剂) = 35 克: 10 克: 0. 5 克: 1 克。 有人建议钨粉颗粒尺寸应在0. 2—0. 3 毫米以下。为了使吸 收块与晶片牢固地粘接在一起, 在粘接前应用酒精或丙酮仔细 清洗晶片及晶片座表面, 然后将吸收胶加热至 80℃左右再进行 浇灌。灌注后, 应在20℃左右的温度下, 静置12 天。必须待晶片 与透声楔完全粘牢后再灌吸收胶, 否则会因吸收胶固化时的收 缩, 使晶片与透声楔脱开。吸收胶中钨粉含量是按设计要求添加 的。当环氧树脂与钨粉的比例为1: 5 (重量比) 时, 其声阻可达7× 106 公斤 米2 秒。 有些设计采用采用木屑代替钨粉。 (7) 保护膜的制作 在石英片前镀上耐磨铬可防磨, 但镀层厚度不可大于 0. 1 毫米。也有人用含硅的塑料或碳化钨薄层做保护膜。但要注意, 对于后者应尽量减薄保护膜的厚度。有的厂家以塑料为保护膜, 在塑料内加一导电环或喷涂导电层以实现电气联结。 因为这些 塑料薄膜是可拆换的, 所以塑料膜是靠油层耦合的。也可以用环 氧树脂制作保护膜。 如果采用边磨边测试的办法调整环氧树脂 保护膜厚度, 就能做到使透声效果与不存在保护膜一样。 (8) 预测 在粘好晶片后, 应测一次晶片的传输特性, 灌吸收胶后, 再 测一次传输特性, 从而可以判断有脱焊和短线等故障。另外也可 以采用在粘帖晶片之后罐吸收胶之前, 用试块在探伤仪上测试 一下灵敏度, 如果灵敏度很低也说明故障。 3、结论 通过实践证明, 用该方法制作的探头安全可靠, 具有盲区 小、灵敏度高、分辨力强等优点。 该方法也可应用于单晶片探头 设计制作的参考依据。
参考文献
[ 1 ]Edited by J. Szila rd, U ltra son ic T esting N on - conven2 tiona l testing techn iques[M ]. M a teria ls Eva lua tion, V o l. 47. no. 7, 1980, 17—35.
1、探头的工作原理与结构特点 1. 1 探头工作原理 超声波所用的探头, 主要是利用压电效应来制作的, 有些单 晶和多晶陶瓷材料在应力 (压力或张力等) 作用下产生应变时, 晶体中就产生极化或电场, 这种效应成为正压电效应。 相反地, 当晶体处于电场中时, 由于极化作用, 在晶体中就产生应变或应 力, 这种效应称为逆压电效应。正、逆压电效应统称压电效应。当 一个电脉冲作用到探头上时, 探头就发射超声脉冲。 反之, 当一 个超声脉冲作用到探头上时, 探头就产生一个电脉冲。 1. 2 双晶片探头结构特点 1. 2. 1 双晶片探头的基本结构 横波探头通常由声陷阱、透声楔、晶片、阻尼块、电器接插件 和外壳等几部分组成。 如图 1. 1 所示, 在一个探头中有两个晶 片, 分别用做发射和接收超声波, 这两个晶片之间用隔声层隔 开, 这种探头称作双晶片探头。 为了使发射和接收声束有一交 点, 通常两晶片相互有一倾角。
1985. l . [ 5 ]祁欣, 于国良. 超声波 TR 探头的设计及应用, 传感器技
术, 1999. 1.
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超声波探头是实现电信号与声讯号相互转换的器件, 是超 声波探伤装置的重要组成部分, 超声波在传播过程中遇到障碍 时会发生反射、折射、或是波形的转换, 一一对应于各种缺陷, 这 样我们可以利用被接收的波形中看到缺陷的位置、种类以及数 量等等, 本文是作者通过对探头的原理和结构的研究, 总结了如 何进行双晶片斜探头的设计以及其制作的工艺方法。
2、双晶片斜探头的设计 2. 1 设计事项 (1) 折射角 (或入射角) 横波探头的入射角一般都在第一临 界角和第二临界角之间。为了获得一定的折射角, 需要按照其理 论公式, 根据采用有机玻璃以及被检测材料的声速计算相应的 纵波入射角。 横波探头的常用折射角为 40°、45°、50°、60°、70°、 80°。 (2) 探头频率 频率的高低是影响定量可靠性的重要因素, 频率高灵敏度和分辨率高, 指向性好。 横波探头常用的频率是 1125- 215 兆赫, 也有采用5 兆赫的。随着频率的降低, 探头的尺 寸相应的增大, 否则就不能保证有的指向性和提供足够尺寸的 声陷阱。 (3) 透声楔尺寸和形状 设计横波探头时, 选择合适的长度 和高度是必要的。 设法使经过多次反射的声波不能返回到晶片
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超声波双晶片斜探头的设计与制作工艺方法研究
内蒙古科技大学 任 羽中 王 涛 凌源兴钢建筑安装有限公司 周淑英
[ 摘 要 ]本文作者通过对超声波探头的基本结构和工作原理的分析研究, 以及在实际的应用过程中, 总结了如何进行 超声波双晶片斜探头的设计以及其制作的工艺方法。 [ 关键词 ]超声波 探头 双晶片 压电效应 横波
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上来是设计的原则。 因此, 探头入射点至探头最前端的距离, 应 大到足以使晶片上边缘发射声波, 不会经前臂与底面形成两面 角反射回来。也要注意使晶片下边缘发射声波, 经透声楔反射后 不会回到晶片的上边缘, 见图 (2. 1)。因此不同折射角的探头, 透 声楔的尺寸和形状是不一样的, 特别是设计横波探头时值得注 意的问题。
显然, 处于棱形区的缺陷, 起反射信号强; 同时, 对于同样大 小的缺陷, 位于棱形区边缘时, 相对弱些。由此可知, 探伤灵敏度 是随缺陷所在深度变化的, 灵敏度先随深度增加而增高, 直至一 个最大值, 然后又随深度增加而下降。这种探伤灵敏度的变化是 双晶片斜探头的特点。 双晶片斜探头的探伤灵敏度是随深度变 化的, 发射晶片和接收晶片两声场声束轴线交点Q 处的灵敏度 最高。因此, 在实际探伤中, 要根据被检工件的厚度, 选取适当的 倾角 Η, 使交点在需探测缺陷的位置附近。Η愈小, 交点距探测面 的深度愈深, 棱形区也愈细长, 有利于探测较厚的工件; Η愈大, 交点距离探测面深度愈小, 棱形区愈粗短, 有利于探测较薄的工 件。
[ 2 ]李克明等.《超声波探伤》[M ]. 北京: 水利电力出版社, 1980, 75—98, 195- 196, 187—192.
[ 3 ] 李家伟. 无损检测手册 [M ]. 北京: 机械工业出版社, 2002, 179, 199, 245.
[ 4《] 声波探伤》编写组编著: 超声波探伤. 水利电力出版社,