一种新颖高温超声测厚实验系统研究(Ⅰ)——-声系统及使用效果

　　1　前言

　　早在1947年,美国GM公司首次推出共振法超声测厚仪,它虽精度尚高,但要求工件表面很光洁,测程不宽,难于实用。国际上出现的超声干涉法和兰姆波法,也未推广。近年诸学者〔1~5〕研究了脉冲超声法,并成为当今测厚的主流。80年代后期,随着电子技术迅猛发展,超声测厚朝高精度、小体积、多功能及低功耗方向发展,不断出现新产品。例如:美国Peneme-tries公司的5320型、德国K-K的DM3型和日本三菱的F0-36型等。90年代推出了Mag-neflux公司的MX-10型、NDT公司的NOVA100-D型等智能化超声测厚仪,并普遍推广。

　　近二十年,我国亦有若干厂家生产了普通超声测厚仪。本文针对传统技术的缺陷,实现低功耗、小体积、高精度、智能控制、多种介质使用等诸多要求,研制出一种实验系统。本文阐述其原理、特点及使用效果。

　　2　5MHz高温超声测厚换能器系统

　　2·1　结构

　　超声换能器是测厚系统的核心部件。环境超过100℃的工业超声检测要求专门设计换能系统〔6〕。我们研制的系统如图1所示。图中换能器由保护膜、高温延迟块波导、压电双晶片(PZT-2,居里温度为270℃)、不锈钢外壳、吸声背衬、环氧树脂套、封装化合物及隔热手柄等组成。

　　2·2　双晶片声探头夹角设计

　　双晶片探头(半圆)按一定开角(180°-2α)安装,以保证发射晶片发射波束到测厚底面再反射回来,接收晶片又能较好地收到反射波束,如图2所示。由图可知:这种探头存在近程盲区(d0)及远程盲区(dmax)。当测程大于dmax或小于d0时,测厚仪均不能正常测厚。从几何关系推算,有

式中:L为波导延迟块(半圆)的中心点离切割面距离(L =2.5mm);a为晶片半径;C1、C2分别为延迟块与钢管中的声速;H为延迟块高度(H =20mm)。

　　根据式(1)、(2)与给出的尺寸,可计算得不同入射角时近、远程盲区值,见表1。

　　2·3　高温延迟块声波导设计

　　高温条件下,当传感器长时间与物体接触时,热量通过保护膜向后传导时,使压电晶片升温,严重影响其性能。倘需超过320℃,可选择如铌酸锂(LiNbO3)它的居里点为1210℃,且具有高力学强度、高化学稳性及高温压电特性。但将其制成探头时,因在高温下存在氧化还原作用会导致电机性能下降,需附有输氧设备,故不适宜携带使用。为解决通常PZT压电陶瓷探头居里点不够高的难题,本系统设置了高温延迟块,以确保PZT探头正常工作。另一方面,由于是自发自收式探头,发射电压高达几十伏,余响持续时间较长,加在接收电路输入端的发射信号仍很强,如图3所示。到达图3中A点后,接收信号才开始比发射信号强,但如迭加一强余响回波仍难分辨。到C点后,接收信号才基本摆脱了发射信号的影响。0C段为盲区时间,盲区时间内测厚难以进行。到B点后,接收信号低于阈值,这是系统的测量远限。采用高温延迟块后可以显著地减小盲区。