Пьезоэлектрический преобразователь и способ его изготовления Советский патент 1991 года по МПК G01N29/24 

ё

Изобретение относится к неразрушающему контролю. Цель изобретения - повышение надежности и долговечности преобразователя за счет снижения механических напряжений и повышение технологичности способа его изготовления. Механические напряжения в преобразователе снижаются за счет выполнения демпфера и протектора в виде монолитного узла с диаметром, превышающим диаметр пьезоэлемента, и выбором толщины демпфера не менее, чем в десять раз, большей толщины протектора. Повышение технологичности изготовления преобразователя достигается за счет изготовления протектора аналогично демпферу путем отверждения композиционного материала во втулке, установленной на демпфер. 2 с.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и может быть использовано при ультразвуковом контроле.

Целью изобретения является повышение надежности и долговечности преобразователя за счет снижения механических напряжений и повышение технологичности способа его изготовления.

На фиг. 1 показан пьезоэлектрический преобразователь; на фиг. 2 и фиг. 3 - схемы, поясняющие способ его изготовления.

Пьезоэлектрический преобразователь содержит пьезоэлемент 1, установленные на его поверхностях протектор 2 и демпфер 3, установленную в теле демпфера соосно пьезоэлементу металлическую трубку 4 и размещенные в ней электрические выводы 5 от пьезоэлемента, рант б и буртик 7. Протектор 2 выполнен в виде монолитного узла

с демпфером 3. а величины D и h диаметра демпфера и четверть волновой высоты протектора соответственно выбраны из условий

D Dn+Dn1/2

где Dn -диаметр пьезоэлемента:

Пд - высота демпфера.

Для изготовления пьезоэлектрического преобразователя предусмотрены нижняя полуматрица 8, верхняя полуматрица 9 и втулка 10.

Пьезоэлектрический преобразователь работает следующим образом.

При подаче рабочего импульса на пьезоэлемент 1 часть ультразвуковых колебаний проходит через протектор 2 в контролируемую среду, а другая часть попаОVJ о ел чэ

ю

дает в тело демпфера 3, где происходит их гашение. Градиент напряжений, сосредоточенный на краях протектора, в преобразователе смещается и располагается по периметру демпфера. За счет захвата протектора 2 композитным материалом демпфера 3 концентрация напряжений клеевой системы на краях пьеэоэлемента 1 ослаблена, а так как масса демпфера 3 превосходит массу протектора 2, то при усадке композитного материала происходит подтягивание протектора 2 к пьезоэлементу 1 до достижения окончательной прочности клеевой системы, т.е. усадка используется так, что она способствует увеличению прочности соединения протектора с пьезоэле- ментом.

Торец трубки 4, расположенный на определенном расстоянии (выбор расстояния определяется экспериментальным путем) от тыльной стороны пьезоэлемента 1, способствует равномерному распределению напряжений в преобразователе, что ведет к повышению усталостной прочности при воздействии упругих колебаний на клеевую систему во время работы преобразователя.

При диаметре демпфера меньше указанного отслаивание протектора происходит, как установлено, после 10-20 термоциклов. При выборе диаметра демпфера в соответствии с указанным отслаивание не происходит даже при 100 термоциклах. Дальнейшее увеличение диаметра демпфера нецелесообразно из-за роста габаритов преобразователя и ухудшения его технических характеристик. Установлено также, что отслаивание демпфера и протектора от пьезоэлемента при термоциклировании не происходит, когда толщина демпфера в десять раз и более превышает толщину протектора.

Способ изготовления пьезоэлектрического преобразователя осуществляется следующим образом.

Центральное углубление нижней полуматрицы 8 покрывают тонким слоем вязкой жидкости. Пьезоэлемент 1 с припаянными электрическими выводами 5 по скользящей посадке устанавливают в глухое отверстие нижней полуматрицы 8 и прижимают ко дну, При этом сторону пьезоэлемента 1, подлежащую заливке компаундом, состоящим из эпоксидной смолы с наполнителем, обезжиривают спирто-бензиновой смесью, промывают в мыльном растворе синтетического порошка, прополаскивают и высушивают. Затем на цилиндрическую часть нижней полуматрицы 8 устанавливают по скользящей посадке верхнюю полуматрицу 9 с внутренним диаметром, равным диаметру пьезоэ

лемента 1 плюс корень квадратный из диаметра этого пьезоэлемента и смазывают тонким слоем смазки, например, ЦИАТИМ- 221. Свежеприготовленный демпфирующий

компаунд 3 заливают в литьевую форму, состоящую из нижней 8 и верхней полуматриц 9. Электрические выводы 5 пьезоэлемента 1 пропускаются через трубку 4 и буртик 7. Трубка 4 вводится в центральную часть демпфирующего компаунда 3 соосно пьезоэлементу 1. Для фиксации трубки 4 в демпфирующей композиции предусмотрен буртик 7, который по периметру фиксируется в проточке верхней полуматрицы 9. После

6-8 ч отверждения при 2.0°С преобразователь освобождают из полуматриц. Лицевую часть преобразователя обезжиривают спирто-бензиновой смесью, промывают в мыльном растворе синтетического порошка и

высушивают. Далее на демпфирующую часть преобразователя (фиг. 3) устанавливают фторопластовую втулку 10, нижний конец которой опирается на рант 6. Свежеприготовленный компаунд 2 заливают на лицевую часть пьезоэлемента 1. Для практики высотз заливочного компаунда не должна превышать более половины длины волны на резонансной частоте преобразователя от лицевой стороны пьезоэлемента,

перемешанную с наполнителем смолу подвергают вакуумированию для удаления воздушных включений в вакуумном термостате при 80-90°С в течение 20-30 мин и после охлаждения до перед заливкой

преобразователя за 5-7 мин в нее добавляют отвердитель. Преобразователь помещают втермошкаф и при 85°С в течение 20 мин производят отверждение. После полимеризации композитного материала с преобразователя снимают втулку и в специальной оправке на токарном станке торцуют требуемую толщину резонансного донышка (протектора). Готовый преобразователь подвергают термической обработке в течение 8 ч при 80°С последующим остыванием в термопечи до температуры окружающей среды.

Таким образом, за счет выполнения демпфера и протектора в виде монолитного

узла соответствующих размеров из материала с одинаковыми температурными коэффициентами линейного расширения повышаются надежность и долговечность преобразователя. Исключение в способе

его изготовления трудоемких операций изготовления протектора и демпфера как самостоятельных элементов, их старения, подготовки их контактных поверхностей и приклейки к пьезоэлементу повышает технелогичность сборки преобразователя и его надежность.

Формула изобретения 1. Пьезоэлектрический преобразователь, содержащий пьезоэлемент, установленные на его противоположных поверхностях протектор и демпфер, установленную в теле демпфера соосно с пьезо- элементом металлическую трубку и размещенные в ней электрические выводы от пьезоэлемента, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и долговечности за счет снижения механических напряжений, протектор выполнен за одно целое с демпфером, а величины диаметра D демпфера и четвертьволновой высоты h протектора выбраны из условий:

D Dn+Dn1 0 1

1/2

h

TOhA

где Dn - диаметр пьезоэлемента: Ьд - высота демпфера.

глухом отверстии нижней полуматрицы, на дно которого нанесен тонкий слой вязкой жидкости, установку верхней полуматрицы на нижнюю, введение в верхнюю полуматрицу соосно с пьезоэлементом трубки с раз- мещенными в ней электрическими выводами последнего, заливку композитным материалом полуматриц, отверждение компаунда и извлечение преобразователя из полуматриц, отличающийся тем. что, с целью повышения технологичности, устанавливают на демпфер преобразователя втулку, заполняют последнюю предварительно вакуумированным композитным материалом так, что расстояние от рабочей поверхности пьезоэлемента до поверхности композитного материала не превышает по- ловину длины волны ультразвуковых колебаний на резонансной частоте пьезоэлемента, извлекают после отверждения композитного материала преобразователь из втулки и обрабатывают поверхность композитного материала со стороны рабочей поверхности пьезоэлемента до получения необходимой величины толщины протектора.

Фт.г