[发明专利]一种叠层复合结构超声波探头

说明书

(一)技术领域

本发明涉及到一种在超声波泄漏检测装置中用于超声波接收器的超声波探头，进而涉及到这种超声波探头的制造方法。

(二)背景技术

在超声波探头中，作为用于对超声波进行接受的超声波换能器，主要以PZT(锆钛酸铅：Pb(lead)zirconate titanate)为代表的压电陶瓷、及以PVDF(聚偏二氟乙烯：polyvinyliden difluoride)为代表的高分子压电材料等压电体的两端形成电极的压电振子。

当向这种压电振子施加超声波激励时，压电体接受超声波而产生伸缩振动，通过正压电效应，将机械能转换为电能，在压电体电极两侧产生一电信号。该电信号作为超声波的检测信号使用。

超声波泄漏检测装置中使用的超声波探头将接受到来自泄漏源产生的超声波，根据超声波探头检测到信号强弱比较，来定位泄漏源位置。实际使用情况，可通过改变压电陶瓷振子的长度和直径来改变接收器的谐振频率和垂直方向接收角；接收器的水平波束指向性可通过改变外壳的设计来改变。

作为相关技术，日本国专利申请公开JP-P2003-70096A中公开了使用具有细微构造的复合压电体的超声波探头，在该复合压电体中，在树脂层表面一定方向上排列有多个细线状烧结压电体而成的复合片材，使各细线状烧结压电体位于树脂层之间的方式层叠多个并成一体化。

日本国专利申请公开JP-P2003-174698A中公开了高频带的超声波振动对应的复合压电体的制造方法。在该制造方法中，形成单位复合片材，并通过层叠该复合片材而形成复合压电体。单位复合片材的制造方法包括以下步骤：准备在板状压电体的一个表面上形成有树脂层的复合板，对复合板的板状压电体，不完全断开树脂层地形成多个槽，从而有板状压电体形成多个细线状压电体的步骤。

日本国专利申请公开JP-P2003-189395A中公开了一种复合压电体的制造方法。可低成本制造电阻抗小的复合压电体，复合压电体具有细微的、纵横比高的多个柱状压电体。该制造方法中包括以下步骤，在树脂层上准备将向一个方向延伸的多个压电体及多个导电体交互配置而成的复合板的步骤；对复合板的板状压电体，形成在与压电体的长边方向相交的方向上延伸的多个槽，从而在树脂层上形成多个柱状压电体、及横切多个柱状压电体而延伸的多个内部导电体的步骤。

但是，随着压电振子的细微化，振子的电阻抗上升。收发的超声波的频带中的振子的电阻抗与超声波泄漏检测装置主体的接受电路的电阻抗或连接电缆的特性阻抗相比较大时，检测信号的传递特性下降。而且，加上振子尺寸变小，接收时的灵敏度下降。为了弥补这种灵敏度下降，使振子为层叠构造，串联各层振子，从而提高压电振子电压灵敏度；若并联各层振子，可提高压电振子电荷灵敏度。

本发明方法的有益效果是，根据需要可以制作层叠构造的压电振子，层叠构造的压电振子又可以制成半球壳状。半球壳状压电陶瓷结构可以利用多种规格的凸凹半球型模具挤压成型，高温烧结形成具有较高d₃₃系数的压电陶瓷半球壳单体，在烧成的压电陶瓷半球壳单体的凸凹面上印刷电极浆料，叠层成多层结构，高温烧成浆料，形成半球壳型叠层结构一体化。这种多层复合结构的叠层压电振子具有相对较低的电阻抗，频带特性好。通过装配结构变化，可以改善水平波束指向性，增强超声波探测方位能力；也可实现缩小垂直方向接收角，使压电振子制作的超声波探头具有良好的定位功能。

(三)发明内容

本发明的目的是为了解决超声波探头存在的以下问题：(1)压电振子灵敏度较低，扑捉管路泄漏产生的超声波能力弱；(2)频带特性窄，难以适应各种材料的管材破损形状所产生的不同频段的超声波(3)通过变化外壳安装结构，即可增宽压电振子的水平波束指向性，也可缩小垂直方向接收角。

本发明的目的是这样实现的：

a、采用锆钛酸铅(PZT)基材料，掺杂铈锰酸铅，形成改性PZT压电陶瓷粉体；

b、在Pb(Mn_1/3Ce_2/3)O₃-PZT体系压电陶瓷粉体中加入溶剂与分散剂，用研磨或超声波分散的方法混匀后，加入塑性剂与粘接剂，再混合均匀，形成料浆；

c、料浆通过过筛、除气后，在流延机上成膜，素坯干燥；

d、将流延膜在凸凹半球壳型模具上挤压成型；

e、高温烧结形成高致密度、高强度的压电陶瓷瓷坯，固型；

f、在半球型瓷坯内外表面上印刷电极浆料，烘干；

g、将印好电极的瓷坯进行叠层，烧结，形成带有导电厚膜电极的一体化半球壳体；