壓電微型超聲換能器陣列設計及焊縫檢測應用

孫長河,李博倫,黑 創,羅明璋,杜國鋒,劉玉菲

(1. 長江大學 電子信息學院,湖北 荊州 434023;2. 長江大學 城市建設學院,湖北 荊州 434023;3. 光電技術及系統教育部重點實驗室(重慶大學),重慶 400044)

0 引言

對接鋼板在焊接過程中受工作環境、焊接工況及焊接技術員工藝水平等因素的影響,在熔合區和焊縫區可能會產生一些裂紋、氣孔、未熔合、未焊透及夾渣等缺陷[1-2]。這些焊縫缺陷會不斷地降低鋼結構機械強度直至最終失效,對人民生命財產安全和國家現代化工業發展造成巨大威脅。超聲無損檢測技術因具有穿透性強,指向性好,靈敏度高,對環境和人體無害,適用范圍廣等優勢,已成為當前鋼結構焊縫檢測領域的熱點方向之一。近年來,研究人員采用低頻壓電導波傳感器對對接薄鋼板的焊縫檢測進行了研究[3-7],針對3 mm特征尺寸的焊縫缺陷識別效果較好。另外,采用單晶元超聲換能器結合超聲衍射時差法可實現對接厚鋼板焊縫內的缺陷檢測[8-10],但掃描成像過程較復雜,且難以準確定位和評估缺陷。此外,常規單晶元超聲換能器存在壓電晶片尺寸大,頻帶窄及缺乏陣列化設計等不足,影響焊縫缺陷檢測分辨率。

多晶元超聲換能器相控陣具有檢測結果顯示直觀,檢測分辨率高和可聚焦掃描等優點,Li、Yamamoto和Fu等[11-13]先后設計出具有多晶元的超聲相控陣系統,并在管道環焊縫上展開了實驗測試,狹縫尺寸誤差小于2 mm,但相控陣探頭一般尺寸較大,成本較高,必須與復雜的多通道發射/接收電路模塊集成使用,且為了通過偏轉角度實現深度區域掃描通常需將壓電晶片水平并排,一定程度上犧牲了橫向檢測分辨率。因此,本文設計研制一種可用于20 mm以上中厚鋼板焊縫檢測的多通道壓電微型超聲換能器(PMUT)陣列,兼顧常規單晶元超聲換能器探頭和多晶元超聲換能器相控陣探頭的技術優勢,具有體型小,帶寬大,分辨率高和掃描模式應用靈活等特點。

1 PMUT陣列理論設計

1.1 結構設計

PMUT陣列整體結構設計示意圖如圖1所示。壓電晶片、楔塊和保護膜的材料分別為鋯鈦酸鉛(PZT)、聚苯乙烯(Rexolite)和碳化鎢/環氧樹脂復合材料,阻尼塊和吸聲塊的材料均為鎢粉-樹脂-玻璃球復合材料。為了提高檢測橫向分辨率和區別于常規相控陣線陣結構,微型壓電晶片線陣按照水平方向進行排列設計,其中各陣元上、下兩面均鍍有一層銀薄膜電極,并分別采用信號傳輸線引出,既可單個陣元獨立工作,也可多個陣元協同工作。

圖1 PMUT陣列整體結構設計示意圖

1.2 工作頻率設計

當PMUT陣列工作在厚度伸縮振動模式時,為了避免徑向振動模式對厚度伸縮振動模式的干擾,通常將壓電薄膜的直徑或長度設計成其厚度的10倍以上,其諧振頻率fr、反諧振頻率fa與壓電晶片厚度t間的關系為

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PMUT陣列的工作頻率越高,其檢測靈敏度越高,聲束指向性越好,但超聲波能量衰減越快,近場區長度也越大,所以一般應在保證缺陷檢測分辨率夠用條件下盡量選擇較低的工作頻率。針對500 μm特征尺寸的焊縫缺陷,能區分識別的時間間隔最大應不超過PMUT陣列固有振動周期的0.4倍[14],依據超聲橫波在不銹鋼板中的傳播速度v≈3 200 m/s,可計算出其工作頻率最低應為2.56 MHz。考慮到一方面超聲波在鋼板中會隨著頻率的增大而加快衰減,頻率過高,超聲波在厚鋼板中的穿透能力較差;另一方面在制作超聲換能器時背襯阻尼塊和保護膜會降低工作頻率,通常在設計時需適當提高頻率[15]。因此,為了實現對厚度超過15 mm的對接鋼板焊縫缺陷高精度檢測,選用2.7 MHz作為設計PMUT陣列的厚度伸縮振動頻率。

2 PMUT陣列研制

假設超聲波束的偏轉角度為θ,PMUT線性陣列數目為N,則其聲場指向性D(θ)可寫為

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式中λ為超聲波波長。

為了增強PMUT線陣的指向性,可以采用增加陣元數目、適當增加陣元間距或減小超聲波波長(即增加頻率)。為了有效地消除旁瓣帶來的回波混疊現象,一般考慮陣元間距小于超聲半波長。另一方面,盡管增加陣元數目可使超聲波主瓣變窄,但是過多的陣元數目將增加制造成本,探頭體型,布線難度和后端處理電路設計復雜度。因此,最終設計PMUT陣列壓電晶片厚度為760 μm,壓電晶片寬度為500 μm,陣元間距為1.0 mm,陣元長度為10 mm,陣元數目為8。

委托汕頭超聲儀器分公司加工制作PMUT陣列,其中8個陣元分別采用8個獨立的通道連接,方便用于實現各通道超聲信號的發射與接收。PMUT陣列的引線連接端口選用C5-50KY。研制的8通道PMUT陣列探頭實物如圖2所示。

3 PMUT陣列探頭性能測試

3.1 PMUT陣列電學性能測試

圖3 PMUT陣列探頭無楔塊下的阻抗頻譜

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表1 國內外PMUT陣列的keff對比

圖4 PMUT陣列探頭加楔塊后的阻抗頻譜

3.2 PMUT陣列超聲性能測試

采用奧林巴斯生產的5072PR脈沖發生接收儀展開超聲特性測試研究,測試中設置電學阻尼為500 Ω,發射強度為1,接收增益為0,重復頻率為1 kHz,設高、低通濾波頻率分別為1 kHz、10 MHz,并采用厚20 mm的Rexolite試塊進行超聲回波測試,該試塊的聲波速度為2 870 m/s。以PMUT陣列的子單元4為例,在加入楔塊后的超聲回波結果如圖5(a)所示,回波脈沖持續時間約為1.6 μs,回波電壓峰值為1.5 V。通過對時域的超聲回波進行快速傅里葉變換得到頻域內的歸一化圖譜如圖5(b)所示,其-6 dB相對帶寬為80.5%。通過對8個陣元的超聲響應頻帶特性分析,結果如圖6所示,其-6 dB相對帶寬最小值為77.13%,最大值可達87.85%,平均值為80.28%,說明通過聲阻抗匹配層和楔塊設計可以實現寬頻帶的PMUT陣列設計,有利于應用在超聲無損檢測領域。

圖5 PMUT陣列探頭加楔塊后的超聲回波及其頻譜

圖6 PMUT陣列中各陣元的-6 dB相對帶寬分布情況

4 鋼板對接焊縫缺陷檢測應用

為進一步檢驗所研制PMUT陣列探頭的檢測性能,將其應用于檢測標準對接鋼板試塊內部缺陷,搭建測試系統平臺如圖7所示,包括汕頭超聲有限公司的多通道超聲探傷儀CTS-02UT、筆記本電腦(PC)、信號采集系統軟件顯示界面、研制的PMUT陣列探頭和標準對接鋼板試塊。其中多通道超聲探傷儀可實現超聲脈沖信號的激發與接收,在測量中保持探頭后端與試塊的側面處于同一端面上。所用標準對接鋼板試塊的厚度為25 mm,內部缺陷為直徑?1 mm、深度2.5 cm的直線鉆孔,在試塊內焊縫的厚度界面上依次分布3個不等間距的鉆孔,如圖8所示。

圖8 標準對接鋼板試塊實物及測試安裝圖

圖9為分別采用PMUT陣列中的8個陣元探測焊縫內缺陷得到的原始波形數據。其中在雙聲程為0～80 mm范圍內的響應信號包含陣列探頭與試塊接觸面、試塊底面及試塊側面的反射回波。

圖9 超聲陣列探頭測試標準試塊的回波采集數據

由圖9可以看出,8個陣元在該雙聲程范圍的回波信號均較雜亂,在后續檢測焊縫缺陷時可作為背景信號,而在雙聲程為80～200 mm內主要為超聲脈沖遇到焊縫內缺陷后反射的回波數據。雖然對不同深度的鉆孔缺陷響應距離和信號強度略有不同,但3個直徑為?1 mm的鉆孔缺陷所對應的超聲回波信號均明顯,說明設計研制的PMUT陣列探頭檢測分辨率優于1 mm。由于8個陣元可獨立或聯合使用,無需通過復雜的多通道發射/接收電路模塊及程序控制即可工作,體現出在超聲回波檢測(A型/B型/C型掃描等)、超聲相控陣檢測和超聲衍射時差檢測(TOFD)中較高的應用潛力。

5 結束語

本文理論設計并制作了一種可應用于25 mm及以上厚度對接鋼板焊縫缺陷檢的八通道PMUT陣列探頭,開展了詳細的電學測試、超聲測試和檢測應用。理論設計諧振頻率與實驗測試的結果基本一致,陣列中各陣元之間的最大相對偏差不超過2%,各陣元的-6 dB相對帶寬平均值為80.28%,最大可達87.85%,該陣列探頭結合多通道連接器可根據檢測需求按照單陣元、多陣元及陣列的工作方式靈活應用。研制的陣列探頭實現了對25 mm厚度的標準對接鋼板試塊內部鉆孔缺陷準確識別檢測,檢測分辨率優于1 mm。此外,陣列探頭中的8個陣元可獨立或聯合工作,可以靈活應用于不同掃描工作模式(A、B、C、S和P掃描等),與不同的超聲檢測系統具有良好的兼容性。結合最新相控陣檢測或超聲衍射時差檢測方法有望進一步提高檢測分辨率。