Пьезоэлектрический преобразователь и способ его изготовления

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)ю G 01 N 29/24

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

V

О (Я О

Ю (21) 4709207/28 (22) 10,05.89 (46) 15.08.91, Бюл. М. 30 (71) Куйбышевское специальное конструкторское бюро Научно-производственного обьединения "Нефтехимавтоматика" (72) Н,С, Марьин (53) 620.179.16(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N. 1548747, кл. G 01 N 29/24, 1988. (54) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к неразрушающему контролю. Цель изобретения — повыИзобретение 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 6 и буртик 7. Протектор 2 выполнен в виде монолитного узла

„.,!Ж„, 1670592 А1 шение 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 эа счет изготовления протектора аналогично демпферу путем отверждения композиционного материала во втулке, установленной на демпфер.

2 с,п. ф-лы, 3 ил. с демпфером 3, а величины 0 и h диаметра демпфера и четверть волновой высоты протектора соответственно выбраны из условий

D=D n+Dn

1/2 (1

10 д где D — диаметр пьезоэлемента:

6д — 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 и "отектор 2 в контролируемую среду, а другая часть попа1670592 дает в тело демпфера 3, где происходит их гашение. Градиент напряжений, сосредоточенный на краях протектора, в преобразователе смещается и располагается по периметру демпфера, 3а счет захвата протектора 2 композитным материалом демпфера 3 концентрация напряжений клеевой системы на краях пьезоэлемента 1 ослаблена, а так как масса демпфера 3 превосходит массу протектора 2, то при усадке компоэитного 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 пьезоэлементом.

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 пьеэоэ5

55 лемента 1 плюс корень квадратный из диаметра этого пьезоэлемента и смазывают тонким слоем смазки, например, ЦИАТИМ221. Свежеприготовленный демпфирующий компаунд 3 заливают в питьевую форму, состоящую иэ нижней 8 и верхней попуматриц

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 20 С преобразователь освобождают иэ 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 высота 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 20 — 25 С перед заливкой преобразователя за 5-7 мин в нее добавляют отвердитель. Преобразователь помещают в термошкаф 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, эа 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 тех1670592

/ с нологичность 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 пьезоэлементом 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 0 демпфера и четвертьволновой высоты h протектора выбраны из условий:

0=0л+0

1!г (1

1О l где 0л — диаметр пьезоэлемента: ha — высота демпфера.

2. Способ изготовления пьезоэлектрического преобразователя, включающий установку и фиксацию пьезоэлемента в глухом отверстии нижней полуматрицы, на дно которого йанесен тонкий слой вязкой жидкости, установку верхней полуматрицы на нижнюю, введение в верхнюю полуматрицу соосно с пьезоэлементом трубки с размещенными в ней электрическими выводами последнего, заливку композитным материалом полуматриц, отверждение компаунда и извлечение преобразователя из полуматриц, о тл и ч а ю щи Ч с я 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 компоэитного материала не превышает половину длины волны ультразвуковых колебаний на резонансной частоте пьезоэлемента, извлекают после отверждения компоэитного материала преобразователь иэ втулки и обрабатывают поверхность композитного материала со стороны рабочей поверхности пьезоэлемента до получения необходимой величины толщины протектора.

1670592

Составитель В. Сорокин

Редактор О. Спесивых Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор С, Шевкун

Заказ 2747 Тираж 372 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r Ужгород, ул.Гагарина, 101