一种实时监测螺栓式压电高温换能器的制备方法

技术领域

本发明属于无损检测领域，涉及一种实时监测螺栓式压电高温换能器及其制备方法。

背景技术

压力容器、管道等承压类特种设备广泛用于石化、电力、冶金等国民经济支柱领域，大多在高温高压等严苛环境下工作。承压类特种设备因螺栓故障、松动导致的安全事故不胜枚举，因此对高温环境下的螺栓预紧力进行长期稳定的实时监测是十分迫切的。接触式的超声检测是工业无损检测的常用技术。随着时代的发展，工业上对超声检测的要求愈发苛刻。为了监测发电站和石化厂中关键部件和工艺参数的完整性，通常需要在高温环境中长期安装超声波换能器，以允许连续的在线监测。

2021年7月20日，授权号为CN213749751U的中国专利公开了一种高温换能器探头，包括第一结构件，所述第一结构件的下方设有第二结构件，且第一结构件与第二结构件之间活动连接有压电陶瓷片组，所述第二结构件的底端安装有变幅杆主体，所述压电陶瓷片组的两侧安装有铜片，所述第一结构件的外圈焊接有固定板，且固定板上开设有两个通孔，所述第二结构件的正面与背面壳壁上均开设有限位槽，且限位槽中活动连接有套筒。该专利通过各种结构的组合使得本装置在对导线的连接部位进行防护，取代传统的单一胶粘剂，从而不仅避免了连接部位的裸露，增强设备的安全性，且避免了连接部位由于外力原因而导致损坏，延长设备的使用寿命。

2022年11月1日，申请公布号为CN115266950A的中国专利公开了一种高温下高换能效率低水流冲击信号稳定的电磁超声换能器，包括中空筒体、玻璃板、线圈、永磁体、环形体、纵剖面呈L形的内底板和套于内底板外的外底板，内底板安装在中空筒体底部，玻璃板嵌装于中空筒体与内底板之间且将中空筒体的底端封口，线圈固定于玻璃板的下方并伸于内底板中，环形体位于玻璃板上且紧贴于中空筒体，永磁体的底部紧插于环形体中，环形体的底部向内延伸一圈形成一个承托永磁体的承载台，环形体上开设有进口槽和出口槽，进口槽为从环形体的底端向上开设至高于承载台面的缺口槽，出口槽为从环形体的顶端向下开设至低于承载台台面的缺口槽，进口槽与中空筒体上开设的一个冷却介质入口连通，中空筒体上还开设有一个冷却介质出口。

2023年5月16日，授权号为CN219024904U的中国专利公开了一种高温超声换能器，包括加固模块、液态波导模块和压电模块；其中加固模块设置于所述液态波导模块的一端，所述加固模块与高温流体接触；液态波导模块背离加固模块的一端与压电模块固定连接。该专利通过加固模块作为接触高温流体的探测前端，弥补了液态波导模块前壁结构薄弱，在持续高温环境下易于变形、破碎的缺点。该专利结构简单，性能稳定，能够很好地满足实际高温流体测速所需的高温超声换能器性能需求。

上述乃至目前专利中的换能器均可在高温环境下工作，然而存在以下问题：

1)工作温度较低。目前公开的专利大多采用有机物(如环氧树脂、机油等)耦合以及锡焊点，锡焊点的熔点尚且仅有200℃，更不必说有机耦合剂。而承压设备大多工作温度为350℃，传统换能器根本没法满足需求。

2)高温环境下工作时间短。由于承压等设备工作周期与服役时间相当久，部分承压设备服役时间甚至以年为单位，传统换能器仪表精密、结构脆弱，根本无法实现长期稳定监测，仅能用于瞬时测量。

3)针对性与适配性差。螺栓在设备中数以千计，被誉为“工业之母”。然而目前的换能器结构各异，螺栓的短期、常温测量尚且面临尺寸不匹配、安装不稳定等问题，更遑论长期稳定的高温实时监测。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种实时监测螺栓式压电高温换能器的制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种实时监测螺栓式压电高温换能器，包括上电极、下电极、压电晶片，银耦合层，螺栓。所述上电极通过第一焊点固定于压电晶片上方，所述压电晶片通过银耦合层固定于螺栓的安装端面，所述下电极通过第二焊点固定于螺栓的安装端面。

进一步地，所述的上电极和下电极，均为耐高温片状材料，整体镀银或金，优选地，整体镀银。所述的耐高温片状材料优选可伐合金。

进一步地，所述的第一焊点以及第二焊点，均为无压烧结的纳米银焊点。

进一步地，所述的压电晶片为耐高温压电晶片，优选36°旋转y方向切割的LiNbO

进一步地，所述的压电晶片两面均镀银或金中的任意一种，优选镀银。

进一步地，所述的银耦合层厚度小于50微米，优选30微米。

进一步地，所述的螺栓的安装端面镀银或金中的任意一种，优选镀银。

进一步地，所述的银耦合层为SMT(表面贴装技术，Surface Mounted Technology)钢网印刷制备。

进一步地，所述的银耦合层由无压型纳米银膏烧结制备。

本发明中，一种实时监测螺栓式压电高温换能器的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：将一定厚度的SMT钢网置于螺栓的安装端面上方。

步骤2：挤压适量无压型纳米银膏于钢网孔内，并采用刮刀刮平。

步骤3：轻抬钢网以获得与SMT钢网同厚的的膏状纳米银层银耦合层。

步骤4：将压电晶片表贴于银耦合层上方。

步骤5：在压电晶片上端面的第一焊点位置点胶无压型纳米银膏；在螺栓的安装端面的第二焊点位置点胶无压型纳米银膏。

步骤6：将上电极与下电极分别表贴于步骤5的第一焊点位置和第二焊点位置。

步骤7：将换能器整体放入烘箱中烧结，烧结温度350℃，烧结时间50分钟。

有益效果：

1、本发明采用耐高温压电晶片作为激发端，实现了高温环境下的超声波激发。采用整体镀银的耐高温片状材料作为电极，实现了高温环境下的数据稳定传输，提高了换能器高温环境的可靠性。

2、本发明将耐高温材料与无压纳米银烧结技术结合，通过纳米银耦合层以及纳米银焊点保障了换能器整体的粘接以及长期高温环境下的可靠性。实现了高温环境下长期稳定的连续实时监测。

3、本发明基于无压型纳米银膏，通过将SMT钢网印刷与点胶工艺相结合，不依赖热压机等设备，实现了换能器一次烧结成型，大大缩短了换能器的制造周期，降低了制造时间成本与人工操作成本，显著提高了制造效率。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1为本发明压电高温换能器的系统结构示意图。

图中标号名称：1、上电极，2、第一焊点，3、下电极，4、第二焊点，5、压电晶片，6、银耦合层，7、螺栓。

图2为本发明压电高温换能器的制备步骤图。

图3为螺栓式压电换能器测试系统实验图。

图4为螺栓式压电换能器测试系统连接示意图。

图5为常温下螺栓式压电换能器的输出信号。

图6为350℃高温下保温50小后的螺栓式压电换能器的输出信号。

图7为因高温损坏的常规超声换能器信号。

具体实施方式

实施例1：

图1为本发明压电高温换能器的系统结构示意图。包括上电极1、第一焊点2、下电极3、第二焊点4、压电晶片5、银耦合层6、螺栓7。上电极1通过第一焊点2固定于压电晶片5上方，所述压电晶片5通过银耦合层6固定于螺栓7的安装端面，所述下电极3通过第二焊点4固定于螺栓7的安装端面。

图2为本发明压电高温换能器的制备步骤图。以下实施例中所述的压电晶片为以36°旋转y方向切割的LiNbO

步骤1：将30微米厚的SMT钢网置于螺栓(316L)7的安装端面上方。

步骤2：挤压适量无压型纳米银膏于钢网孔内，并采用刮刀刮平。

步骤3：轻抬钢网以获得30微米厚的膏状纳米银层银耦合层6。

步骤4：将LiNbO

步骤5：在LiNbO

步骤6：将上电极1可伐合金与下电极3可伐合金分别表贴于步骤5的第一焊点2位置和第二焊点4位置。

步骤7：将换能器整体放入烘箱中烧结，烧结温度350℃，烧结时间50分钟，换能器制备完成。

本发明设计的一种实时监测螺栓式压电高温换能器的制备方法。与传统的换能器相比，最大的优势和特色如下：(1)服役温度高，服役时间久。本文采用无压烧结的纳米银作为换能器的耦合层/粘接层以及焊点；以36°旋转y方向切割的LiNbO

实施例2：

将制备的螺栓式换能器接入测试系统进行实验，测试换能器高温环境下的稳定检测能力，如图3和图4所示，图3中间竖直放置的即为本发明所述的换能器，将换能器的上电极与下电极接入双工器的两个引脚，此处并没有对螺栓施加预紧力。双工器与数字示波器和功率放大器连接，功率放大器和数字示波器同时连接函数发生器，通过函数发生器激发五周期的Hanning window脉冲，功率放大器放大倍数设置为0.8％，即可于示波器上获得如图5所示的声波信号。图5为本发明换能器常温下波形图。

将换能器置于高温炉中以350℃加热50小时，声波信号如图6所示。为了凸显本发明的优越性，图7为因高温损坏的常规超声换能器信号。换能器接受的声波信号是否清晰直接决定了换能器的测量精度与性能。换能器的输出结果根据回波波包之间的时间间隔(即渡越时间TOF)计算。因此，测量(甚至是恶劣环境，如高温等)时回波信号越清晰、回波波形越规则、回波之间间隔越明显，换能器的计算结果越准确，精度越高。对比图5、6、7可知，图5、6所示的信号清晰，波形未出现失真，各个波包之间无重叠与干扰，可见制备的换能器具备高温环境下长期稳定监测的能力。。反例如图7所示，图7为常规换能器，在高温环境下，常规换能器出现故障，波形出现严重的失真，波包重叠、畸变。此时，无法分辨一次回波与二次回波，更遑论计算回波之间的TOF，换能器丧失工作能力。

根据图5与图6的信号，即可计算渡越时间TOF，渡越时间为相邻两个波包中间的时间差，如图5所示。螺栓的预紧力可以通过其TOF进行定量表征，假设预紧的螺栓渡越时间为TOF1，待测螺栓渡越时间为TOF2，当TOF1＜TOF2时，螺栓为松动状态。

本发明提供了一种实时监测螺栓式压电高温换能器的制备思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。