本發(fā)明涉及一種用于管道無損檢測(cè)的單晶傳感器，特別涉及一種單晶傳感器封裝的保壓裝置，還涉及這種單晶傳感器的封裝方法，屬于無損檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。

技術(shù)背景

超聲導(dǎo)波檢測(cè)作為一種新興的無損檢測(cè)技術(shù)，已廣泛運(yùn)用于檢測(cè)管道、鐵軌、高速公路防撞護(hù)欄和鐵軌等結(jié)構(gòu)體中的缺陷。超聲導(dǎo)波運(yùn)用低頻超聲波對(duì)結(jié)構(gòu)體進(jìn)行檢測(cè)，其衰減較小，因此可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離檢測(cè)；超聲導(dǎo)波在結(jié)構(gòu)體中的振動(dòng)遍及結(jié)構(gòu)體的整個(gè)截面，因此可對(duì)結(jié)構(gòu)體進(jìn)行全面檢測(cè)。

超聲導(dǎo)波的激勵(lì)和接收在超聲導(dǎo)波檢測(cè)中尤為重要，能否激勵(lì)出期望的導(dǎo)波模態(tài)直接關(guān)系到檢測(cè)的可靠性。在試驗(yàn)室環(huán)境下可以運(yùn)用壓電晶片直接粘結(jié)在管道上進(jìn)行缺陷檢測(cè)，但此方法不適用于工程檢測(cè)，因?yàn)閴弘娋辰Y(jié)在管道上以后無法取下，不能重復(fù)利用。因此，實(shí)際檢測(cè)時(shí)需要對(duì)壓電晶片進(jìn)行封裝，制作成傳感器。

現(xiàn)有的超聲波傳感器封裝方法為將壓電元件固定在傳感器外殼內(nèi)，然后將環(huán)氧樹脂膠水和軟木粉或金屬粉末混合后灌入外殼內(nèi)。由于環(huán)氧樹脂膠水在固化過程中會(huì)產(chǎn)生收縮現(xiàn)象，這必將使壓電元件內(nèi)部產(chǎn)生一定的壓應(yīng)力，降低了傳感器的靈敏度。

中國(guó)實(shí)用新型專利CN201107299Y公開了一種高性能管道超聲導(dǎo)波檢測(cè)傳感器，該專利公開了超聲導(dǎo)波弛豫鐵電單晶傳感器的主要結(jié)構(gòu)，其背襯層運(yùn)用灌裝的方式進(jìn)行封裝，一定程度上降低了傳感器靈敏度。

中國(guó)發(fā)明專利CN101325824A公開說明書公開了一種超聲波傳感器的制造方法，該方法運(yùn)用焊接的方法用導(dǎo)線把壓電片的電極引到導(dǎo)電體上，焊接時(shí)必然伴隨著對(duì)壓電片進(jìn)行一定程度加熱，這會(huì)導(dǎo)致壓電片一定程度的退極化，降低了壓低片的壓電常數(shù)，進(jìn)而降低傳感器的靈敏度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種操作簡(jiǎn)單，對(duì)人員技術(shù)要求較低，成本低，成品率高的超聲導(dǎo)波弛豫鐵電單晶傳感器封裝的保壓裝置及封裝方法。

本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

一種超聲導(dǎo)波弛豫鐵電單晶傳感器封裝的保壓裝置，包括頂緊螺栓、殼體、上壓塊、下壓塊和導(dǎo)向彈性支撐機(jī)構(gòu)，所述殼體呈矩形，包括連接成一體的上邊、下邊和兩個(gè)側(cè)邊，所述頂緊螺栓下端垂直擰入殼體的上邊后抵靠在上壓塊上端面上，上壓塊下端面抵靠在下壓塊的上側(cè)，下壓塊四角通過導(dǎo)向彈性支撐機(jī)構(gòu)支撐在殼體的下邊上；所述導(dǎo)向彈性支撐機(jī)構(gòu)包括分別設(shè)置在下壓塊四角的導(dǎo)向孔、導(dǎo)向螺釘和彈簧；導(dǎo)向螺釘上端的光桿與下壓塊對(duì)應(yīng)的導(dǎo)向孔間隙配合，導(dǎo)向螺釘下端擰入下邊中，彈簧套在導(dǎo)向螺釘中部上，且位于下壓塊和下邊之間。

本發(fā)明的目的還可以通過以下技術(shù)措施來進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)。

進(jìn)一步的，其中所述導(dǎo)向螺釘上端的光桿垂直方向上刻有刻度；所述上壓塊呈T形，所述T形的上橫邊上側(cè)設(shè)有與頂緊螺栓下端端頭間隙配合的上壓塊沉孔。所述T形的垂直邊的寬度與傳感器寬度相同。

進(jìn)一步的，其中所述下壓塊上側(cè)設(shè)有放置傳感器的下壓塊沉孔。

一種使用超聲導(dǎo)波弛豫鐵電單晶傳感器封裝的保壓裝置進(jìn)行封裝的方法，包括以下步驟：

1）粘結(jié)配層和壓電晶片

將聲阻抗接近碳鋼管的不銹鋼片作為匹配層放置在工作臺(tái)上，用環(huán)氧樹脂膠均勻涂覆在匹配層上，涂覆的環(huán)氧樹脂膠水厚度小于0.1mm；將壓電晶片的負(fù)極面與匹配層粘結(jié)；

2）對(duì)匹配層和壓電晶片組件加壓并保壓

將粘結(jié)后的匹配層和壓電晶片組件的中心對(duì)準(zhǔn)保壓裝置的下壓塊沉孔中心后放入到下壓塊沉孔中，旋轉(zhuǎn)頂緊螺栓，使頂緊螺栓推動(dòng)上壓塊壓緊匹配層和壓電晶片組件，下壓塊壓住彈簧下沉，直至導(dǎo)向螺釘上端的光桿的刻度指示上壓塊和下壓塊對(duì)匹配層和壓電晶片組件已有10N的壓力，在此壓力下常溫保壓12小時(shí)；

3）制備背襯層

將環(huán)氧樹脂膠、碳化硅和聚硫橡膠混合后澆灌到模具中制成長(zhǎng)方體形的背襯層，

4）正極銅箔和負(fù)極銅箔定位在壓電晶片上并與背襯層粘接

將經(jīng)過步驟2）加壓和保壓的匹配層和壓電晶片組件水平放置在工作臺(tái)上，使壓電晶片具有正負(fù)極的一面朝上；將垂直于匹配層和壓電晶片組件縱向的正極銅箔放置在壓電晶片的縱向中心，其中，正極銅箔與壓電晶片正極面的重疊長(zhǎng)度為3mm；接著將垂直于匹配層和壓電晶片組件的負(fù)極銅箔橫向的負(fù)極銅箔放置在壓電晶片橫向一側(cè)中心，負(fù)極銅箔與壓電晶片負(fù)極面的重疊長(zhǎng)度為3mm；然后將環(huán)氧樹脂膠均勻涂覆在背襯層的下面后將背襯層粘結(jié)到壓電晶片上，此時(shí)正極銅箔及負(fù)極銅箔壓在背襯層和壓電晶片之間；

5）對(duì)匹配層和壓電晶片組件與背襯層的粘接體加壓并保壓

將粘結(jié)后的匹配層、壓電晶片組件和背襯層的粘接體中心對(duì)準(zhǔn)保壓裝置的下壓塊沉孔中心后放入到下壓塊沉孔中，旋轉(zhuǎn)頂緊螺栓，使頂緊螺栓推動(dòng)上壓塊壓緊匹配層和壓電晶片組件與背襯層的粘接體，下壓塊壓住彈簧下沉，直至導(dǎo)向螺釘上端的光桿的刻度指示上壓塊和下壓塊對(duì)匹配層和壓電晶片組件與背襯層的粘接體已有10N的壓力，在此壓力下常溫下保壓12小時(shí)；

6）裝配外殼

先將正極導(dǎo)線一端和負(fù)極導(dǎo)線一端分別與對(duì)應(yīng)的正極銅箔上端和負(fù)極銅箔上端焊連，然后將正極導(dǎo)線和負(fù)極導(dǎo)線從外殼上部的圓孔中引出。用環(huán)氧樹脂膠均勻涂涂覆在背襯層上部，然后將匹配層和壓電晶片組件與背襯層的粘接體套進(jìn)外殼內(nèi)，使得外殼與粘接體粘接成一體；

7）對(duì)匹配層、壓電晶片組件、背襯層和外殼的粘接體加壓并保壓

將粘結(jié)后的匹配層、壓電晶片組件、背襯層和外殼的粘接體中心放入后到下壓塊沉孔中；旋轉(zhuǎn)頂緊螺栓，使頂緊螺栓推動(dòng)上壓塊壓緊匹配層、壓電晶片組件、背襯層和外殼的粘接體，下壓塊壓住彈簧下沉，直至導(dǎo)向螺釘上端的光桿的刻度指示上壓塊和下壓塊對(duì)匹配層、壓電晶片組件、背襯層和外殼的粘接體已有10N的壓力，在此壓力下常溫下保壓12小時(shí)；

8）裝配同軸連接器

先將正極導(dǎo)線另一端與同軸連接器中的中間針腳焊連，再將負(fù)極導(dǎo)線另一端與同軸連接器的邊緣針腳焊連，用環(huán)氧樹脂膠均勻涂覆在同軸連接器的外表面，然后將同軸連接器裝配到外殼上部的圓孔中，注意保持同軸連接器上端面與外殼的上端面平齊。

9）對(duì)匹配層和壓電晶片組件、背襯層和裝有同軸連接器的外殼粘接體加壓并保壓

將粘結(jié)后的匹配層、壓電晶片組件、背襯層和裝有同軸連接器的外殼粘接體的中心對(duì)準(zhǔn)保壓裝置的下壓塊沉孔中心后放入到下壓塊沉孔中；旋轉(zhuǎn)頂緊螺栓，使頂緊螺栓推動(dòng)上壓塊壓緊匹配層和壓電晶片組件與背襯層、裝有同軸連接器的外殼的粘接體，下壓塊壓住彈簧下沉，直至導(dǎo)向螺釘上端的光桿的刻度指示上壓塊和下壓塊對(duì)壓電晶片和匹配層的組件、背襯層和裝有同軸連接器的外殼的粘接體已有10N的壓力，在此壓力下常溫下保壓12小時(shí)；

10）粘結(jié)擋片

選用有機(jī)玻璃板作為擋片，將環(huán)氧樹脂膠均勻涂覆在擋片一側(cè)面上，然后在壓電晶片和匹配層的組件、背襯層、裝有同軸連接器的外殼的粘接體的縱向兩端端面各粘接一片擋片；將匹配層和壓電晶片組件與背襯層、裝有同軸連接器的外殼的粘接體在常溫下靜置12小時(shí)，使環(huán)氧樹脂膠完全固化，完成超聲導(dǎo)波弛豫鐵電單晶傳感器的封裝。

前述各步驟中涂覆的環(huán)氧樹脂膠厚度均小于0.1mm；壓電晶片為弛豫鐵電單晶。

本發(fā)明的保壓裝置采用頂緊螺栓和導(dǎo)向彈性支撐機(jī)構(gòu)夾持粘接體的型式，通過上、下壓塊對(duì)封裝的傳感器進(jìn)行對(duì)壓，并可通過導(dǎo)向螺釘上端光桿上的刻度設(shè)定保壓力，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，提高了弛豫鐵電單晶傳感器的封裝質(zhì)量。本發(fā)明的封裝方法在正、負(fù)極銅箔外端采用正、負(fù)極導(dǎo)線與之相連，特別適用于居里溫度較低的弛豫鐵電單晶傳感器，避免出現(xiàn)由于焊接而引起壓電晶片的退極化現(xiàn)象。本發(fā)明的封裝方法中所涂覆的環(huán)氧樹脂膠厚度小于0.1mm，在封裝過程中，多次進(jìn)行加壓和保壓，降低了壓電晶片在封裝時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，提高了弛豫鐵電單晶傳感器的靈敏度。背襯層用模具單獨(dú)制作，提高了背襯層的的均勻性和尺寸精度。采用本發(fā)明的封裝方法，提高了成品率，降低了的弛豫鐵電單晶傳感器的制造成本。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)，將通過下面優(yōu)選實(shí)施例的非限制性說明進(jìn)行圖示和解釋，這些實(shí)施例，是參照附圖僅作為例子給出的。

附圖說明:

圖1 是本發(fā)明保壓裝置的主視圖；

圖2 是圖1的A-A剖視圖；

圖3是導(dǎo)向螺釘上端的光桿垂直方向上刻有刻度的放大示意圖；

圖4是匹配層和壓電晶片組件與背襯層粘接后的立體圖；

圖5是匹配層和壓電晶片組件、背襯層與外殼和同軸連接器的裝配過程的立體圖；

圖6是弛豫鐵電單晶傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳述，所舉實(shí)施例僅用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限定。

如圖1～圖3所示，本實(shí)施例的超聲導(dǎo)波弛豫鐵電單晶傳感器封裝的保壓裝置1包括頂緊螺栓11、殼體12、上壓塊13、下壓塊14和導(dǎo)向彈性支撐機(jī)構(gòu)15，殼體12呈矩形，包括連接成一體的上邊121、下邊122和兩個(gè)側(cè)邊123，頂緊螺栓下11端垂直擰入殼體12的上邊121后抵靠在上壓塊13上端面上，上壓塊13下端面抵靠在下壓塊14的上側(cè)，下壓塊14四角通過導(dǎo)向彈性支撐機(jī)構(gòu)15支撐在殼體的下邊122上。下壓塊14上側(cè)設(shè)有放置傳感器的下壓塊沉孔141。

上壓塊13呈T形，所述T形的上橫邊131上側(cè)設(shè)有與頂緊螺栓11下端端頭間隙配合的上壓塊沉孔133，T形的垂直邊132的寬度與傳感器寬度相同。本實(shí)施例的下壓塊14的下部垂直邊132的寬度為4mm，使得保壓時(shí)被保壓部件受力均勻。

導(dǎo)向彈性支撐機(jī)構(gòu)15包括分別設(shè)置在下壓塊14四角的導(dǎo)向孔142、導(dǎo)向螺釘151和彈簧152，導(dǎo)向螺釘151上端的光桿151-1與下壓塊14對(duì)應(yīng)的導(dǎo)向孔142間隙配合構(gòu)成簡(jiǎn)易的導(dǎo)套導(dǎo)柱結(jié)構(gòu)，導(dǎo)向螺釘151下端擰入下邊122中，彈簧152套在導(dǎo)向螺釘151中部上，且位于下壓塊14和下邊122之間。導(dǎo)向螺釘151上端的光桿151-1垂直方向上刻有刻度151-2，可以根據(jù)彈簧152的壓縮量來計(jì)量彈簧152的受力。本實(shí)施例彈簧152的K值為0.5N/mm，設(shè)置10N保壓力時(shí)彈簧152的壓縮量為5mm。

如圖4～圖6所示，一種超聲導(dǎo)波弛豫鐵電單晶傳感器封裝的保壓裝置的封裝方法，包括以下步驟：

1）粘結(jié)匹配層21和壓電晶片22

將聲阻抗接近碳鋼管的不銹鋼片作為匹配層21放置在工作臺(tái)上，用環(huán)氧樹脂膠均勻涂覆在匹配層21上，將壓電晶片22的負(fù)極面與匹配層21粘結(jié)。壓電晶片22采用長(zhǎng)度伸縮型弛豫鐵電單晶片，本實(shí)施例的壓電晶片22尺寸為25mm×4mm×1mm，壓電晶片22的正負(fù)電極面鍍銀，負(fù)極通過壓電晶片224的側(cè)面經(jīng)過兩次彎折引到壓電晶片22的正面，引出的負(fù)極長(zhǎng)度為3mm，正極面的實(shí)際長(zhǎng)度為20mm，正負(fù)極之間的間距為2mm。

2）對(duì)匹配層21和壓電晶片22組件加壓并保壓

將粘結(jié)后的匹配層21和壓電晶片22組件的中心對(duì)準(zhǔn)保壓裝置1的下壓塊沉孔141中心后放入到下壓塊沉孔141中；旋轉(zhuǎn)頂緊螺栓11，使頂緊螺栓11推動(dòng)上壓塊13壓緊匹配層21和壓電晶片22組件，下壓塊14壓住彈簧152下沉，直至導(dǎo)向螺釘151上端的光桿151-1的刻度指示上壓塊13和下壓塊14對(duì)匹配層21和壓電晶片22組件已有10N的壓力，在此壓力下常溫保壓12小時(shí)。

3）制備背襯層23

將環(huán)氧樹脂膠、碳化硅和聚硫橡膠混合后澆灌到模具中制成長(zhǎng)方體形的背襯層23，本實(shí)施例的背襯層外形為長(zhǎng)方體形，其平尺寸為25mm×4mm×5mm。背襯層高度方向與水平方向相鄰的兩個(gè)面的中心向上分別開槽，槽的寬度為2mm，深度為0.2mm，用于嵌入電極銅箔。

4）正極銅箔24和負(fù)極銅箔25定位在壓電晶片22上并與背襯層21粘接

將經(jīng)過步驟2）加壓和保壓的匹配層21和壓電晶片22組件水平放置在工作臺(tái)上，使壓電晶片22具有正負(fù)極的一面朝上；將垂直于匹配層21和壓電晶片22組件縱向的正極銅箔24放置在壓電晶片22的縱向中心，其中，正極銅箔24與壓電晶片22正極面的重疊長(zhǎng)度為3mm；接著將垂直于匹配層21和壓電晶片22組件的負(fù)極銅箔25橫向放置在壓電晶片22橫向一側(cè)中心，負(fù)極銅箔25與壓電晶片22負(fù)極面的重疊長(zhǎng)度為3mm；然后將環(huán)氧樹脂膠均勻涂覆在背襯層23的下面后將背襯層23粘結(jié)到壓電晶片22上，此時(shí)正極銅箔24及負(fù)極銅箔25壓在背襯層23和壓電晶片22之間。

5）對(duì)匹配層21和壓電晶片22組件與背襯層23的粘接體加壓并保壓

將粘結(jié)后的匹配層21和壓電晶片22組件與背襯層23的粘接體中心對(duì)準(zhǔn)保壓裝置1的下壓塊沉孔141中心后放入到下壓塊沉孔141中；旋轉(zhuǎn)頂緊螺栓11，使頂緊螺栓11推動(dòng)上壓塊13壓緊匹配層21和壓電晶片22組件與背襯層23的粘接體，下壓塊14壓住彈簧152下沉，直至導(dǎo)向螺釘151上端的光桿151-1的刻度指示上壓塊13和下壓塊14對(duì)匹配層21和壓電晶片22組件與背襯層23的粘接體已有10N的壓力，在此壓力下常溫下保壓12小時(shí)；

6）裝配外殼26

先將正極導(dǎo)線27一端和負(fù)極導(dǎo)線28一端分別與對(duì)應(yīng)的正極銅箔24上端和負(fù)極銅箔25上端焊連，然后將正極導(dǎo)線27和負(fù)極導(dǎo)線28從外殼26上部的圓孔261中引出。用環(huán)氧樹脂膠均勻涂涂覆在背襯層23上部，然后將匹配層21和壓電晶片22組件與背襯層23的粘接體套進(jìn)外殼26內(nèi)，使得外殼26與粘接體粘接成一體。將絕緣漆均勻涂覆于正極銅箔24和負(fù)極銅箔25的外表面及其與正極導(dǎo)線27一端和負(fù)極導(dǎo)線28焊接點(diǎn)，靜置30分鐘至絕緣漆凝固。絕緣漆可以防止正極銅箔24和負(fù)極銅箔25同時(shí)與外殼26接通而發(fā)生短路。焊接溫度為240℃，焊錫絲選用0.5mm無鉛焊錫絲。

7）對(duì)匹配層21和壓電晶片22組件與背襯層23、外殼26的粘接體加壓并保壓

將粘結(jié)后的匹配層21和壓電晶片22組件、背襯層23和外殼26的粘接體中心對(duì)準(zhǔn)保壓裝置1的下壓塊沉孔141中心，然后放入到下壓塊沉孔141中；旋轉(zhuǎn)頂緊螺栓11，使頂緊螺栓11推動(dòng)上壓塊13壓緊匹配層21和壓電晶片22組件與背襯層23、外殼26的粘接體，下壓塊14壓住彈簧152下沉，直至導(dǎo)向螺釘151上端的光桿151的刻度指示上壓塊13和下壓塊14對(duì)匹配層21和壓電晶片22組件與背襯層23、外殼26的粘接體已有10N的壓力，在此壓力下常溫下保壓12小時(shí)。

8）裝配同軸連接器29

先將正極導(dǎo)線27另一端與同軸連接器29中的中間針腳焊連，再將負(fù)極導(dǎo)線28另一端與同軸連接器29的邊緣針腳焊連，用環(huán)氧樹脂膠均勻涂覆在同軸連接器28的外表面，然后將同軸連接器29裝配到外殼26上部的圓孔261中，使同軸連接器29上端面與外殼26上端面保持平齊。

9）對(duì)匹配層21和壓電晶片22組件與背襯層23、裝有同軸連接器29的外殼26粘接體加壓并保壓。

將粘結(jié)后的匹配層21和壓電晶片22組件與背襯層23、裝有同軸連接器29的外殼26粘接體的中心對(duì)準(zhǔn)保壓裝置1的下壓塊沉孔141中心，再放入到下壓塊沉孔141中；旋轉(zhuǎn)頂緊螺栓11，使頂緊螺栓11推動(dòng)上壓塊13壓緊匹配層21和壓電晶片22組件與背襯層23、裝有同軸連接器29的外殼26的粘接體，下壓塊14壓住彈簧152下沉，直至導(dǎo)向螺釘151上端的光桿151-1的刻度指示上壓塊13和下壓塊14對(duì)匹配層和壓電晶片22組件與背襯層23、裝有同軸連接器29的外殼26的粘接體已有10N的壓力，在此壓力下常溫下保壓12小時(shí)。

10）粘結(jié)擋片30

選用有機(jī)玻璃板作為擋片30，將環(huán)氧樹脂膠均勻涂覆在擋片30一側(cè)面上，然后在匹配層21和壓電晶片22組件、背襯層23、裝有同軸連接器29的外殼26的粘接體的縱向兩端端面各粘接一片擋片30；將匹配層21和壓電晶片22組件與背襯層、裝有同軸連接器29的外殼26的粘接體在常溫下靜置12小時(shí)，使環(huán)氧樹脂膠完全固化，完成超聲導(dǎo)波弛豫鐵電單晶傳感器的封裝。擋片起到固定背襯層23、壓電晶片22和匹配層21的作用，并保護(hù)壓電晶片22免受外界機(jī)械力損壞或者化學(xué)腐蝕。本實(shí)施例擋片30的尺寸為4mm×1mm×6mm。

前述各步驟中涂覆的環(huán)氧樹脂膠厚度均小于0.1mm。壓電晶片22為弛豫鐵電單晶。

除上述實(shí)施例外，本發(fā)明還可以有其他實(shí)施方式，凡采用等同替換或等效變換形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明要求的保護(hù)范圍內(nèi)。