CN102435363A - 能进行超声波精确测量具有超声波传感器的连接件及工艺和用途 - Google Patents

Abstract

一种能进行超声波精确测量具有超声波传感器的连接件及工艺和用途，它包括连接零部件，其特征是在连接零部件外端面上设置超声波传感器原件，即在连接零部件外端面上，即最内层设置第一钝化层，在第一钝化层上面中部设置压电层，在压电层上面及压电层外周的第一钝化层上面设置第二钝化层，第二钝化层的上面中部设置电极层，电极层有两个相互隔离的电极，在电极层上面及外周的第二钝化层上面设置第三钝化层，在第三钝化层的上面设置机械防护层。本发明的积极效果是连接零部件上的传感器原件在500℃以上高温时，仍能够长期保持稳定运行，同时耐水、化学品的浸蚀和高能辐射，并保持其工作稳定性。检测结果准确。在设备维护期间能随时对任何连接件进行检测，检测方便。

Description

能进行超声波精确测量具有超声波传感器的连接件及工艺和用途

技术领域

本发明属于一种机械上的连接零部件，特别是一种具有在低、高温、水、水溶液、化学品、及高能辐射中仍能保持其稳定性的超声波传感器装置的技术。能通过超声波测量仪对组装时连接零部件的预紧力，拉力和扭力进行精确的测量。本发明超声波传感器具有分层结构，它的功能层、电极层和压电层通过物理和化学钝化层来固定或嵌入，通过紧凑的层结构来进一步减少化学活性面。利用这些钝化层来抑制由高温或高能辐射所激发的扩散、氧化、脱氧，减少以及腐蚀等化学降解过程。通过在紧凑的物理化学防护层中进一步的固定和嵌入使得超声波传感器装置表面化学活性的减少得以实现。

背景技术

目前，利用超声波检测技术对组装时的机械连接零部件进行检测，如对螺钉或螺栓在组装时的预紧力、拉力和扭力的检测。在检测中，在连接零部件的端面上设置超声波传感器，一般的超声波传感器缺点在于超过200℃时，它的功能层就会扩散、氧化、脱氧减少以及腐蚀，后果是完全失去压电功能，无法进行正常的检测工作；另一个缺点是水和液体浸入后，会导致电极层和压电层的功能消失。在目前的超声波传感器中使用了聚偏氟乙烯膜材料，其缺点是不耐高温，温度超过约70℃时就开始老化，在极端情况下甚至可能溶解，并且在表面观察不到，因此利用这样受损的超声波传感器进行检测，会导致测量结果不准确，所发生的误差率达到40％，甚至无法进行超声波测量。

此外，在机械连接零部件的测量面使用耦合凝胶的耦合超声波传感器进行测量时并不适合，因为在探头定位时，微小的差异会导致超声波耦合预备时间的差别，无法实现所需测量的精确度。

发明内容

本发明的目的是提供一种能进行超声波精确测量具有超声波传感器的连接件及工艺和用途，其传感器在1500℃以上高温时，仍能够长期保持稳定运行，同时耐水、化学品的浸蚀和高能辐射，并保持其工作稳定性。

本发明提供的技术方案如下：它包括连接件，其特征在于：在连接件的一端面或两端面上设置超声波传感器原件，其结构是，逐层分别嵌度压电层，钝化层和电极层，即最内层设置第一钝化层，在第一钝化层上面中部设置压电层，在压电层上面及压电层外周的第一钝化层上面设置第二钝化层，第二钝化层的上面中部设置环状第一电极层，在环状第一电极层内设置第二电极层，在环状第一电极层和第二电极层上面及外周的第二钝化层上面设置第三钝化层，在第三钝化层的上面设置机械防护层。

上述的压电层材料从以下材料中选用: 氧化锌、氧化硅、钛酸钡、铌酸锂或镓磷酸盐。

上述的电极层材料从以下材料选用:钛、 氮化钛、氮化钛硅、钛氮化铝、碳化硅或碳氮化硅。

上述的机械防护层材料从以下材料选用: 氮化钛、氮化钛硅、钛氮化铝、氮化硅、氮化铝或碳化硅。

上述的钝化层材料从以下材料选用:二氧化硅、氮氧化硅、氧化铝、碳化硅或碳氮化硅。

本发明所述的这些嵌度层，可以由各种不同的材料构成以满足各种用途。通过不同的材质构造使得它们具有抗潮湿和腐蚀性介质等特性。

上述的连接件可以是螺钉、螺栓、螺柱、空心钉、铆钉、销钉、法兰、拉杆、发动机零件或飞机零件等。

上述连接件的制造材料最好选用便高合金钢、特种钢、钛、钛合金、铝和铝合金、镍合金、黄铜、非磁性钢、高分子材料。

上述的压电层表面设置倾斜角度以适宜发射和接受纵向以及线性横向偏振超声波。

本发明的积极效果是：嵌度传感器的结构层能抑制物理化学钝化层之间由高温或高辐射所激发的扩散、氧化、脱氧、减少以及腐蚀等化学降解过程。通过紧凑的分层结构来减少化学的活性接触面。利用嵌度紧凑的物理化学防护层(机械层)来减少超声波传导器装置表面的化学活性。连接件上的超声波传感器装置在高于500℃以上高温时，仍能够长期保持稳定运行，同时耐水、化学品的浸蚀和高能辐射，并保持其工作稳定性。检测结果更精确。在设备维护期间能随时对任何连接件进行检测，检测方便。

附图说明

图1是本发明的超声波传感器的结构剖面示意图。

图2是超声波传感器嵌镀在连接件两个端面的示意图。

图3是第一电极层和第二电极层平面设置示意图。

图4是本发明连接超声波检测设备示意图。

图5、图6、图7、图8、图9是几种不同形状连接件设置超声波传感器装置的示意图。 

具体实施方式

见图1、2、3，具体实施例1结构如下：本发明的连接零部件为带连接螺纹1的螺柱10，在组装时，它拧入一个部件的螺孔或螺母。在螺柱10的一个端面2或两个端面2、12上（见图2）设置超声波传感器装置11，超声波传感器装置11的结构是：在螺柱10的端面上，即最内层嵌镀第一钝化层9，第一钝化层9采用材料二氧化硅、氮氧化硅、氧化铝、碳化硅或碳氮化硅，在第一钝化层化层9上面的中部嵌镀压电层3，压电层3采用氧化锌、氧化硅、钛酸钡、铌酸锂或镓磷酸盐；在压电层3上面及压电层外周的第一钝化层上面设置第二钝化层8，第二钝化层8采用二氧化硅、氮氧化硅、氧化铝、碳化硅或碳氮化硅；在第二钝化层8的上面中部设置电极层，电极层设有两个相互隔离的电极，本实施例的两个电极：设有环状第一电极4，在环状第一电极4内设置第二电极5，电极层材料可选用钛、氮化钛、氮化钛硅、钛氮化铝、碳化硅或碳氮化硅。还可采用两个平行的电极。在环状第一电极4和第二电极5上面及外周的第二钝化层8上面设置第三钝化层7，第三钝化层7采用二氧化硅、氮氧化硅、氧化铝、碳化硅或碳氮化硅材料；在第三钝化层的上面设置机械防护层6；机械防护层6选用氮化钛、氮化钛硅、钛氮化铝、氮化硅、氮化铝或碳化硅(根据需要来选用不同的材料)。

超声波传感器的分层结构及与连接件端面之间具有高度的附着力(大于50牛顿每平方毫米),可以避免发生连接错误，可以更为精确的测量信号的传播时间，从而更精确的测定连接件的拉力、扭力及预紧力。超声波换传感器各层结构的嵌镀以及和连接件端面嵌镀可以采用下面任一种工艺:ＰＶＤ工艺（物理气相沉积）、ＣＶＤ工艺（化学气相沉积）、热喷涂、ＰＡＣＶＤ工艺（等离子辅助化学气相沉积）、电化学沉积工艺、有机或无机的自组织结构形成的涂层工艺。根据所选的用于制造压电层的压电性能材料，在温度达到居里温度之前能产生有效的超声波信号，从而实现精确的超声波测量。

见图5、图6、图7、图8、图9，各图所示连接件分别为外六角螺帽螺栓、圆帽内多角扳孔螺栓、螺钉、空心螺栓和内多角扳孔螺钉。图中只表示部分连接件形状，还有铆钉、销钉、法兰、阀门、拉杆、垫片、轴承零件，引擎零件、飞机零件、发动机零件等未在图中表达。在各图中表达的各种连接件，其一端面设置超声波传感器11。见图2，在图2中的连接件，其两端面设置超声波传感器11。

上述连接件的材料最好选用高合金钢、特种钢、钛、钛合金、铝和铝合金、镍合金、黄铜、非磁性钢等。

见图4，将本发明具有超声波传感器装置的连接件连接超声波检测设备13，连接方式是：超声波检测设备13的信号传输线14触点接触超声波传感器11，另一信号传输线15触点接触螺柱10。通过超声波检测设备13和超声波传感器向螺柱10发出的超声波脉冲和反射的超声波脉冲回波，并由超声波检测设备13测量出预紧力、扭力和拉力。

本发明提供的具有超声波传感器装置的连接件能广泛适用于航空航天、能源、风能、机械、汽车、内燃机和变速器等产品领域。例如适用于工作温度极高的飞机发动机，甚至飞机发动机燃烧室外部的连接件，温度可达500℃；并且由温度的反复升降带来的循环应力；同样适用于核电厂工作温度较高的设备上，以及其他领域的工作温度升降温差大的设备上。如在低温应用领域的卫星技术、飞机和导弹技术、低温恒温器应用、或高温应用领域，如燃气涡轮机、飞机发动机、燃烧室区的工作温度要求在-270°C 至1500°C。

本发明中提出的超声波传感器本身可以经受频繁的温度循环，这些温度循环的特点是:很短的升温时间，只有几分钟，持续的高温负荷，冷却缓慢。超声波传感器在经受这些温度循环后仍能完全保持有效的工作，在分层结构之内不会出现可影响超声波信号传播时间的部分溶解现象。超声波传感器的分层结构具有高度的附着力(大于50牛顿每平方毫米),可以避免发生连接错误，可以更为精确的测量信号的传播时间，从而更精确的测定连接件的拉力、扭力及预紧力。通过对物理化学防护层的疏水性设置来使得超声波传感器具有抗水和水溶液性能。

Claims (10)

1.一种能进行超声波精确测量具有超声波传感器的连接件，它包括连接件，其特征在于：在连接件的一端面或两端面上设置超声波传感器原件，其结构是，逐层分别嵌度压电层，钝化层、电极层和机械防护层，即最内层设置第一钝化层，在第一钝化层上面中部设置压电层，在压电层上面及压电层外周的第一钝化层上面设置第二钝化层，第二钝化层的上面中部设置环状第一电极层，在环状第一电极层内设置第二电极层，在环状第一电极层和第二电极层上面及外周的第二钝化层上面设置第三钝化层，在第三钝化层的上面设置机械防护层。

2.根据权利要求1所述的能进行超声波精确测量具有超声波传感器的连接件，其特征是：压电层材料选用氧化锌、氧化硅、钛酸钡、铌酸锂或镓磷酸盐。

3.根据权利要求1所述的能进行超声波精确测量具有超声波传感器的连接件，其特征是：电极层材料选用钛、氮化钛、氮化钛硅、钛氮化铝、碳化硅或碳氮化硅。

4.根据权利要求1所述的能进行超声波精确测量具有超声波传感器的连接件，其特征是：机械防护层材料选用氮化钛、氮化钛硅、钛氮化铝、氮化硅、氮化铝或碳化硅。

5.根据权利要求1所述的能进行超声波精确测量具有超声波传感器的连接件，其特征是：钝化层材料选用二氧化硅、氮氧化硅、氧化铝、碳化硅或碳氮化硅。

6.根据权利要求1所述的能进行超声波精确测量具有超声波传感器的连接件，其特征是：连接件是螺钉、螺栓、螺柱、空心钉、铆钉、销钉、法兰、拉杆、发动机零件或飞机零件。

7. 根据权利要求1所述的能进行超声波精确测量具有超声波传感器的连接件，其特征是：超声波传感器的各个结构层间以及和连接件端面之间的附着力为大于50牛顿每平方毫米。

8.一种如权利要求1所述的能进行超声波精确测量具有超声波传感器的连接件的工艺，其特征是超声波传感器装置的分层结构采用下述之一工艺制造: 物理气相沉积工艺、化学气相沉积工艺、等离子辅助化学气相沉积工艺、热喷涂工艺、电化学或化学沉积工艺、利用有机或无机根的自组织结构形成涂层工艺。

9.一种如权利要求1所述的能进行超声波精确测量具有超声波传感器的连接件的用途，其特征是：超声波传感器装置的应用范围在-270°C至1500°C之间。

10.一种如权利要求1所述的能进行超声波精确测量具有超声波传感器的连接件的用途，其特征是：通过对物理化学防护层的疏水性设置来使得超声波传感器具有抗水和水溶液性能。

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