一种用于高温管道的超声波传感器、制备方法及检测系统
阅读说明：本技术 一种用于高温管道的超声波传感器、制备方法及检测系统 (Ultrasonic sensor for high-temperature pipeline, preparation method and detection system ) 是由 张博南 黄永巍 吴迪 毕超 崔宗文 于 2021-08-13 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种超声波传感器、制备方法及检测系统,超声波传感器包括压电材料层、背衬层、楔块保护层、第一电极、第二电极；其中,所述压电材料层连接所述背衬层和楔块保护层；所述第一电极设置于所述氮化铝薄层与所述背衬层之间；所述第二电极设置于所述氮化铝薄层与所述楔块保护层之间；所述压电材料层、背衬层和楔块保护层均为耐高温层。本发明的超声波传感器,在保证无人值守的前提下,解决了高温管道腐蚀难以长期监控的难题,能在静态安装到高温管道表面后,有效检出传感器附近的钢管壁厚及因高温油气导致的腐蚀减薄情况,具有很强的使用价值。(The invention relates to an ultrasonic sensor, a preparation method and a detection system, wherein the ultrasonic sensor comprises a piezoelectric material layer, a back lining layer, a wedge block protective layer, a first electrode and a second electrode; wherein the piezoelectric material layer is connected with the back lining layer and the wedge block protection layer; the first electrode is arranged between the aluminum nitride thin layer and the back lining layer; the second electrode is arranged between the aluminum nitride thin layer and the wedge block protection layer; the piezoelectric material layer, the back lining layer and the wedge block protection layer are all high temperature resistant layers. The ultrasonic sensor solves the problem that the corrosion of a high-temperature pipeline is difficult to monitor for a long time on the premise of ensuring unattended operation, can effectively detect the wall thickness of a steel pipe near the sensor and the corrosion thinning condition caused by high-temperature oil gas after being statically installed on the surface of the high-temperature pipeline, and has high use value.)
技术领域
本发明涉及高温管道在线自动化监测领域，特别是涉及一种用于高温管道的超声波传感器及检测系统。
背景技术
现有技术中，炼油设备中高温管道的腐蚀性缺陷壁厚减薄，当原油中的硫含量达到一定阈值时，极易在运输管道内壁产生严重的高温硫腐蚀，这些腐蚀会对原油的生产会产生极大的安全隐患。针对高温腐蚀监测，传统不耐高温压电陶瓷的超声测厚方法存在一定的局限性：需要人工操作，操作者需携带细长波导杆测厚装置进入高温区域，人员存在安全问题；测厚超声波传感器的连续耐温性能较差，不能长时间接触高温管道，而高温耦合剂会快速蒸发，因此要求在几秒内完成测量，给人工测量带来不便；不同的测量人员对仪器操作存在差异，同一点测厚数据的连续性较差，不能很好地反映出该点腐蚀变化趋势；细长波导杆测厚存在回波信号较弱、失真严重、杂波较多的问题，数据处理复杂，难以实现高精度的厚度测量。另外细长波导杆通过延长探头长度，来减小高温对压电材料的影响，但长度的增加会降低超声信号强度，直接影响到厚度测量的精度和稳定性。
发明内容
本发明旨在提供一种用于高温管道的超声波传感器、制备方法及检测系统，用于解决现有技术中存在的缺陷。
本发明的上述技术目的将通过以下所述的技术方案予以实现。
一种用于高温管道的超声波传感器，包括氮化铝薄层、背衬层、楔块保护层、第一电极、第二电极；
其中，所述氮化铝薄层连接所述背衬层和楔块保护层；
所述第一电极设置于所述氮化铝薄层与所述背衬层之间；
所述第二电极设置于所述氮化铝薄层与所述楔块保护层之间。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述背衬层为厚度10～15mm的耐高温层状体；所述氮化铝薄层的厚度为0.5～0.8mm。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述楔块保护层为厚度10～15mm的铸铜块保护层。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述超声波传感器还包括壳体，所述壳体将所述压电材料层、背衬层、第一电极和第二电极容纳在壳体内。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述壳体为厚度0.2～1mm的耐高温不锈钢外壳。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述超声波传感器还包括两根正负极耐高温引线，所述两根正负极耐高温引线分别从所述第一电极和第二电极引出。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述超声波传感器还包括紧固螺栓，所述紧固螺栓的一端连接所述背衬层，另一端伸出所述壳体。
本发明还提供了一种用于高温管道的超声波传感器的检测系统，所述
检测系统包括超声波传感器、夹具和射频信号线，所述夹具连接固定所述超声波传感器，所述射频信号线连接所述超声波传感器。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述超声波传感器和夹具的数量为若干个，在一个夹具上设置至少一个所述超声波传感器。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述夹具为与围绕所述高温管道的圆周轮廓的卡箍。
本发明还提供了一种用于高温管道的超声波传感器的制备方法，所述方法用于制备超声波传感器，所述方法包括如下步骤：
S1.对氮化铝单晶进行切割得到具有一定厚度的氮化铝薄层；
S2.在所述氮化铝薄层的第一表面和第二表面形成第一电极和第二电极；
S3.在所述第一电极上粘接所述背衬层；
S4.在所述第二电极上粘接所述楔块保护层；
S5.将紧固螺栓固定在所述所述背衬层上；
S6.将所述壳体穿过紧固螺栓固定在所述楔块保护层上。
本发明的有益技术效果
本发明提供的实施例，具有如下有益效果：
本发明实施例的超声波传感器、制备方法及检测系统，超声波传感器包括压电材料层、背衬层、楔块保护层、第一电极、第二电极；其中，所述压电材料层连接所述背衬层和楔块保护层；所述第一电极设置于所述氮化铝薄层与所述背衬层之间；所述第二电极设置于所述氮化铝薄层与所述楔块保护层之间；所述压电材料层、背衬层和楔块保护层均为耐高温层。本发明的超声波传感器，能有效工作在大于400℃的高温环境温度下，在保证无人值守的前提下，解决了高温管道腐蚀难以长期监控的难题，能在静态安装到高温管道表面后，有效检出传感器附近的钢管壁厚及因高温油气导致的腐蚀减薄情况，具有很强的使用价值。
附图说明
以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：
图1为本发明实施例中的超声波传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例中的超声波传感器检测系统的结构示意图一；
图3为本发明实施例中的超声波传感器检测系统的结构示意图二；
图4为本发明实施例中的超声波传感器检测系统的结构示意图三；
图5为本发明实施例中的制备超声波传感器的流程示意图。
其中，附图标记说明如下：1氮化铝薄层、2背衬块、3楔块保护层、4紧固螺栓、5第一电极、6壳体、7固定孔、8第二电极。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，本实施例提供了一种用于高温管道的超声波传感器，该超声波传感器为压电超声波传感器，其包括压电材料层、背衬层2、楔块保护层3、第一电极5和第二电极8；
其中，压电材料层选择氮化铝薄层来实现，所述氮化铝薄层1连接所述背衬层和楔块保护层3；
所述第一电极5设置于所述氮化铝薄层1与所述背衬层2之间；
所述第二电极8设置于所述氮化铝薄层1与所述楔块保护层3之间。
具体地，所述氮化铝薄层1包括第一表面和第二表面，所述第一表面连接所述背衬层2的第一层面；所述第二表面连接楔块保护层3；
所述第一电极5设置于所述第一表面与所述背衬层2的第一层面之间；
所述第二电极8设置于所述第二表面与所述楔块保护层3之间；
所述第一表面和第二表面为相互平行的两个面；所述压电材料层、背衬层2和楔块保护层3均为耐高温层。
第一电极5为正极，第二电极8作为负极，或者第一电极5作为负极，第二电极8作为正极。
优选地，所述背衬层2为具有一定厚度的钨粉材料的耐高温层状体，背衬层2的原料采用目数为100目、300目、500目纯度为99.99％的钨粉，采用高温接头胶YK-8905将100目、300目、500目的钨粉按照1:1:2:2比例混合，并在1000℃高温下压制得到圆柱形背衬块，背衬层2的厚度为10～15mm，钨粉压制出的背衬块声阻抗和氮化铝薄层1能较好匹配，适合做背衬层，能够用于高于400℃的高温环境下，之后将背衬层粘接和压制在氮化铝薄层1的第一表面，使整个超声波传感器的回波脉冲变窄，信号带宽提高，增强厚度精确探测的能力。
优选地，所述楔块保护层3为具有10～15mm厚度的耐高温铸铜块保护层，可耐400℃及以上的高温，铸铜块保护层整体加工为圆柱形，上底面为平面，下底面加工成圆弧状，为了使超声波传感器更好地贴合高温管道的管壁，让固定超声波传感器的卡箍与高温管道之间能更好地固定耦合，使得测量仪器接收到的壁厚超声回波信号幅值更高，壁厚测量更精准。
优选地，所述氮化铝薄层的厚度为0.5～0.8mm，作为压电振元，可以产生1～5MHz的脉冲超声波，用于高温管道内壁厚度的测量。
优选地，所述超声波传感器还包括壳体6，所述壳体6将所述氮化铝薄层1、背衬层2、第一电极5和第二电极6容纳在壳体6内，所述壳体6采用0.2～1mm的耐高温不锈钢外壳，不锈钢壳体6用于屏蔽外界干扰，并且保护壳体里面的结构材料不被高温损坏，能更好地与高温管道进行连接。
优选地，所述超声波传感器还包括两根正负极耐高温引线(图中未示出)，所述两根正负极耐高温引线分别从所述第一电极5和第二电极8引出，所述高温引线用于连接阻抗分析仪，超声波传感器采集高温管道的数据通过高温引线传输给阻抗分析仪，所述阻抗分析仪分析测量接收的数据，从而得到整个超声波传感器的谐振曲线，由谐振曲线可以获得该超声波传感器的振动特性，计算给出超声波传感器的中心频率和带宽，这两个参数表征超声波传感器的检测特性，决定超声波传感器用于探测高温管道壁厚时的测量精确度。
优选地，所述超声波传感器还包括紧固螺栓4，所述紧固螺栓4的一端连接所述背衬层2的第二层面，另一端伸出所述壳体6外，且所述背衬层2的第一层面与第二层面为平行的层面。
优选地，所述超声波传感器还包括固定孔7，固定孔7设置在不锈钢壳体6的底端外圆面上，绕圆周对称分布至少4个固定孔7，在4个固定孔7的位置拧入螺丝或铆钉，起到连接固定楔块保护层3和不锈钢壳体6的作用。
如图5所示，本发明还提供了一种制备超声波传感器的方法，包括如下步骤：
步骤1.采用精密切割机对氮化铝单晶进行切割，研磨光滑并清洗，得到具有一定厚度的氮化铝薄层1；
步骤2.对所述氮化铝薄层1的第一表面和第二表面采用直流溅射形成第一电极和第二电极；
步骤3.在所述第一电极5上粘接所述背衬层2的第一层面；
步骤4.在所述第二电极8上粘接所述楔块保护层3；
步骤5.将紧固螺栓4固定在所述背衬层2的第二层面；
步骤6.将所述壳体6穿过紧固螺栓4固定在所述楔块保护层3的固定孔7上。
优选地，所述第一电极5和第二电极8的材料为铂合金。
本发明的方法对氮化铝单晶进行切割得到了基于厚度模式的氮化铝薄层1，在氮化铝薄层两表面分别再加入第一电极5和第二电极8、背衬层2和及前面的楔块保护层3，制备用于高温管道在线监测的超声波传感器。将高温物理蒸汽传输法和晶种晶锭生长相结合，可生产出高品质单晶结构的氮化铝。氮化铝的居里温度约为2000℃，低于2000℃氮化铝没有相变，机电系数不随温度变化产生大幅改变，具有较稳定的弹性、介电和压电特性，还具备高热导率、低热膨胀率和高电阻率特性，因此，氮化铝适合用于高温无损检测的超声波传感器材料，即使在400℃以上的高温环境下，也能正常工作，其特性不会改变。氮化铝进行切割后，将与电极表面接触的上下表面研磨光滑，在平行表面上再用铂合金薄膜(厚度300nm)进行直流溅射形成铂合金电极。由于电极表面与切割面平行，对氮化铝做电极化处理，可以获得厚度模式振动。铂薄膜电极具有高熔点、抗氧化性以及出色的电性能，被广泛用于高低温压电器件中。然而，由于铂薄膜的重结晶和去湿作用会导致电导通性损失和器件故障，因此在高于600℃的温度下使用存在一些局限性。基于铂Pt的合金电极，如铂铑合金(Pt-Rh)，铂铱合金(Pt-Ir)和铂锆合金(Pt-Zr)，在温度高达750℃的情况下，它们的使用都不会引起材料表面降解，因此，本发明选用铂合金作为电极材料。制备的氮化铝AlN单晶振子的阻抗响应和动态电容值可以通过阻抗分析仪(Keysight E4990A)测量得到，经阻抗分析仪确定该氮化铝单晶性能正常后，将氮化铝用高温胶与背衬层2粘接后装入不锈钢壳体6内，再将壳体6与楔块保护层3在固定孔7处用螺丝固定，接下来和紧固螺栓4组装在一起。紧固螺栓4用于紧固传感器整体结构中背衬层和氮化铝单晶及楔块保护层之间的缝隙的机械耦合。将背衬层2、氮化铝薄层1的第一和第二表面及楔块保护层3粘接后的表面边缘均匀涂抹高温结构胶YK-8905,并采用高温接头胶YK-8905封堵周围缝隙，用紧固螺栓4进行压紧固定，涂抹高温胶保证传感器产生的超声高频振动能够传播，形成可在高温管道中探测的超声波。用上述高温胶粘接和螺栓紧固的的方法有利于氮化铝薄层1与背衬层2和楔块保护层3之间的粘接界面的密封，不会因长时间处在高温环境导致传感器的表面脱粘而影响超声波的辐射和接收。
如图2所示，本发明还提供了一种用于高温管道的超声波传感器的检测系统，所述检测系统包括超声波传感器9、夹具10和射频信号线12，所述夹具10连接固定所述超声波传感器9，所述射频信号线12连接所述超声波传感器9的两根正负极耐高温引线。
图3所示的是所述检测系统用于弯曲形管道上的情况；图4所示的是所述检测系统用于直管道上的情况，由于另外弯曲管道受力不均匀，容易产生腐蚀，布置的超声波传感器9的数量多一些，而直管道上超声波传感器9布设的数量则较少，其中所述夹具10为与围绕所述高温管道11的圆周轮廓的卡箍，卡箍也为耐高温设计，可以保证长期稳定使用。超声波传感器9设置在卡箍上，每一卡箍上布置至少一个超声波传感器9，沿所述高温管道11的圆周上布置至少两个超声波传感器9，具体超声波传感器9和夹具10的数量根据高温管道11的长度、弯曲度和测量精度来确定。
具体在使用时，将超声波传感器9通过金属卡箍固定在油管的高温管道11上，首先将卡箍穿过超声波传感器9，在油管的高温管道11上涂上耐高温耦合剂(K-8906高分子有机硅)，将卡箍上面的超声波传感器9对应安装在管道11需要监测的位置处，引出连接各个超声波传感器9的高温射频信号线11接入到超声测厚仪器，通过对超声测厚仪器接收的超声回波波形的信号处理，得到所在监测区域的壁厚变化情况，为监控高温油气管道的腐蚀状态提供实时在线的自动化监测。
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本发明所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求书的保护范围内。
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