超声波检测用探头结构专利技术综述

引言

超声波探伤，是无损检测中的重要方法，广泛运用于各个领域。超声波探伤技术起始于20世纪30年代，经历了超声波穿透法、声纳法、脉冲反射法等一系列发展[1]，发展到20世纪60年代，超声波探伤已经在工业各个领域中得到广泛的应用。20世纪70年代计算机技术进入超声波探伤领域，使探伤设备抗干扰能力得到提高，计算机强大的运算能力也让探伤仪具有了自动读数、识别、补偿、定量和报警的能力。20世纪80年代，大规模集成电路和微机技术的发展给数字超声波探伤仪注入了新的活力，使得检测数据更加形象具体，现今，超声波探伤仪已被广泛地应用于冶金、机械、建筑、航空航天等多个工业领域，且自动化、图像化的超声波探伤技术也取得显著成效[2]。

  

图1 全球申请量年度分布图

 

表1 技术分解及定义

  

技术分解 定义一级 二级压电式采用曲面晶片发出聚焦的超声波，利用两种不同声速的塑料来制作声透镜，利用类似光学反射镜的原理制作声凹面镜来聚焦超声波多探头 在超声检测中使用多个探头进行组合实现检测其他 包括特殊领域用探头或异性结构的超声探头磁致伸直探头 入射波束与被探工件表面垂直，用于垂直探伤，探测深度大，多数是纵波斜探头 入射波束与被探工件表面成一定角度，斜探头上配有斜锲，改变晶片受激产生的纵波在界面上的入射角双晶探头 有两块压电晶片，一块用于发射超声波，另一块用于接收超声波聚焦探头缩式 在磁化了的磁棒两端施加应力或应变时，磁棒的磁化状态将发生变化，从而在线圈中产生电压

1 超声检测用探头的专利技术分析

1.1 专利技术分支

本文首先通过对非专利库和中文专利库的检索获得常用的中英文检索关键词，然后在CNABS、DWPI数据库中构建检索式进行检索，数据截止2016年底（包括2016年），先对检索结果进行粗筛，排除掉相差较远的，当文献量达到800篇左右时进行细筛，选出有关超声探头结构的专利，并仔细浏览其结构组成，根据超声探头的工作原理不同，主要分成压电式和磁致伸缩式;根据原理和结构的不同，获得技术分解表格及相关定义表格如表1。

1.2 超声用探头的专利申请量年度分布

本文对2017年之前的超声有关专利申请数量进行了统计分析形成图1。

由于我国公共交通行业的蓬勃发展，公路大中修养护工程逐渐引起大众广泛关注，通过不断提升我国大中修养护水平，能够更好的延长公路使用时间，降低道路交通事故的发生次数与概率。目前我国公路大中修养护过程之中，仍然存在很多问题需要解决，本文主要研究公路大中修工程养护要点。

如图1所述，有关超声用两种探头的专利申请最早出现在1962年左右，之后得到大力发展，尤其是磁致伸缩式超声探头，在1970-1990年代得到长足的发展，而对于压电式，申请量相对较少，而进入21世纪后，压电式超声探头逐渐占领上方，尤其是在1995年到2008年左右，申请量逐渐上升，平均申请量在20～30件左右，而在2015～2016年申请量到达一定的高度，而至于在2017年的申请量下降，是由于在2016～2017年的部分专利还未进行公开，无法进行统计，并不能说明专利申请量在下降。

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而对于国内的有关压电超声探头的年度申请量，见图2，其年度申请量趋势与全球申请量保持一致，其主要原因在于我国的申请量相比于其他国家，其申请量占主要部分，申请量在2000年以后进入快速增长阶段，于2015年左右申请量增长至最大，我国或在2016、2017年申请量又进入一个新的高度。

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图2 国内年度申请量分布图

1.3 压电式超声探头专利申请原创国及目标国分布

  

图3 申请原创国分布图

为了比较各国在超声探头领域的研发能力和技术水平，本文选择原创国对检索数据进行分析，在多个同族申请中，只按原创国统计一次，统计结果如图3所示，由图中可知，中国、美国、日本、韩国、德国是专利申请的主要原创国，上述五个国家或地区的申请量占到了全球申请总量的96%，其中中国占54%，美国占21%，日本占14%，韩国占6%，德国占1%，尤其是我国在最近的十几年里，由于基础建设的高速发展，城市建筑业的爆发，其中特别是钢管、钢材等多种材料的运用，使得对其具有较高的质量要求，无论是生产中或材料应用中，均需对材料进行无损检测，而采用超声探头进行探伤则属于本领域常用的一种无损探伤方式，使得超声探头得到迅猛发展。

1.4 压电式超声探头重要申请人申请量

对申请人进行分析，如图4，由图可知，其申请量主要来源于国外的大型公司，其中以美国公司的申请量为主，排名第一的来自美国的蝴蝶网络公司，其申请量占据第一，达到37件，而国内申请量主要来源于研究所和国家电网，其申请量相对靠前，而对于其他申请量未进入前10的公司，经过对数据进行分析，发现其申请量相对较分散，同一个申请人对于超声探头结构未作过多的研究，尤其是高校，对于超声探头结构的研究相对较少，其更多的无损探伤时是利用现成的结构进行检测，未对结构做出重要的改进。

  

图4 重要申请人申请量分布

2 结束语

本文详细梳理了超声波检测用探头的技术研究情况，通过检索以及对检索结果的分析和整理，重点分析了有关压电式超声探头结构的重要的申请人，同时也了解了有关超声探头的主要原创国和专利申请量的变化趋势，经过几十年的发展，有关超声探头结构已经趋于成熟，尤其是我国在超声探头方面具有较强的优势，企业在申请量上保持一定优势，而高校相对落后，本文通过对超声探头技术发展进行梳理，希望对后续的技术开发与专利申请能够提供指导性意见。

参考文献：

[1]刘天佑.钢材质量检验[M].北京：冶金工业出版社，2007.

[2]沈建中.超声无损检测的进展——学会成立20周年回顾[J].无损检测，1998，02：31-33+38.