CN107102065A - 一种多种耦合方式的超声波检测*** - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多种耦合方式的超声波检测***，采用空气耦合或水耦合超声检测手段，将探头分别置于试件检测表面的同侧或两侧，探头安装在机械扫描***上，通过控制机械***运动，完成对试件局部或全区域的高速扫描，利用回波信号将检测结果以B、C扫描成像，并由显示设备显示成像结果。成像结果中显示试件正常部位及缺陷等信息，根据各部位回波信号时间和强度的不同，各部位成像结果将被赋予不同颜色，方便操作者对检测结果的识别和判断。该装置具有检测精度高、定位准确、设备简单、成本低廉等优势。

Description

一种多种耦合方式的超声波检测***

技术领域

本发明涉及超声工业无损检测领域，具体涉及一种可利用多种耦合模式(空气耦合，液浸耦合及直接接触耦合)、多种检测方式(反射法，透射法等)的超声检测***。

背景技术

非接触式超声与常规超声检测类似，其最大的区别是非接触式超声不需要声耦合剂涂抹在待检测工件上，就能很好的将超声波从发射探头通过空气传播到待测工件中。常用声耦合剂包括机油、胶体、水等，这些耦合剂需要清理，通常会使得整套***变得笨重，使得工作场所变得很脏乱。对于空气耦合超声检测***来说，周围环境空气就是其声耦合剂，高温低温工件及不适合用声耦合剂的工件也能进行超声波无损检测。为了使超声波有效的发射到空气中，穿过检测工件，并将接收信号进行成像处理必须解决三个问题：第一，研制声阻抗匹配层材料，实现压电晶片和空气的最佳耦合；第二，研制超高功率发射接收，实现向空中发射高功率的超声波，提高原始能量；第三，研制具有带通功能的高信噪比前置放大器，实现接收信号的增幅。空气耦合超声无损检测技术具有非接触、非浸入、安全和无损的特点，具有广泛的应用前景。本发明***目前在复合材料、锂离子电池、刹车垫，陶瓷材料、混凝土、木材、橡胶、塑料以及其他材料及行业的检测上都得到了很好的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用空气耦合、液浸耦合以及直接接触定位准确、设备简单、成本低廉等优势。

为了解决背景技术所存在的问题，本发明是采用以下技术方案：采用空气耦合超声检测手段，将探头分别置于试件检测表面的同侧或两侧，探头安装在机械扫描***上，通过控制机械***运动，完成对试件局部或全区域的高速扫描，利用回波信号将检测结果以A-显示、B-显示及C-显示扫描成像，并由显示设备显示成像结果。成像结果中显示试件正常部位及缺陷等信息，根据各部位回波信号时间和强度的不同，各部位成像结果将被赋予不同颜色，方便操作者对检测结果的识别和判断。

作为本发明的进一步改进；与传统的超声检测技术相比，空气耦合超声检测技术因利用空气介质作为耦合剂，因而具有非接触、非液浸、无损伤、无伤害等优点。特别容易实现自动化。

作为本发明的进一步改进；可以进行空气耦合、水耦合两种模式超声检测实验，更加方便的开展多平台实验，应用范围更加广泛。

作为本发明的进一步改进；采用更加快速的信号处理算法，实现高速扫描过程中信号的收发、采集及处理。在扫描过程中还要完成对每个扫描点的定位，利用每个扫描点的坐标及接收波形数据进行后期的成像处理。

作为本发明的进一步改进；采用反射法检测时利用接收到的全波信号叠加完成B显示扫描成像；采用透射法检测时，利用接收到的信号中首波包络峰值数据进行叠加完成C-显示扫描成像，首波包络在A-显示扫波形中可以进行选择；在成像结果的任一点点击，可呈现该坐标点的A-显示扫波形。成像结果中选定某一区域后，还可仅对此指定区域进行二次精扫描。

作为本发明的进一步改进；可随时对时域波形进行快速傅立叶变换，观察波形的频谱变化，因此该***可完成非线性超声检测，从而实现对材料及结构微观损伤的无损检测。

作为本发明的进一步改进；可随时对时域波形进行压缩脉冲处理，大幅提高信噪比，从而实现对超声高衰减材料的无损检测。

作为本发明的进一步改进；机械***的运动控制采用PLC+电机模式，包括机械***X、Y、Z三个自由度运动由电机驱动实现，空气耦合探头X、Y、Z三个自由度运动的微调由手动实现，空气耦合发射探头XZ面内旋转及YZ面内旋转由手动调整，空气耦合接收探头XZ面内旋转及YZ面内旋转由手动调整；液浸扫查机构的XZ面内旋转及YZ面内旋转由手动调整。扫描速度可调范围：1～300mm/sec(1mm/sec step)，扫描步进可调范围：0.1mm～20mm(0.1mm step)。

本发明内容涉及空气耦合超声探头、信号发生器、前置放大器、信号接收模块，信号存储及转换模块、数据处理模块、机械运动模块、显示模块等。具体检测过程如下：探头通过机械装置安装于待检测工件的同侧或异侧，探头通过机械装置来完成扫描运动，信号发射模块将发射波信号加载至发射探头，超声波回波信号被接收探头接收，接收的信号经过前置放大器放大后再进行A/D转换，再进入信号处理模块，利用成像算法对接收到的信号进行计算处理，快速实现高分辨率的在线的A-显示、B-显示、C-显示扫描成像。本装置配套软件完成上述运动控制、数据处理及结果显示等功能。

采用上述技术方案后，本发明具有以下有益效果：

a)缺陷定位更加精准：通过A-显示、B-显示、C-显示扫描结合的显示方式，可以将缺陷位置更加直观清晰的显示，大大降低对操作者的技术要求。

b)技术先进：采用空气耦合/液浸耦合/直接接触耦合专用超声换能器，可完成三种模式下的超声波检测实验，适用范围更广；

c)功能更强：软件界面中可以点击成像结果的任一点显示该点的A扫波形，通过框选ROI(region of interest)，在扫描参数可以重新设定后，可仅对此ROI进行二次精扫。

d)机械***的运动控制功能集成在软件界面，可以完成扫描区域设定、扫描轨迹设定、扫描运动参数设定、限位停止等多项功能，操作更加直观方便。

e)此方案操作简单，实用性强，检测效率高等。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的装置工作原理及模块分布总体框图；

图2为本发明所提供的装置机械扫描结构示意图；

图3为本发明所提供的装置中扫描算法原理示意图；

图4为本发明所提供的装置中反射法原理示意图；

图5为本发明所提供的装置中透射法原理示意图；

图6为本发明所提供的装置中表面波及导波检测原理示意图；

图7为本发明所提供的装置中反射法检测表面不平度原理示意图；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1和图2，该检测***主要由、信号发射接收器、前置放大器、机械扫描***以及专用空气耦合超声发射探头1、空气耦合超声接收探头2和液浸探头3构成，本具体实施方式采用以下技术方案：

空气耦合检测方法：信号发生器将超声波波形信号加载至发射探头1，发射探头晶片在接受激励之后产生超声波，接收探头2和发射探头1相对的放置于被检测试件两侧，被检测试件放置于置物架4上，超声波穿过试件表面并进入试件内部，穿过试件后超声波会被接收探头2接收，回波信号经过前置放大器放大和模数转换处理后进入数据处理模块。探头安装在探头固定架5上，并可以在X-Z平面内旋转一Y、Z三个自由度的扫描运动。

液浸耦合检测方法，信号发生器将超声波波形信号加载至液浸探头3，试件放置在水槽7中进行检测。利用成像算法可以将回波信号叠加成像，并将最终结果显示于显示模块。

请参阅图3，图3给出了扫描算法示意图，空气耦合穿透法是采用一发一收双探头分别放置在被检材料相对的两端面，依据超声波穿透工件之后能量的变化检测工件的内部状态，穿透法可以根据接收到的A扫描信号的幅值变化对电池内部结构做二维C扫描成像。B扫描显示的是与超声波的传播方向平行且与检测面垂直的剖面。通常，在检测面上确定一个扫描路径，沿扫描路径按照一定的步进进行测量，获得对应的A扫描数据，将这些A扫描数据进行二维成像即可得到B扫描成像，B扫描所显示的是与声束传播方向平行且与试件的检测表面垂直的剖面。C扫描成像显示的是试件的横断面，利用电子闸门挑选出某一深度回来的超声信号，将信号叠加就可以得到物体在该检测深度的的C扫描成像。

请参阅图4-7，为利用本***可以进行的检测模式：图4为超声反射法，此时发射探头不动接收探头沿一定轨迹移动可以完成B扫描，两个探头一起移动可以完成C扫描；图5为超声波透射法，当发射接收两探头同步扫描时，可以完成超声C扫描成像；图6中发射探头以一定角度入射，与接收探头配合利用超声非线性特征可以产生表面波检测表面微观缺陷，产生导波可以检测长距离方向上的内部缺陷；图7利用自发自收探头可以检测物体表面粗糙程度等参数。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种多种耦合方式的超声波检测***，其特征在于可以采用空气耦合、液浸耦合及直接接触耦合三种模式进行超声检测，其中空气耦合模式采用发射接收专用的空气耦合超声探头，可进行A显示、B显示和C显示的检测模式。

2.根据权利要求1所述的一种多种耦合方式的超声波检测***，其特征在于，它包含空气耦合发射接收专用的超声换能器、水浸专用超声换能器、前置放大器、超声发射接收器、机械扫描***和图像显示器。采用水耦合模式时，探头直接与发射接收器连接，获取发射和接收信号；采用空气耦合模式时，发射探头和接收探头分别连接在发射接收器上，接收探头需要先连接前置放大器，前置放大器再与超声波发射接收器相连，获取回波信号。

3.根据权利要求2所述的多种耦合方式的超声波检测装置，其特征在于，探头通过机械装置安装于待检测试件的同侧或异侧，探头通过机械装置来完成扫描运动，信号发射模块将发射波信号加载至发射探头，超声波回波信号被接收探头接收，接收的信号被超声发射接收器接收，利用成像算法对接收到的信号进行计算处理，快速实现高分辨率的在线B、C扫描成像。

4.根据权利要求2所述的一种多种耦合方式的超声波检测***，其特征在于，机械***的运动控制采用PLC+电机模式，12轴运动机构。扫描速度可调范围：1～500mm/sec(1mm/secstep)，扫描步进可调范围：0.01mm～20mm(0.1mm step)。

5.根据权利要求3所述的一种多种耦合方式的超声波检测***，其特征在于，在检测之前先对被检测件的参数进行设置，检测结束后会在界面中显示检测结果的数值和检测部位的A扫描、B扫描和C扫描图像和成像结果的各个参数；利用运动控制功能，可以实现对探头位置在X、Y、Z三个自由度上的自动运动控制；利用ROI功能，可以在检测结果中框选感兴趣区域进行二次精扫；利用比对功能，可以将多幅检测结果同时显示并行比对；利用保存功能可以将检测结果及各参数完整保存。

6.根据权利要求3所述的一种多种耦合方式的超声波检测***，其特征在于，可以对回波信号实施脉冲压缩处理功能，提高***的检测信噪比，实现对高衰减材料的检测。

7.根据权利要求3所述的一种多种耦合方式的超声波检测***，其特征在于，可实时进行快速傅立叶变换，观察波形的频域变化，因此***也可用于非线性超声波检测与评价。