CN116297871B - 一种可连续变换入射角的单超声换能器轮式探头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无损检测技术领域，具体涉及一种可连续变换入射角的单超声换能器轮式探头，包括固定轴和与固定轴相连的滑轨，曲柄机构设置于滑轨上，曲柄机构用于改变超声换能器的位置以及倾斜角度，探头轮套设于固定轴上；探头轮的两侧均设有呈相对称设置的轮盘组件，轮盘组件用于固定探头轮；探头轮内侧、轮盘组件、密封轴承和固定轴之间形成用于储存液体耦合剂的储液空腔，用于解决目前超声波检测中需要在超声换能器与待检设备之间重复涂抹一层液体耦合剂的问题，同时本装置通过连续调整超声换能器的入射角度，提高轮式探头的检测范围，消除了检测盲区，同时避免了使用多个超声换能器造成的杂波干扰，有效提高了检测精度。
Description
技术领域
本发明涉及无损检测技术领域，具体涉及一种可连续变换入射角的单超声换能器轮式探头。
背景技术
无损检测技术是在不破坏被测试件基础上，利用物质中组织结构上的差异使其某些物理特征的量发生变化，从而完成一些重要指标检测的技术。
超声波检测作为无损检测中最常用的方法之一，广泛应用于多个技术领域，超声波检测的原理：超声波在被检工件中传播时，由于材料内部损伤导致的材料声学特性和内部组织的变化对超声波的传播会产生一定的影响，通过对超声波受影响程度和状况的探测，了解材料性能和结构变化。基于超声波的无损检测技术因其成本低廉、检测精度高、检测过程方便、可操作性强等特点，成为国内外无损检测研究的热点。
传统超声波检测需要超声换能器与接触面之间保持紧密接触，使用液体耦合剂来排除接触面之间的空气，否则检测无法进行，但是液体耦合剂会余留在被检工件表面，无法回收，也不便于在大平面或高速扫描检测中使用。轮式干耦合检测探头无需使用耦合剂，其构成原理是将超声换能器安装于轮式结构的轴上，轮子采用一种较软的固体透声材料，在检测时，保持轴不转动，轮子绕轴转动并滚动向前进行扫查，固体透声材料与检测表面的直接耦合能排除接触界面的空气，起代替液体耦合剂的作用。干耦合技术多数将检测装置设置为轮式结构，将其应用在探伤车上能实现自动化检测，目前多用于检测钢轨中的缺陷。
文章：ERW钢管焊缝轮式探头自动超声波检测（黄磊. 焊管，2005（06）：34-36+84）提出了一种检测钢管焊缝内部质量的自动超声波检测方法-轮式探头自动超声波检测。超声波在轮内液体中传播的是纵波，波型转换发生在轮和钢管的界面，入射角介于第Ⅰ临界角和第Ⅱ临界角之间，从而实现纯横波检测。
文章：基于干耦合的轮式超声检测技术研究（胡琳，西南石油大学，2019）以及一种新型自耦合超声管道缺陷检测***（Kun-shan Ge，北京航空航天大学，2022）中设计的轮式探头均在轴上安装垂直向下发射超声波的换能器即0度探头，换能器始终垂直于被检工件表面。
文章：一种相控阵超声波滚轮探头，用于多道焊缝的自动过程中道间检测（Randika K. W. Vithanage. IEEE Transactions on Industrial Electronics，68（12）：12781-12790）设计了一种新型的高温超声波相控阵滚轮探头，该滚轮探头中包含一个5MHz的64单元线性相控阵，利用相控阵聚焦向焊接区域产生55度横波。从而进行55度横波自动化焊缝检测。
文章：用于老化飞机结构超声波检测的滚动干耦合换能器（Igor N.Komsky.SPIE，2004：201-209）设计了具有可交换超声元件的实心内定子以及具有柔性聚合物基板的柔性外部转子的干耦合超声模块，其定子模块为直束超声换能器以及另外三种定子模块，能在钢中产生30度、45度和60度折射角下的横波。
上述文章所提出的轮式探头，内部固定了一个不同入射角的换能器，不同的入射角可以检测不同形状缺陷，但是由于入射角固定，这种轮式探头无法检测多个不同形状缺陷同时存在的情况，同时也存在检测范围小的缺点。
中国专利申请CN203643404U设计了一种钢轨超声波探轮式探头，其结构包括超声波换能器、支架、耦合介质、轮状耦合介质容器以及固定到车体上的支撑轴。支架上装有安装有9个超声换能器，分别为4个斜70度、2个70度、2个37.5度、1个0度探头，其角度为超声波进入被检工件中的折射角度。0度探头主要用于检测钢轨中的水平裂纹以及钢轨底部，2个37.5度用于检测钢轨的腰部，2个70度探头用于检测钢轨的头部。钢轨头部的两侧则是弧形的，70度探头超声波束不能有效地进入到弧形钢轨头部的两侧，因此斜70度探头用于在检测钢轨的头部时存在部分盲区，特别就是钢轨头部的两侧，扩大检测范围，减小检测盲区。中国专利申请CN101320020A，CN104713952A，CN204389450U，文章：基于超声信号参数估计的钢轨伤损定位研究（姚金玲，哈尔滨工业大学，2017）以及双轨式钢轨超声波探伤仪轮式探头性能及其检验方法探讨（郑韵娴.铁道技术监督，49（12）：26-30）文中均所提了上述专利类似原理，均具有能够安装多个角度探头的探头支架，扩大钢轨检测范围。
上述专利以及文章所设计的轮式探头结构，安装了多个不同角度的固定换能器，相较于单个固定换能器，这种轮式探头检测范围得到了有效提高，但探头固定，入射角固定，使得超声波无法全覆盖被检区域，仍存在检测盲区，同时由于轮内安装的换能器数量过多，换能器发射的超声波在传播过程中会相互影响，并且在耦合界面上会发生波形转换，探头会接收到各种各样的杂波，不利于检测缺陷。
中国专利申请CN204506922U提出了一种钢轨探伤车的多自由度扫查装置。该装置通过点头机构、摇头机构、平移机构的调节，实现轮式探头能够多自由度调节，调节轮式探头处于钢轨的中心线上，万向调节轮式探头的声束进入检测表面的角度，准确检测钢轨状况。多角度对钢轨进行检测，避免了钢轨有部分伤损无法发现的问题，提高了检测效率。中国专利申请CN206945623U，CN110031547A，CN207281013U以及U.S.Pat.NO.0111997均提出了上述专利类似原理的装置，通过机构调节探头轮的位置，使轮与钢轨更好的耦合，也能调整探头的倾斜角度，从而改变超声换能器的倾斜角度。
上述专利均对探头轮设计了调节机构，这些设计不是直接改变换能器本身的角度而是通过调节机构间接改变探头的入射角角度，但由于探头轮与被检工件采用干耦合的紧密结合方式，只有使调节机构的调节范围尽可能小的情况下，才能保证轮皮与被检工件紧密结合，这减小了其检测范围。
中国专利申请CN207281013U提出一种钢轨探伤用可调角度超声波探轮，其安装的第二斜砌块，通过更换不同角度和尺寸的所述斜砌块从而改变所述探头的倾斜角度，解决了由于不可调角度而导致探伤覆盖面被制约和不能适用不同规格的钢轨的问题。但其内部依旧是安装多个不同角度，并且内部充满液体耦合剂之后，更换不同角度和尺寸的斜砌块十分不便。
综上所述，单个固定换能器的检测范围小，适用性很窄，多个固定换能器无法全覆盖被检区域，仍存在检测盲区，可调节探头轮的结构为保证轮皮与被检工件紧密结合，其调节机构的调节范围小，减小了其检测范围。因此本发明提出一种可连续变换入射角的单超声换能器轮式探头，以克服上述现有技术中的缺点。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种可连续变换入射角的单超声换能器轮式探头，通过连续调整超声换能器的入射角度，提高轮式探头的检测范围，消除了检测盲区，同时避免了使用多个超声换能器造成的杂波干扰，有效提高了检测精度。
本发明装置包括固定轴，所述固定轴呈中空且横向设置；
固定轴，所述固定轴呈中空且横向设置；
滑轨，所述滑轨固定在所述固定轴上；
第一舵机，所述第一舵机固定在所述滑轨上；
曲柄机构，所述曲柄机构设置于所述滑轨上；
滑块，所述滑块滑动设置于所述滑轨上；
第二舵机，所述第二舵机固定在滑块上；
换能器支架，所述换能器支架与所述第二舵机的输出端相连，并通过第二舵机带动换能器支架进行旋转；
超声换能器，所述超声换能器固定在换能器支架上；
密封轴承，所述固定轴的两侧均套设有密封轴承，且两个密封轴承间隔设置于所述滑轨的两侧；
轮盘组件，所述轮盘组件设置于所述密封轴承上；以及
探头轮，所述探头轮内侧的两个胎侧分别与两个所述轮盘组件相连，以使探头轮内侧、轮盘组件、密封轴承和固定轴之间形成用于储存液体耦合剂的储液空腔。
进一步的技术方案是所述轮盘组件包括内轮盘和外轮盘，所述内轮盘和外轮盘均呈环形设置，两个所述外轮盘呈间隔设置，且两个所述外轮盘的内环与分别与两个密封轴承的外环相连，两个所述内轮盘的内环分别与两个所述密封轴承的外环相连，且相邻设置的外轮盘和内轮盘通过螺栓固定相连；
所述内轮盘朝向相邻设置的外轮盘的一侧设有缺口，所述缺口用于容置探头轮的胎侧；
所述缺口的侧壁内凹形成环形槽，所述环形槽内设有O型密封圈。
更进一步的技术方案是所述滑轨呈顺时针旋转90度的U型设置，所述滑轨的下端设有呈水平设置的开口缝，所述曲柄机构设置于所述开口缝内，所述曲柄机构包括第一舵机、曲柄和连接杆，所述第一舵机的输出端与所述曲柄的中部固定相连，以使第一舵机带动曲柄进行旋转，所述连接杆的一端与所述曲柄铰接，另一端与所述滑块铰接。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
1、本检测装置将超声换能器与液体耦合剂一起密封在探头轮内，使用该探头轮进行缺陷检测时，无需在探头轮与待检设备表面间涂抹液体耦合剂。
2、本检测装置内部安装可连续调整入射角度的超声换能器，提高轮式探头的检测范围，消除了检测盲区。
3、本检测装置避免了使用多个超声换能器造成的杂波干扰，有效提高了检测精度。
4、本检测装置结构简单，可应用在机器人上，实现大型装备的自动化缺陷检测。
附图说明
图1为本发明一种可连续变换入射角的单超声换能器轮式探头；
图2为本发明一种可连续变换入射角的单超声换能器轮式探头的内部部分结构示意图；
图3为本发明曲柄滑块机构在滑轨中的结构示意图；
图4为本发明中第一舵机控制曲柄旋转的结构示意图；
图5为本发明中第二舵机控制换能器支架旋转的结构示意图；
图6为本发明换能器支架与探头的结构示意图。
图标：1-固定轴，2-滑轨，3-第一舵机，4-滑块，5-曲柄，6-连杆，7-第二舵机，8-换能器支架，9-超声换能器，10-探头轮，11-内轮盘，12-外轮盘，13-密封轴承，14-O型密封圈，15-螺母，16-连接块，17-轴套。
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，以下结合附图及实施例，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例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
图1-6示出了本发明一种可连续变换入射角的单超声换能器轮式探头的一个较佳实施方式，本实施例中的一种可连续变换入射角的单超声换能器轮式探头具体包括固定轴1，所述固定轴1呈中空且横向设置；
滑轨2，所述滑轨2通过螺栓固定在所述固定轴1上；
第一舵机3，所述第一舵机3通过圆柱销固定在所述滑轨2上；
曲柄机构，所述曲柄机构设置于所述滑轨2上；
滑块4，所述滑块4滑动设置于所述滑轨2上；
第二舵机7，所述第二舵机7通过圆柱销固定在滑块4上；
换能器支架8，所述换能器支架8与所述第二舵机7的输出端相连，并通过第二舵机7带动换能器支架8进行旋转；
超声换能器9，所述超声换能器9以配合的方式固定在换能器支架8上；
密封轴承13，所述固定轴1的两侧均套设有密封轴承13，且两个密封轴承13间隔设置于所述滑轨2的两侧；
轮盘组件，所述轮盘组件设置于所述密封轴承13上；以及
探头轮10，所述探头轮10内侧的两个胎侧分别与两个所述轮盘组件相连，以使探头轮10内侧、轮盘组件、密封轴承13和固定轴1之间形成用于储存液体耦合剂的储液空腔。
所述滑轨2呈顺时针旋转90度的U型设置，所述滑轨2的下端设有呈水平设置的开口缝，所述曲柄机构设置于所述开口缝内，所述曲柄机构包括第一舵机3、曲柄5和连接杆6，所述第一舵机3的输出端与所述曲柄5的中部固定相连，以使第一舵机3带动曲柄5进行旋转，所述连接杆6的一端与所述曲柄5铰接，另一端与所述滑块4铰接，具体的，在装配时，需要对安装的第一舵机3和第二舵机7进行防水处理，以防第一舵机3和第二舵机7浸水损坏。
所述轮盘组件包括内轮盘11和外轮盘12，所述内轮盘11和外轮盘12均呈环形设置，两个所述外轮盘12呈间隔设置，且两个所述外轮盘12的内环与分别与两个密封轴承13的外环相连，两个所述内轮盘11的内环分别与两个所述密封轴承13的外环相连，且相邻设置的外轮盘12和内轮盘11通过螺栓固定相连，所述内轮盘11朝向相邻设置的外轮盘12的一侧设有缺口，所述缺口用于容置探头轮10的胎侧，在安装时，将探头轮10的胎侧卡设在缺口内，并通过螺栓将外轮盘12和内轮盘11进行固定，固定的过程中时探头轮10的胎侧固定卡设在缺口内。
在缺口的侧壁内凹形成环形槽，所述环形槽内设有O型密封圈14，O型密封圈14用于避免储液空腔内的液体耦合剂泄漏，具体的，在整体装置装配完成后在整体整体的表面进行刷漆处理，进一步的提高整体装置的密封性，进而提高了本装置的检测精度。
所述固定轴1上设有与所述储液空腔相连通的进油口，储液空腔内的液体耦合剂通过进油口加入。
所述固定轴1上且在密封轴承13远离探头轮10的一端套设有轴套17，所述固定轴1上螺纹连接有螺母15，所述轴套17设置于所述螺母15和密封轴承13之间，螺母15用于固定并限位轴套17和密封轴承13，优选的，在固定轴1上对称的设置有呈环形设置的阶梯槽，密封轴承13和轴套17的大小分别与阶梯槽的大小相对应，便于在安装密封轴承13、轴套17和螺母15后，密封轴承13和轴套17在使用的过程中不会和固定轴1发生相对位移。
本设计中的固定轴1为中空设置，一端用于引导出两个第一舵机3和第二舵机7以及超声换能器9的信号线。
在具体检测中，第一舵机3给予所述曲柄5动力，通过第一舵机3带动曲柄5进行旋转，曲柄5带动连接杆6进行运动，连接杆6在运动的过程中带动滑块4在开口缝内移动，因此通过控制第一舵机3的旋转角度控制滑块4的位移，如图3和图4所示。滑块4上的第二舵机7通过旋转带动换能器支架8进行旋转，进而带动换能器支架8上的超声换能器9转动，如图3和图5所示。因此通过控制第一舵机3和第二舵机7的转角调整超声换能器9的位置以及倾斜角度，从而改变超声换能器9的入射角度。通过连续调整超声换能器9的入射角度，提高轮式探头的检测范围，消除了检测盲区，同时避免了使用多个超声换能器造成的杂波干扰，有效提高了检测精度。
尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变形和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。
Claims (2)
1.一种可连续变换入射角的单超声换能器轮式探头，其特征在于，包括：
固定轴，所述固定轴呈中空且横向设置；
滑轨，所述滑轨固定在所述固定轴上；
曲柄机构，所述曲柄机构设置于所述滑轨上；
滑块，所述滑块滑动设置于所述滑轨上；
第二舵机，所述第二舵机固定在滑块上；
换能器支架，所述换能器支架与所述第二舵机的输出端相连，并通过第二舵机带动换能器支架进行旋转；
超声换能器，所述超声换能器固定在换能器支架上；
密封轴承，所述固定轴的两侧均套设有密封轴承，且两个密封轴承间隔设置于所述滑轨的两侧；
轮盘组件，所述轮盘组件设置于所述密封轴承上；以及
探头轮，所述探头轮内侧的两个胎侧分别与两个所述轮盘组件相连，以使探头轮内侧、轮盘组件、密封轴承和固定轴之间形成用于储存液体耦合剂的储液空腔；
所述滑轨呈顺时针旋转90°的U型设置，所述滑轨的下端设有呈水平设置的开口缝，所述曲柄机构设置于所述开口缝内，所述曲柄机构包括第一舵机、曲柄和连接杆，所述第一舵机的输出端与所述曲柄的中部固定相连，以使第一舵机带动曲柄进行旋转，所述连接杆的一端与所述曲柄铰接，另一端与所述滑块铰接。
2.根据权利要求1所述的一种可连续变换入射角的单超声换能器轮式探头，其特征在于：所述轮盘组件包括内轮盘和外轮盘，所述内轮盘和外轮盘均呈环形设置，两个所述外轮盘呈间隔设置，且两个所述外轮盘的内环与分别与两个密封轴承的外环相连，两个所述内轮盘的内环分别与两个所述密封轴承的外环相连，且相邻设置的外轮盘和内轮盘通过螺栓固定相连；
所述内轮盘朝向相邻设置的外轮盘的一侧设有缺口，所述缺口用于容置探头轮的胎侧；
所述缺口的侧壁内凹形成环形槽，所述环形槽内设有O型密封圈。
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