專利名稱：超聲梳狀探測器陣列組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料的超聲檢測，尤其是涉及一種用于在被測物體中產(chǎn)生超聲波的超聲梳狀探測器陣列組件。
超聲常用于確定材料中不連續(xù)點(diǎn)和其它缺陷的位置并用來表征材料和測量距離。常規(guī)超聲檢測采用縱波或切變波來對物體作逐點(diǎn)檢測。尤其在最近又已研制出了超聲導(dǎo)波技術(shù)。參見Rose、Rajane、Carr等發(fā)表的《用于蒸汽發(fā)生器管道系統(tǒng)的超聲導(dǎo)波檢測概念》(材料評估，1993年2月，第307頁)(U1trasonic Guided Wave Inspection Concepts for Steam Generator Tubing,Materials Evaluation,February 1993,Page307)，該文結(jié)合在本本中一并加以參考。這些超聲導(dǎo)波技術(shù)涉及在被測物體的一個(gè)位置上發(fā)射超聲波，這些超聲波在該物體內(nèi)傳播有實(shí)質(zhì)性的距離，并被物體的邊界所“導(dǎo)向”。物體中的缺陷則反射該導(dǎo)波，且通過監(jiān)測所接收的波來判定并確定缺陷位置。
超聲導(dǎo)波技術(shù)較之其它超聲檢測技術(shù)有著許多優(yōu)點(diǎn)，其中包括能同時(shí)檢測一物體的整個(gè)截面和長度；不需要用來定位和指示常規(guī)超聲探頭的復(fù)雜和昂貴的器件；增加了對某些種類缺陷的靈敏度。
超聲梳狀探測器的設(shè)計(jì)參數(shù)包括如尺寸、形狀、頻率、頻帶寬、以及耦合方式等系數(shù)。當(dāng)前所用的探頭是為特殊用途而設(shè)計(jì)制造的。它們典型地為固定在物體上的兩件，每件均具有固定在其中的多個(gè)超聲傳感器。在當(dāng)前所使用的梳狀探測器中遇到的一個(gè)困難是它們是易碎的且易出故障。在某些應(yīng)用中所用的高能量和在傳感器中所用的壓電材料方面的低效率會使該能量部分地以熱的形式而被耗散。這種熱會在探頭中造成熱應(yīng)力，從而能導(dǎo)致超聲傳感元件的故障。常規(guī)探測器中的一單個(gè)元件的故障則要求更換整個(gè)的探測器。
當(dāng)前所用的梳狀探測器所遇到的另一個(gè)困難是傳感器之間的距離是固定的且不能被改變。因此構(gòu)造了探測器陣列用于特殊的操作模式。在導(dǎo)波應(yīng)用中，所用的構(gòu)造技術(shù)要求對每一不同的導(dǎo)波模式使用各不相同的探測器陣列。
當(dāng)前使用的梳狀探測器所遇到的還一個(gè)困難是如何與表面不完全光滑的被測物體作耦合。由于當(dāng)前所用的探測陣列所具有的剛性，如果一個(gè)元件接觸物體表面上的一個(gè)高點(diǎn)，則在其它元件和表面之間會形成間隙。盡管在某些場合這些間隙可用耦合劑來加以搭接，但更希望在傳感器和物體間進(jìn)行直接的接觸。
本發(fā)明提供一種超聲探測器陣列，它具有簡單然而牢固的結(jié)構(gòu)；它能經(jīng)受傳感器產(chǎn)生的過熱；它允許更換發(fā)生故障的那些傳感器；它允許改變傳感器間的距離；它還為各傳感器與物體表面間提供更好的耦合。本發(fā)明的探測器陣列組件總的包括多個(gè)探測器頭，每個(gè)探測器頭包括第一和第二支架。在每一支架上安裝有一傳感器。支架被鉸接從而允許第一和第二支架在平面中繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動。探測器頭被平行、相互間隔地連接在一起，其鉸鏈連接部分基本被對齊，探測器頭最好被可更換的墊片所隔開，這樣探測器頭間的距離可被改變。
這種結(jié)構(gòu)能允許更換單個(gè)的探測器頭，且能允許改變探測器頭間的距離從產(chǎn)生不同的導(dǎo)波模式。采用分開的探測器頭還減少了所生成的熱，降低了對傳感器造成的熱破壞以及對探測器陣列組件造成的熱應(yīng)力破壞方面的危險(xiǎn)。
本發(fā)明的探測器陣列組件被安裝在檢測物體上，探測器陣列組件的各探測器頭各自圍繞檢測物體的一部分。這些單個(gè)的探測器頭能更好地適應(yīng)檢測物體表面的變化，從而達(dá)到傳感器與物體間更好的接觸。
本發(fā)明的探測器陣列組件因而為物體的超聲導(dǎo)波檢測提供了一種簡單但卻牢固的器件。該器件能抵抗熱破壞和熱應(yīng)力，能使有故障傳感器容易地被替換，能調(diào)節(jié)傳感器間的距離，且能達(dá)到在傳感器與被測物體表面間形成更好的接觸，這些和其它的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)一部分是顯見的，而另一部分將在下文加以指出。


圖1為根據(jù)本發(fā)明的原理所構(gòu)造的一梳狀探測器陣列組件從其頂部看所得的透視圖；圖2為該探測器陣列組件從其底部看所得的透視圖；圖3為該探測器陣列組件從其正面看所得的透視圖；圖4為該探測器陣列組件的一分解透視圖；圖5為組成該探測器陣列組件的探測器頭之一的分解透視圖。
在所有附圖中均采用相應(yīng)的參考數(shù)字來表達(dá)相應(yīng)的部件。
在圖1～4中用20來表示根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)造的一梳狀探測器陣列組件。該探測器陣列組件20包括多個(gè)探測器頭22。每一探測器頭22包括第一和第二支架24和26。該第一和第二支架24和26其一端被鉸鏈連接從而能在平面內(nèi)繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動。每一第一和第二支架包括一傳感器28。在第一和第二支架之間的緊固件30可將支架固定環(huán)繞在一物體周圍且將它們各自的傳感器28保持與物體表面緊密接觸。
如圖1～4所示，探測器頭22被平行且有間距地排列成一疊，它們的鉸鏈連接部分基本被對齊。在相鄰探測器頭22之間最好有墊片32。如下文所述的那樣，這些墊片最好為可更換件，這樣探測器頭22的間距、且尤其是在探測器頭上的傳感器28的間距可被改變。
如圖5所示，支架24和26相互成鏡像。第一支架24包括一基本為半圓形的殼體34，該殼體34具有從其主體前端和后端伸出的凸耳36和38；以及一位于一個(gè)面上的半圓形凹入部40，它與半圓形殼體的內(nèi)圓周相鄰接。殼體34最好由鋁制成，因而既具剛性又重量輕，還易于加工。在殼體34的同一面上還形成有一通常為T形的切口42。該T形切口的莖根部與半圓形凹入部40聯(lián)通。兩徑向通道(圖中未示出)從半圓形殼體34的外圓周延伸至T形切口頂部。連接件48和50被安裝進(jìn)這些通道中用于如下文所述的那樣與探測器頭形成電氣連接。
與此類似，第二支架26包括一通常為半圓形的殼體52，該殼體52具有從其前端和后端伸出的凸耳54和56；以及一位于一個(gè)面上的半圓形凹入部58，它與半圓形殼體的內(nèi)圓周相鄰接。殼體52與殼體34一樣最好也由鋁制成。在殼體52的同一面上形成有通常為T形的切口。該T形切口的莖根部與半圓形凹入部58聯(lián)通。兩徑向通道62和64從半圓形殼體的外圓周延伸至T形切口的頂部。連接件66和68被安裝進(jìn)這些通道中用于如下文所述的那樣與探測器頭形成電氣連接。
由聲阻尼材料組成的半圓體70和72被置于第一和第二殼體34和52的凹入部40和58中。該聲阻尼材料最好為環(huán)氧樹脂或環(huán)氧樹脂復(fù)合物，例如Grace Specialty Polymer公司(55Hayden Avenue,Lexington,MA02173)生產(chǎn)的2057環(huán)氧樹脂和9#催化劑。主體70在其一個(gè)面上有一與其內(nèi)邊沿鉸接的半圓槽74，以及一從其外邊側(cè)伸向該半圓槽的徑向延伸槽76，該延伸槽76與T形切口42對齊。類似地，半圓體72在其一個(gè)面上有一與其內(nèi)邊沿鄰接的半圓槽78，以及一從其外邊沿伸向該半圓槽的徑向延伸槽80，該延伸槽80與T形切口60對齊。
傳感器28最好為壓電材料組成的半圓條82和84，它們各自與半圓形導(dǎo)體86和88電氣連接。該壓電材料最好是諸如Wallace Arden Smith在《在聲傳感器中應(yīng)用的1～3種壓電復(fù)合材料》(The Application of 1-3Piezocomposites in Acoustic Transducers,Materials Division,Code 1131,Officeof Naval Research,Arlington,Virginia 22217-5000)中所披露的一種PZT(鋯鈦酸鉛)材料，上文結(jié)合在本文中一并加以參考。該復(fù)合物可被切成條狀并經(jīng)研刻和彎曲來形成半圓形結(jié)構(gòu)，或者該復(fù)合物也可以是具有足夠的易彎曲度的。導(dǎo)體86和88最好為由普通的玻璃纖維電路板材料包覆有銅導(dǎo)體條組成的半圓形件。導(dǎo)線(圖中未示出)被焊接到銅包覆層上且焊接到壓電材料上，這些導(dǎo)線將導(dǎo)體86和88電連接至它們各自的壓電條82和84上。
壓電條82和84及其相連接的導(dǎo)體86和88各自配裝在半圓體70和72中的槽74和78中。傳感器28用一現(xiàn)場形成的聚合物密封劑固定在其各自的支架中。該密封劑可以是Grace Specialty Polymers公司生產(chǎn)的2057環(huán)氧樹脂和9#催化劑。密封劑在固化后可被車削成具有與殼體面相平的光滑表面。
如圖4和5所示，第一支架24每個(gè)在其上均具有三個(gè)孔92、94和96。孔92位于凸耳36中，孔94一般位于殼體34的弧段中點(diǎn)，而孔96則一般位于凸耳38中。類似地，第二支架26每個(gè)在其上均具有三個(gè)孔98、100和102。孔98位于凸耳54中，孔100一般位于殼體52的弧段中點(diǎn)，而孔102則一般位于凸耳56中。
從圖4中可最清楚地看出，探測器頭22平行且相互間隔地排列。在第一支架24上，螺栓104穿過對齊的孔92，螺栓106穿過對齊的孔94，而螺栓108穿過對齊的孔96。在第二支架26上，螺栓110穿過對齊的孔98，螺栓114穿過對齊的孔100，螺栓114則穿過對齊的孔102。在螺栓104、106和108端部的螺母116將支架24和墊片32固定在一起。類似地，在螺栓110、112和114端部的螺母116將支架26和墊片32固定在一起。墊片最好由尼龍材料制成。
螺栓104和110穿過將螺栓連接在一起的接頭118，這樣便將位于螺栓104上的第一支架24同位于螺栓110上的第二支架26鉸接在一起。
一緊固件30伸展在第一支架24上的凸耳38和對應(yīng)的第二支架26的凸耳56之間用來將支架固定在被測物體周圍，并使傳感器與被測物體表面保持接觸。
操作時(shí)，采用多個(gè)探測器頭22和選擇來得到合適的傳感器間距的墊片32來裝配成一梳狀探測器陣列組件用于所希望的導(dǎo)波模式。在第一支架24上的連接器48和50以及在第二支架26上的連接器66和68被連接成菊花鏈形式。通過用緊固件30將各單個(gè)的探測器頭22固定在被檢測部件周圍從而將整個(gè)探測器陣列組件20固定到被檢測部件上。在該探測器陣列組件中有足夠的地方來讓每個(gè)探測器頭22的第一和第二支架24和26緊密配合到管道的表面上，從而將它們各自的傳感器28緊靠在管道表面上。
權(quán)利要求
1．一種超聲梳狀探測器陣列組件，用于安裝在被測物體表面來施加超聲信號到被測物體上，該組件包括至少兩個(gè)探測器頭，每個(gè)探測器頭在其上有一傳感器，其特征在于探測頭基本平行地、相互間隔地被固定在一起。
2．如權(quán)利要求1所述的超聲梳狀探測器陣列組件，還包括用于隔開相鄰探測器頭來確定其相對位置的分隔墊片。
3．如權(quán)利要求1所述的超聲梳狀探測器陣列組件，其特征為每一探測器頭包括第一和第二支架，以及在每一支架上有一傳感器。
4．一種超聲梳狀探測器陣列組件，用于安裝在被測物體表面來施加超聲信號到被測物體上，該組件包括結(jié)構(gòu)做成能在被測物體整個(gè)表面上延伸的第一和第二支架；在每一支架上的一超聲傳感器；以及在第一和第二支架之間的能夠使支架在平面內(nèi)作相對繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的一鉸鏈連接部，探測器頭被平行、相互間隔地固定在一起，其鉸鏈連接部基本被對齊。
5．如權(quán)利要求4所述的超聲梳狀探測器陣列組件，還包括一伸展在第一和第二支架間的緊固件，用于迫使支架緊靠在被測物體表面來保持傳感器與被測物體成超聲連接。
6．如權(quán)利要求4所述的超聲梳狀探測器陣列組件，還包括位于相鄰探測器頭之間的墊片。
7．如權(quán)利要求6所述的超聲梳狀探測器陣列組件，其特征為相鄰探測器頭的第一支架之間有墊片，相鄰探測器頭的第二支架之間也有墊片。
8．如權(quán)利要求7所述的超聲梳狀探測器陣列組件，還包括用于將每一探測器頭固定在被測物體一部分周圍之上的緊固件。
9．一種超聲梳狀探測器陣列組件，用于安裝在被測物體表面來施加超聲信號到被測物體上，該組件包括至少兩探測器頭，每個(gè)探測器頭包括第一和第二支架，它們被鉸接在一起用于在平面內(nèi)繞轉(zhuǎn)軸相對轉(zhuǎn)動從而環(huán)繞被測物體的一部分；在每一支架上的一傳感器，探測器頭被大致平行、相互間隔地固定在一起，其鉸鏈連接部基本被對齊。
10．如權(quán)利要求9所述的超聲梳狀探測器陣列組件，還包括在相鄰探測器頭之間的墊片。
11．如權(quán)利要求9所述的超聲梳狀探測器陣列組件，其特征為在相鄰探測器頭的第一支架間有墊片，在相鄰探測器頭的第二支架間也有墊片。
12．如權(quán)利要求9所述的超聲梳狀探測器陣列組件，還包括用于將每一探測器頭固定在圍繞被測物體的一部分之上的緊固件。
13．如權(quán)利要求9所述的超聲梳狀探測器陣列組件，其特征為有4個(gè)探測器頭。
14．一種超聲梳狀探測器陣列組件，用于安裝在被測物體的圓柱表面上來施加超聲信號到被測物體且從被測物體接收返回的信號，該組件包括多個(gè)探測器頭，每個(gè)探測器頭包括具有相對的凹形內(nèi)表面的第一和第二支架，位于第一和第二支架之間能使兩支架在平面內(nèi)于支架間繞轉(zhuǎn)軸相對轉(zhuǎn)動的一鉸鏈連接部，以及安裝在每一支架的凹形內(nèi)表面上的一超聲傳聲器；以及一用于每一探測器頭的緊固件，用于將第一和第二部分圍繞被測物體固定在一起而使超聲傳感器與被測物體成超聲連接，探測器頭平行、相互間隔地被固定在一起，其鉸鏈連接部基本被對齊。
15．如權(quán)利要求14所述的超聲梳狀探測器陣列組件，還包括位于相鄰探測器頭間的墊片。
16．如權(quán)利要求15所述的超聲梳狀探測器陣列組件，還包括在相鄰探測器頭的第一支架之間的墊片，以及相鄰探測器頭的第二支架之間的墊片。
17．如權(quán)利要求16所述的超聲梳狀探測器陣列組件，其特征為墊片可移動地被固定在探測器頭之間。
18．如權(quán)利要求16所述的超聲梳狀探測器陣列組件，其特征為有4個(gè)探測器頭。
19．如權(quán)利要求17所述的超聲梳狀探測器陣列組件，其特征為鉸鏈包括至少一穿過第一支架的細(xì)長緊固件和在第一支架之間的墊片，以及至少有一個(gè)穿過第二支架和在第二支架間的墊片的細(xì)長緊固件，以及一將緊固件固定在一起的接頭。
20．一種將超聲檢測信號施加到被測物體的方法，它包括提供一超聲梳狀探測器陣列組件，該組件包括多個(gè)探測器頭，每個(gè)探測器頭具有第一和第二支架，位于支架間可允許支架繞轉(zhuǎn)軸相對轉(zhuǎn)動的鉸鏈連接部，以及一位于每一支架上的超聲傳感器，探測器頭被平行、相互間隔地排列成一陣列，其鉸鏈連接部被基本對齊；以及將各單個(gè)探測器頭的支架繞軸支承并固定在被測物體表面上以使傳感器與被測物體保持超聲連接。
21．一種將超聲檢測信號施加到被測物體的方法，它包括提供一超聲梳狀探測器陣列組件，該組件包括多個(gè)探測器頭，每個(gè)探測器頭具有第一和第二支架，一位于支架間可允許支架繞轉(zhuǎn)軸相對轉(zhuǎn)動的鉸鏈連接部、以及一位于每一支架上的超聲傳感器，探測器頭被平行、相互間隔地排列成一陣列，其鉸鏈連接部被基本對齊；以及將各單個(gè)探測器頭的支架固定在被測物體表面上以使傳感器與被測物體保持超聲連接。
22．一種將超聲信號施加到被測物體的方法，它包括將包括多個(gè)單個(gè)探測器頭的探測器陣列組件固定在被測物體周圍，探測器頭被平行、相互間距地排列，每個(gè)探測器頭包括第一和第二支架，它們被鉸鏈連接成可在一平面內(nèi)繞轉(zhuǎn)軸相對轉(zhuǎn)動，以及一位于每個(gè)探測頭上的超聲傳感器，探測器頭被相互平行地固定，兩相鄰探測器頭之間放有墊片；以及用傳感器將超聲波頻率施加到被測物體，聲波波長等分成等于相鄰探測器頭的間距。
23．一種將超聲信號將施加到被測物體的方法，它包括用多個(gè)探測器頭和墊片來組裝一超聲梳狀陣列組件，每一探測器頭包括第一和第二支架，它們被鉸鏈連接成可在一平面內(nèi)繞轉(zhuǎn)軸相對轉(zhuǎn)動，以及一位于每個(gè)探測頭上的超聲傳感器，墊片尺寸做成使相鄰探測器頭上的傳感器被隔開的距離等于檢測信號波長的偶數(shù)倍；將該陣列的各個(gè)探測器頭固定在被測物體周圍；以及施加一超聲信號給被測物體。
24．一種組裝超聲梳狀探測器陣列的方法，該方法包括固定多個(gè)探測器頭，將傳感器放置在上面，并在相鄰探測器頭之間加上可分墊片來組成一基本平行的、相互間隔的探測器頭陣列。
25．如權(quán)利要求24所述的方法，其特征為墊片尺寸做成使相鄰探測器頭上的傳感器被隔開的距離等于檢測信號波長的偶數(shù)倍。
全文摘要
一種超聲梳狀探測器陣列組件,它包括多個(gè)探測器頭,每個(gè)探測器頭包括第一和第二支架,安裝在第一支架上的超聲傳感器,一位于第一和第二支架之間能允許支架在一平面內(nèi)作相對轉(zhuǎn)動而包圍被測物體的一部分的鉸鏈連接部。探測器頭被平行且相互間隔地固定在一起,其鉸鏈連接部基本對齊。
文檔編號G10K11/00GK1232180SQ9812262
公開日1999年10月20日 申請日期1998年11月23日 優(yōu)先權(quán)日1997年11月26日
發(fā)明者戴恩·E·哈肯伯格, 詹姆斯·N·巴欣格 申請人:埃莫森電器公司