一種管材或棒材橫傷檢測(cè)的超聲相控陣探頭系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及管材或棒材超聲檢測(cè)的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種管材或棒材橫傷檢測(cè)的超聲相控陣探頭系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)是近年發(fā)展起來(lái)的一種超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，這種技術(shù)能提高檢測(cè)速度和檢測(cè)信號(hào)的信噪比，具有快速、可靠、準(zhǔn)確等特點(diǎn)。超聲相控陣技術(shù)最主要的特點(diǎn)是采用超聲陣列發(fā)射和陣列接收的方式，通過(guò)控制陣列上各個(gè)陣元激勵(lì)信號(hào)的延時(shí)和幅度來(lái)控制聲束的形狀和方向，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)聚焦、掃描和檢測(cè)。超聲相控陣技術(shù)的出現(xiàn)提高了超聲檢測(cè)的精度和速度。
[0003]管材或棒材中的缺陷檢測(cè)十分重要，需檢測(cè)的缺陷主要有縱傷和橫傷。橫傷是指?jìng)拈L(zhǎng)度方向垂直于管材或棒材的中心軸線，大多沿圓周方向分布。檢測(cè)橫傷時(shí)，需要在管材和棒材中產(chǎn)生橫波,并使橫波聲束垂直于射到橫傷上。對(duì)于超聲相控陣技術(shù)，聚焦聲束由相控陣探頭產(chǎn)生，聚焦聲束由水中斜入射到管材或棒材上，折射后產(chǎn)生的橫波聲束在管材和棒材中傳播并垂直入射到橫傷上。由于聚焦聲束不在與管材或棒材軸線垂直的平面內(nèi)，一般情況下，需在現(xiàn)有的柱形相控陣探頭上安置一個(gè)楔塊來(lái)改變聲束的傳播方向，使聲束到達(dá)管棒或棒材表面的入射角處于第一臨界角和第二臨界角之間，從而在管材或棒材中產(chǎn)生橫波并垂直入射到橫傷上。由于聲波經(jīng)過(guò)楔塊會(huì)帶來(lái)聲波能量的損耗，很大程度地降低了聲波在橫傷上的回波能量，降低了橫傷檢測(cè)的信噪比，可能造成漏檢或誤判。現(xiàn)有技術(shù)的相控陣探頭中的晶片均是與管材或棒材的軸線平行布放的，進(jìn)而形成柱形相控陣探頭。
[0004]總之現(xiàn)有技術(shù)的橫傷檢測(cè)中，一般需要加入楔塊來(lái)改變聲束的傳播方向，從而使得聲束到達(dá)管材或棒材表面的入射角α處于第一臨界角和第二臨界角之間，使得在管材或棒材中只產(chǎn)生橫波，并使橫波垂直傳播到橫傷上。由于聲波經(jīng)過(guò)楔塊時(shí)會(huì)帶來(lái)能量的損耗，造成聲波在橫傷上的回波能量較小，降低了橫傷檢測(cè)的信噪比，甚至造成漏檢和誤判。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于，為克服現(xiàn)有技術(shù)在橫傷檢測(cè)中存在的諸多缺陷，從而提供一種管材或棒材橫傷檢測(cè)的超聲相控陣探頭系統(tǒng)。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種管材或棒材橫傷檢測(cè)的超聲相控陣探頭系統(tǒng)，其特征在于，所述超聲相控陣探頭系統(tǒng)包含:若干相控陣探頭，且所有相控陣探頭組成一個(gè)繞管材或棒材外圓周分布的錐形圓臺(tái)，所述錐形圓臺(tái)的軸線與管材或棒材的軸線重合；
[0007]所述相控陣探頭上的每個(gè)晶片與管材或棒材軸線形成的夾角都為α，此時(shí)每一晶片產(chǎn)生的聲束入射到管材或棒材表面上的入射角都是Ct ；
[0008]其中，所述角度α處在使管材或棒材中只產(chǎn)生橫波的第一臨界角和第二臨界角之間。
[0009]可選的，上述晶片均勻分布在錐形圓臺(tái)上。
[0010]當(dāng)采用兩個(gè)相控陣探頭時(shí)，每個(gè)相控陣探頭相對(duì)軸線形成的圓心角為180度。
[0011]當(dāng)采用兩個(gè)相控陣探頭時(shí)，每個(gè)相控陣探頭相對(duì)軸線形成的圓心角稍大于180度，即兩個(gè)相控陣探頭在垂直于管材或棒材平面上內(nèi)投影的不重疊部分形成360度的覆蓋范圍。
[0012]可選的，上述相控陣探頭的個(gè)數(shù)能夠大于等于3個(gè)。
[0013]可選的，晶片之間的距離小于被檢材料的橫波波長(zhǎng)。
[0014]上述相控陣各探頭在管材或棒材軸線上前后錯(cuò)開(kāi)，每個(gè)探頭在各自的范圍內(nèi)對(duì)管材或棒材進(jìn)行查掃并成像；其中，各探頭在垂直于管材或棒材平面上的投影的重疊區(qū)域的圖像采用求平均的方法進(jìn)行處理。
[0015]綜上所述，本發(fā)明提供的探頭為相控陣探頭，利用探頭中各陣元的傾斜排布來(lái)控制聲束方向，使得相控陣探頭發(fā)射的聚焦聲束直接斜入射到管材或棒材表面上，入射角α在第一臨界角和第二臨界角之間。由于去除了現(xiàn)有技術(shù)的方法中改變聲束方向的楔塊，避免了超聲波束在楔塊上的能量損耗，較大程度地提高橫傷檢測(cè)的信噪比。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于:
[0017]本發(fā)明提供的適用于管材或棒材橫傷檢測(cè)的超聲相控陣探頭系統(tǒng)利用探頭陣元在空間上的傾斜排布來(lái)控制聲束方向，使得相控陣探頭每一陣元發(fā)射的聲束不在垂直于管材或棒材的平面內(nèi)，而是處在該陣元與管材或棒材中心軸線構(gòu)成的平面內(nèi)，并在管材或棒材表面斜入射到管材或棒材內(nèi)，從而不需要傳統(tǒng)方法中用于改變聲束方向的楔塊。這樣的相控陣探頭系統(tǒng)既消除了聲束在通過(guò)楔塊時(shí)的能量損耗，又能在管材或棒材的圓周方向上進(jìn)行相控陣電子掃描與檢測(cè)。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1是本發(fā)明的管材或棒材橫傷檢測(cè)的相控陣探頭的聲束入射示意圖；
[0019]圖2是本發(fā)明的理想情況下的相控陣探頭各陣元晶片的分布及結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖3是本發(fā)明適用于管材或棒材橫傷檢測(cè)的超聲相控陣的探頭系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明所述方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0022]本發(fā)明提供的探頭系統(tǒng)利用探頭中各陣元的傾斜排布來(lái)控制聲束方向，使相控陣探頭發(fā)射的聚焦聲束直接斜入射到管材或棒材表面，入射角α處在第一臨界角和第二臨界角之間，使管材或棒材中只產(chǎn)生橫波。圖1是本發(fā)明中相控陣探頭發(fā)射聲束在管材或棒材上的入射示意圖。圖中，AB是相控陣探頭中的一個(gè)晶片，相控陣探頭中所有的晶片都是均勻分布在管材或棒材周?chē)纬梢粋€(gè)喇叭狀的圈狀結(jié)構(gòu)，每一個(gè)晶片相對(duì)于管材和棒材都是傾斜分布的，即每一晶片與管材或棒材形成的夾角都為α，每一晶片產(chǎn)生的聲束入射到管材或棒材表面上的入射角也都是α。采用相控陣發(fā)射時(shí)，聚焦聲束只能在各陣元的排列方向(即管材或棒材的圓周方向)上聚焦和掃描。入射角α在第一臨界角和第二臨界角之間，根據(jù)檢測(cè)時(shí)的耦合劑和不同材質(zhì)的管材或棒材及交界面等情況來(lái)確定。晶片產(chǎn)生的聲束斜入射到管材和棒材上，在管材或棒材中產(chǎn)生橫波，橫波在管材或棒材中多次反射并入射到橫傷缺陷上。
[0023]圖2是本發(fā)明中相控陣探頭各晶片的分布示意圖，整個(gè)相控陣探頭形成一個(gè)沒(méi)有上底和下底的圓臺(tái)結(jié)構(gòu)，相控陣探頭中各陣元晶片均勻分布在該圓臺(tái)的側(cè)面上沿母線方向排列并向內(nèi)發(fā)射聲波。P和Q分別是這個(gè)圓臺(tái)上底和下底的圓心，A1A2> B1B2以及C1C2是相控陣探頭中某三個(gè)相鄰的陣元。在實(shí)際檢測(cè)中，管材或棒材的中心軸線應(yīng)與直線PQ重合。為了保證探頭發(fā)射的聲束到達(dá)管材或棒材表面時(shí)的入射角為α，要求該圓臺(tái)母線與下底的夾角為 “90。-α ”，即要求 Z A1A2Q= Z B1B2Q= Z C1C2Q=^d -α。
[0024]實(shí)施例1
[0025]在上述相控陣探頭中，探頭晶片均勻分布在管材或棒材周?chē)囊粋€(gè)圓臺(tái)側(cè)面上，即探頭中所有晶片在管材或棒材的圓周方向上均勻分布，覆蓋360度的掃描范圍。然而，在相控陣探頭的實(shí)際制作過(guò)程中，由于工藝上的困難，難以制作出一個(gè)完整的圓臺(tái)結(jié)構(gòu)。為此，可將相控陣探頭制作成兩個(gè)相控陣探頭，每個(gè)相控陣探頭為一個(gè)半圓臺(tái)結(jié)構(gòu)，這種半圓臺(tái)結(jié)構(gòu)的相控陣探頭只對(duì)管材或棒材的180度范圍進(jìn)行掃描檢測(cè)，采用兩個(gè)這樣的半圓臺(tái)結(jié)構(gòu)就可實(shí)現(xiàn)對(duì)管材或棒材的360度的全范圍掃描檢測(cè)，見(jiàn)圖3。為了消除各半圓臺(tái)探頭之間的掃描盲區(qū)，每個(gè)半圓臺(tái)應(yīng)制作成稍大于180度的掃描范圍，即半圓臺(tái)相對(duì)中心軸線形成的圓心角稍大于180度。這樣做，可能會(huì)使兩個(gè)半圓臺(tái)探頭之間的聲束掃描區(qū)域存在部分重疊，但這在軟件上可采用求平均等方法來(lái)進(jìn)行處理，所述平均方法處理細(xì)節(jié)屬于現(xiàn)有技術(shù)在此不再贅述。
[0026]上述實(shí)施例中的兩個(gè)相控陣探頭也可以為三個(gè)覆蓋范圍為120度的相控陣探頭，或者4個(gè)覆蓋范圍為90度的相控陣探頭。只要這些相控陣探頭不重疊部分可以覆蓋管材或棒材的360度的全范圍即可。
[0027]這種相控陣探頭結(jié)構(gòu)，由于不需要放置任何楔塊，避免了傳統(tǒng)方法中聲束在通過(guò)楔塊時(shí)的能量損耗，較大程度地提高了橫傷檢測(cè)的信噪比，對(duì)降低管材或棒材檢測(cè)中的漏檢率等問(wèn)題具有重大意義。
[0028]最后所應(yīng)說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參照實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種管材或棒材橫傷檢測(cè)的超聲相控陣探頭系統(tǒng)，其特征在于，所述超聲相控陣探頭系統(tǒng)包含:若干相控陣探頭，且所有相控陣探頭組成一個(gè)繞管材或棒材外圓周分布的錐形圓臺(tái)，所述錐形圓臺(tái)的軸線與管材或棒材的軸線重合； 所述相控陣探頭上的每個(gè)晶片與管材或棒材軸線形成的夾角都為α，此時(shí)每一晶片產(chǎn)生的聲束入射到管材或棒材表面上的入射角都是α ; 其中，所述角度α處在使管材或棒材中只產(chǎn)生橫波的第一臨界角和第二臨界角之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管材或棒材橫傷檢測(cè)的超聲相控陣探頭系統(tǒng)，其特征在于，所述晶片均勻分布在錐形圓臺(tái)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管材或棒材橫傷檢測(cè)的超聲相控陣探頭系統(tǒng)，其特征在于，當(dāng)采用兩個(gè)相控陣探頭時(shí)，每個(gè)相控陣探頭相對(duì)軸線形成的圓心角為180度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管材或棒材橫傷檢測(cè)的超聲相控陣探頭系統(tǒng)，其特征在于，當(dāng)采用兩個(gè)相控陣探頭時(shí)，每個(gè)相控陣探頭相對(duì)軸線形成的圓心角稍大于180度，即兩個(gè)相控陣探頭在垂直于管材或棒材平面上內(nèi)投影的不重疊部分形成360度的覆蓋范圍。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管材或棒材橫傷檢測(cè)的超聲相控陣探頭系統(tǒng)，其特征在于，所述相控陣探頭的個(gè)數(shù)能夠大于等于3個(gè)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管材或棒材橫傷檢測(cè)的超聲相控陣探頭系統(tǒng)，其特征在于，晶片之間的距離小于被檢材料的橫波波長(zhǎng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管材或棒材橫傷檢測(cè)的超聲相控陣探頭系統(tǒng)，其特征在于，所述相控陣各探頭在管材或棒材軸線上前后錯(cuò)開(kāi)，每個(gè)探頭在各自的范圍內(nèi)對(duì)管材或棒材進(jìn)行查掃并成像； 其中，各探頭在垂直于管材或棒材平面上的投影的重疊區(qū)域的圖像采用求平均的方法進(jìn)行處理。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種管材或棒材橫傷檢測(cè)的超聲相控陣探頭系統(tǒng)，所述超聲相控陣探頭系統(tǒng)包含：若干相控陣探頭，且所有相控陣探頭組成一個(gè)繞管材或棒材外圓周分布的錐形圓臺(tái)，所述錐形圓臺(tái)的軸線與管材或棒材的軸線重合；所述相控陣探頭上的每個(gè)晶片與管材或棒材軸線形成的夾角都為α，此時(shí)每一晶片產(chǎn)生的聲束入射到管材或棒材表面上的入射角都是α；其中，所述角度α處在使管材或棒材中只產(chǎn)生橫波的第一臨界角和第二臨界角之間。所述晶片均勻分布在錐形圓臺(tái)上。當(dāng)采用兩個(gè)相控陣探頭時(shí)，每個(gè)相控陣探頭相對(duì)軸線形成的圓心角為180度。
【IPC分類(lèi)】G01N29-24
【公開(kāi)號(hào)】CN104655734
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201310589537
【發(fā)明人】張碧星, 譚宜濤, 師芳芳, 吳先梅
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所
【公開(kāi)日】2015年5月27日
【申請(qǐng)日】2013年11月20日