CN101509758B - 用于检测具有变化的横截面几何形状的轮廓面的柔性阵列探针 - Google Patents

Abstract

披露了一种柔性阵列探针，其适合于在非破坏性测试和检查具有变化的横截面形状的试样中使用。阵列元件，例如，但不限于，涡流传感器、压电传感元件和磁通泄漏传感器，安装在薄的调整叶片上，并沿着期望的旋转轴与成对的枢轴机构连接在一起。枢轴机构允许精确的在一维维度内旋转，以使柔性阵列探针调整它的元件垂直于被测结构的表面。也披露了调整和连接机构。

Description

用于检测具有变化的横截面几何形状的轮廓面的柔性阵列探针

相关申请的交叉参考

本申请要求2007年5月21日提交的美国临时专利申请NO.60/939,171，题目为“FLEXIBLE ARRAY PROBE FOR THE INSEPECTION OF ACONTOURED SURFACE WITH VARYING CROSS-SECTIONALGEOMETRY”的权益和优先权，通过参考将其全部披露内容包含于此。

技术领域

本发明涉及非破坏性测试和检查的阵列探针，而且更特别的是，涉及一种能够应用于和使用于检查横界面形状变化的轮廓面的柔性涡流或超声阵列探针组件。

背景技术

贯穿这个说明书的有关技术的任何讨论都不能被认为这项技术已被广泛知道或是构成了本领域的公知常识的一部分。

虽然本发明所披露的大部分的讨论明确论述了涡流阵列探针，但是并不限于这一方面。本发明的柔性阵列探针很好地适用于连接于阵列探针的任何表面，例如，但并不限于，涡流传感器，压电传感元件(例如，但并不限于，超声换能器和接头测试探针元件)和磁通泄漏传感器(例如，但不限于，霍尔效应传感元件)装置。

涡流探伤通常用于检测制造元件中的瑕疵，例如管子或坯体。一般称作涡流探针的检查线圈被设置在被检查的工件附近且被高频交流电流驱动，继而，在试样的表面附近产生交流磁场。这种磁场在被涡流探针感测和测量的试样的导电表面中感生涡流。如果试样的表面存在瑕疵或缺陷，涡流的流动将会改变，这种变化将被涡流探针迅速地检测到。然后这些电流变化的幅度和位置能够例如通过检测操作者的视觉检查而被分析和记录，或通过自动警报运算来处理，从而确定缺陷或瑕疵的尺寸和位置。涡流阵列系统包括多个检测线圈(或本领域技术人员所公知的其它种类的涡流传感器)，所述多个检测线圈被设置成对于特定的检测任务是传导性的。

轮廓面的涡流探伤一直以来是非破坏性测试和检查中的挑战。一些制造过程，例如，钢坯轧辊系统，能够生产横截面几何形状被限定在一定公差范围内的制品。这种测试表面形状的变化可使涡流探伤的某些关键方面产生问题。例如，使用刚性、不柔软的涡流阵列探针保持恒定的升离状态(涡流传感器位于探测表面上方的高度)，将变得非常困难。类似地，每个涡流传感器的轴线保持垂直于探测中的表面是很关键的。当检测具有变化几何形状的部分时，使用保持其元件于固定位置的涡流阵列探针，这是不可能实现的。

Baraona的美国专利NO.4543528描述了一种试图解决这些问题的柔性探针组件。Baraona的阵列探针使用多个通过柔性带相互固定在一起的独立的测试头，每一个测试头包含至少一个阵列元件。该发明也提供两点连接式调整装置，称为“推进机构”。

虽然Baraona的柔性阵列探针为检测凸状表面的问题提供了一种合理的解决方法，但是它仍然具有许多局限性。柔性带的刚性和测试头的间距限制了阵列中每一个元件运动(旋转)的范围。为了获得有用的探针曲率，阵列元件必须隔开一定的距离或者在每一个测试头上放置多个元件。这两个选择都很大地限制了柔性阵列探针的有效性。Baraona的探针和调整装置还在沿着急剧弯曲的表面保持垂直的线圈方向时表现很差。因为设计的特点，每一个测试头允许相对于直接与其临近的测试头有一定的自由度，所述两点调整装置不适合支撑或调整关键的中心阵列元件。此外，该发明的设计只适合于测试凸起表面。

据此，将有利地提供坚固的柔性阵列探针，该探针在保持紧凑的元件配置时提供很大的柔性度。而且，如果该柔性阵列探针固有地趋向于调整它的元件垂直于被测试结构的表面，这将是有利的。如果在保持阵列中每个元件处于稳定的涡流传感器的升离状态和方向时，该柔性阵列探针是传导地测量具有变化的横截面几何形状的试样，这也将是有利的。如果该探针传导地连接到多个弯曲形状，包括但并不限于，凸起的、凹入的、和S形表面，这也将是有利的。

发明内容

本发明披露的目的是克服与现有技术有关的问题。本发明披露通过提出一种新式柔性阵列探针克服所述问题，该柔性阵列探针包括通过沿着期望的旋转轴定位的成对的枢轴机构连在一起的薄阵列元件安装叶片。该对枢轴机构允许该阵列的元件精确地在一维维度上旋转，同时维持紧凑的元件配置并固有地调整元件垂直于被测试结构的表面。这样，由此产生的柔性阵列探针将是充分易弯曲的以响应于被检测结构的横截面几何形状的变化(例如，但不限于，与被检测结构的制造过程直接相关的变化)而并不需要任何机械调整。

据此，本发明披露的目的是提供一种坚固的柔性阵列探针，其构造有枢轴机构，该枢轴机构允许很大的柔性度，同时保持紧凑的探针元件配置。

本发明还披露的目的是，所述柔性阵列探针内在地通过使用所述枢轴机构调整它的元件垂直于被检测结构的表面。

本发明进一步披露的目的是，该柔性阵列探针是传导地测量具有变化的横截面几何形状的试样，同时保持阵列中每个元件处于稳定的探针元件升离状态和方向。

本发明进一步披露的目的是所述探针传导地连接到多个弯曲形状，包括但并不限于：凸起的、凹入的、和S形表面。

本发明进一步披露的目的是提供一种调整和连接所述柔性阵列探针的方法和固定装置。

本发明的其它特征和优点将通过以下对照附图提供的本发明的描述而变得清楚。

附图说明

图1A-1B是说明本发明披露的使用圆柱形突起/槽枢轴机构的柔性阵列探针的组装透视图；

图2A是说明本发明披露的使用间隔元件枢轴机构的柔性阵列探针的组装透视图；

图2B是说明本发明披露的与间隔元件的调整槽一起使用间隔元件枢轴机构的柔性阵列探针的组装透视图；

图3是说明本发明披露的使用链枢轴机构的柔性阵列探针的组装透视图；

图4是说明本发明披露的柔性阵列探针的替代实施例的透视图，每个探针叶片使用多个探针元件罩；

图5是说明本发明披露的完整组装后的柔性阵列探针透视图；

图6是说明本发明披露的应用于凸起表面的柔性阵列探针透视图；

图7是说明本发明披露的应用于凹入表面的柔性阵列探针透视图；

图8是说明本发明披露的安装在调整和连接装置里的柔性阵列探针透视图；

图9是说明本发明披露的柔性阵列探针的替代实施例的透视图，该柔性阵列探针使用安装的支撑磁体来连接和调整到被检测结构；

图10是说明本发明披露的安装到大测试系统中的多个柔性阵列探针的透视图；

图11是说明本发明披露的柔性阵列探针的替代实施例的透视图，其中探针内的柔性度可在组装后调整；

图12是说明用于本发明披露的柔性阵列探针的单线组装方法的组装剖面图。

具体实施方式

本发明披露了一种柔性涡流阵列探针，包括多个薄的阵列元件安装叶片(这里称作“探针叶片”)的，所述叶片与多套枢轴机构连接在一起，因此容许固定到该探针叶片的探针元件精确的在一维维度内旋转。这样，可以实现任何尺寸和形状的柔性阵列探针都。使用的不同种类的枢轴机构和柔性阵列探针的结构的细节将在下面进行详细描述。

虽然本发明具体披露了一种涡流阵列探针，但是它不限于这一方面。当然，本发明披露的装置和方法很适合于任何表面连接的阵列探针，该阵列探针例如是，但不限于，涡流传感器，压电传感元件，和磁通泄漏传感器装置。

图1A和1B说明本发明优选实施例的组装。两个图试图从不同的角度说明同一个组装过程。依据所需要阵列的尺寸和形状，在适当的位置探针叶片101与探针元件罩102固定在一起。取决于所使用的材料和制造方法，探针叶片101和探针元件罩102可以被制造成一个完整件。在图1A和1B描述的示范性柔性阵列探针中，涡流传感元件103被固定在探针元件罩102中。

圆柱形突起104和相匹配的圆柱形槽106被模制或是机械加工到探针叶片101中。对每个槽/突起对钻孔，线105从中穿过。在随后的组装步骤中(如图5所示以及下面详细描述的)，探针叶片101被拉在一起，线105被拉到所期望的张力、整理、并密封最外面的探针叶片101。

如图1A和1B所示的一个优选的实施例示出了钻穿每个槽/突起对的一对孔和因此穿过每个槽/突起对的一对线105。然而，本披露不限于这一方面。根据应用所需求的柔性度或硬度，可以使用更多或更少的孔和线。还应该注意的是，虽然在图1A和1B描述的示范性柔性阵列探针中使用了圆柱形突起104和相应的圆柱形槽105，但是本发明并不限于这方面。实际上，突起和相应的槽元件可以采用很多几何形状，包括，但是不限于球形。

图2A说明了本发明的替代实施例。除了图1A和1B中的圆柱形槽106和突起104被间隔元件204所替换外，设计与优选实施例相同。这些间隔元件204可以由适合于应用的任何材料制造(例如，但不限于，铜、塑料、橡胶或碳化物和自润滑材料，例如聚醚醚酮(在工业中通常称为PEEK)和乙缩醛(Acetal))，而且可以按大小成形以提供优选实施例的圆柱形槽/突起枢轴机构所能允许的相当大的元件间距的范围。虽然在图2中描述的间隔元件204是球形的，本发明的方法不限于这方面。间隔元件204可以采用多种几何形状，例如，但不限于，圆柱形、方形和梯形。图2B表示本发明的替代实施例，其中，在探针叶片201的表面上设置间隔元件调整槽206，为间隔元件204提供了调整装置。这样的替代性实施例很好的适合于使用刚性材料制造的间隔元件204，例如，但不限于，塑料或铜。

图3说明了本发明披露的另外一个可替换的实施例。在本实施例中，探针叶片301沿着期望的旋转轴与安装柱305固定在一起，且固定到链接元件306。链接元件306随后与柱307连接在一起以构成链组件304。在这个实施例中，使用一对这样的链组件304，沿着阵列组件的每一侧各有一个。这个实施例提供了非常坚固的柔性阵列探针，且能够被用于生产在操作后保持形状的柔性阵列探针，这两个特征非常有利于人工检查过程。

应该注意的是，虽然在图3中所示的示范性阵列探针描述了安装柱305固定探针叶片301于链接元件306，但是本发明并不限于此。实际上，多种固定方法可用来使所述的链接元件306固定于所述的探针叶片301，包括，但不限于，环氧树脂、安装螺钉和多个支撑柱系统，只要不允许单个链接元件306相对于与其固定的独立探针叶片旋转。

图4说明了第三种可替换实施例，其中探针叶片401的每一个与多个探针元件罩402以及随后的探针元件403固定在一起。图4描述了在优选的实施例中使用的圆柱形突起/槽枢轴机构，但是这个实施例不限于此。实际上，三种枢轴机构(圆柱形槽/突起、间隔球或链)中的任何一个都可以和这种多探针元件罩技术一起使用。

图5说明了使用本发明所披露的优选实施例构造的完全组装的柔性阵列探针。使用图1所示的突起/槽枢轴机构将多个探针叶片501连接在一起，并使用图1所示的线组将所述多个探针叶片501保持在一起。为了最终产品，线被拉到所期望的张力、整理、然后使用环氧树脂(epoxy)504固定就位。虽然在这里以及随后的图中描述环氧树脂脂504，但可以使用其它固定的方法，包括，但是不限于，卡钉、夹子、安装螺钉和止动套筒。由坚硬的、低摩擦系数材料制造(例如，但不限于碳化物)的防磨装置505可被加到柔性阵列探针的配合表面以保护和延长探针寿命。

在这个组件中，探针元件罩502被放置成紧密的阵列，精确的在一维维度上可弯曲。应该注意的是虽然图5中所示(和在许多其它图中所使用)的示范性探针是3×5阵列探针，但使用本发明所披露的方法可以实现任何尺寸的阵列探针。

图6说明本发明披露的柔性阵列探针601连接到凸起的表面602。图7说明本发明披露的柔性阵列探针701连接到凹入的表面702。在两种情况下，所述阵列探针(601和701)已与被检测的曲面结构(602和702)的几何形状一致，并将它们的元件定向到均匀的升离状态且垂直于被检测结构的表面。利用在适当位置的绕轴旋转机构(图1A和1B中圆柱形突起104和槽106，图2中的间隔球204，或图3中的链结构304)，探针叶片的每一个通过与其直接相邻的探针叶片被拉到正确的排列位置，使得整个探针结构601和701固有地与被检测结构602和702的表面几何形状保持一致。

应该注意的是，虽然本发明披露的优选的实施例利用了探针罩元件，但本发明披露的方法并不限于此方面。当然，本发明披露的方法可以用来获得柔性阵列探针，其中探针元件直接固定到探针叶片。

图8说明适合用于本发明披露的柔性阵列探针的调整和连接固定装置。柔性阵列探针801通过固定框架803连接到被检测的曲面结构802。调节柱806与固定柱807一起将柔性阵列探针801的端点固定在被检测的曲面结构802上。压力机构804(设计成大致为被检测结构的形状)在关键的测量点处安装在调整柱805上。压力机构804的接触面808可以由坚硬材料制造，例如，但并不限于，塑料或钢，以提供刚性接触面将该柔性阵列探针801保持成合理的公知形状；或者可以是弹性的材料，例如，但并不限于，橡胶或硅树脂，使该柔性阵列探针801与测试结构的较宽阵列一致。

调整柱806和805在二维维度上可调整，可用于使柔性阵列探针801适合于宽范围的表面尺寸和形状。压力机构804还可构造成任何形状，例如，但并不限于，凸起的或凹入的曲面，平的楔形物，或者复杂的S形，以便匹配被检测的结构802；压力机构804可建造成任何大小，以允许直接连接到应用中要求的柔性阵列探针801的一样多或一样少的元件。

提供安装杆810和811，使得整个结构(所述探针、调整和连接固定装置一起)可以固定到大的自动检测系统中或安装到生产线上。

应该注意的是，虽然图8描述的调整和连接固定装置利用压力机构804精确地将柔性阵列探针801连接在被检测的曲面结构802上，本发明披露的方法并不限于在这方面。实际上，在许多检查操作中，柔性阵列探针801会单独通过调整柱806和807施加的力充分地连接到被检测的曲面结构802。在这样的检查操作中，连接结构如压力机构804将是不必要的，因此并不包括在调整和连接固定装置中。

应该注意的是，虽然图8描述的示范性调整和连接固定装置利用了L形的固定框架803，本发明披露的方法并不限于此方面。虽然示范性固定框架803很好地适合连接本发明披露的柔性阵列探针到圆形杆结构(即，在弯曲的检查区域的每侧上具有彼此相互垂直的平面的结构)，但本领域技术人员应该明白，也能使用其它形状的固定框架以有效地连接本发明披露的柔性阵列探针到其它类型的结构，例如，但并不限于，管和横挡。

发明人也想到一种调整和连接固定装置，其中调整柱805和807被弹簧加载到调整轨道809内，使得柔性阵列探针在被应用到被检测结构802时将保持在恒定的压紧状态下。

图9说明一种将柔性阵列探针901调整和连接到被测的铁磁体曲面结构902的更简单的方法，适合于抽样检查或者任何其它的非自动检查。多个调整磁体903安装到独立探针叶片上，用来将整个柔性阵列探针901保持在合适的位置。使用这种类型的调整方法，柔性阵列探针901能容易和快速地移动到试样上的不同位置以及在检查过程中手动调节。应当注意的是，虽然图9示出调整磁体903安装在仅仅两个最外面的探针叶片上，但可以依据应用的要求使用更多的调整磁体903，包括其中每个探针叶片用自身的一组调整磁体903来固定的实施例。

图10说明如本发明披露所述的多个柔性阵列探针1001围绕具有圆方横截面的坯体1002安装到合适的位置。这样，本发明的柔性阵列探针可用作大型测检测系统的一部分以提供对复杂部分的完全覆盖。

图11是描述本发明披露的柔性阵列探针的替代实施例的剖面组装图，其中一个或多个将探针叶片1101彼此连接在一起的线1106的拉力可在组装后调整。这样，在线拉伸方面的寿命周期的变化在不拆卸探针的情况下可被容易地校正，所述寿命周期的变化可损害检查操作的效率和准确度。

第一线固定元件1108将线1106的第一末端固定到第一探针叶片1101b。线1106然后穿过探针叶片1101和间隔元件1102的每一个，第二线固定元件1105将线1106的第二末端固定到拉力调整螺丝1103的末端。该拉力调整螺丝1103固定在罩元件1107中的螺纹槽1104内。罩元件1107然后进一步固定在最后的探针叶片1101a上。通过操作拉力调整螺纹槽1104内的螺丝1103，可以调整线1106的拉力，对于特定的检查操作，给操作者提供保持本发明披露的柔性阵列探针的柔性的最佳手段。

如先前提到的图5所讨论的那样，固定元件1105和1108根据检查操作的需要可采取多种形式。这些形式包括，但并不限于，环氧树脂、卡钉、夹子、安装螺丝和止动套筒。进一步，虽然为了便于解释，图11描述的组件剖面图中示出了单线1106和单拉力调整螺丝1104，但本发明披露的方法并不限于此方面。实际上，在许多柔性阵列探针组件中很可能使用多个这样的线和调整元件。

应该注意的是，虽然图11中的示范性探针描述了拉力螺丝罩元件1107作为附属于探针叶片1101b的独立元件，但本发明披露的方法并不限于此方面。实际上，在本发明披露的方法的许多实际应用中，该罩元件可一体化到探针叶片1101b中。

图12是剖面组装图，说明用于根据本发明的方法制造的柔性阵列探针的单线组装技术。单个长线1203经由每个探针叶片1201中的多个孔1202拉过多个探针叶片1201。所述长线1203多次穿过每个探针叶片以有效地将多个探针叶片拉在一起。

虽然本发明关于特定实施例做了描述，但是许多其它的变化和修改以及其它使用对于本领域技术人员来说是显而易见的。因此，优选本发明并不限于这里特别披露的内容。

Claims (37)

1.在非破坏性检测操作中使用的一种柔性阵列探针，所述探针包括：

多个探针叶片，所述多个探针叶片包括第一探针叶片和最后探针叶片；

多个探针元件，每一个探针元件固定到所述多个探针叶片中的一个；

多个枢轴机构，位于所述探针叶片的每一个之间；

至少一个具有第一端部和第二端部的线元件，所述线元件穿过所述多个探针叶片；

至少一个固定元件，将每一个线元件的第一端部固定于至少一个探针叶片；和

至少一个固定元件，将每一个线元件的第二端部固定于至少一个探针叶片。

2.如权利要求1所述的柔性阵列探针，其特征在于：至少一个孔穿过每一个探针叶片，从而容许所述线元件穿过所述探针叶片。

3.如权利要求1所述的柔性阵列探针，其特征在于：所述线元件也穿过所述多个枢轴机构。

4.如权利要求3所述的柔性阵列探针，其特征在于：至少一个孔穿过每一个枢轴机构，从而容许所述线元件穿过所述枢轴机构。

5.如权利要求1所述的柔性阵列探针，其特征在于：所述枢轴机构是间隔元件。

6.如权利要求5所述的柔性阵列探针，其特征在于：所述间隔元件由铜、塑料、橡胶、碳化物、青铜、聚醚醚酮和乙缩醛组成的一组材料制成。

7.如权利要求5所述的柔性阵列探针，其特征在于：所述间隔元件由自润滑材料制成。

8.如权利要求5所述的柔性阵列探针，其特征在于：在所述探针叶片上设置有间隔元件调整槽。

9.如权利要求1所述的柔性阵列探针，其特征在于：所述枢轴机构是模制在所述多个探针叶片上的成形突起和槽。

10.如权利要求1所述的柔性阵列探针，其特征在于：所述枢轴机构是机械加工到所述多个探针叶片中的成形突起和槽。

11.如权利要求1所述的柔性阵列探针，其特征在于：所述固定元件的至少一个包括调整所述线元件的至少一个中的张力的装置。

12.如权利要求11所述的柔性阵列探针，其特征在于：所述调整张力的装置包括固定到所述线元件的至少一个的张力调整螺母。

13.如权利要求1所述的柔性阵列探针，其特征在于：所述探针元件固定在探针罩中。

14.如权利要求1所述的柔性阵列探针，其特征在于：所述探针元件是涡流传感器。

15.如权利要求1所述的柔性阵列探针，其特征在于：所述探针元件是压电传感元件。

16.如权利要求1所述的柔性阵列探针，其特征在于：所述探针元件是磁通泄漏传感器。

17.如权利要求1所述的柔性阵列探针，其特征在于：进一步包括固定在所述探针叶片的至少一个表面的耐磨元件。

18.如权利要求1所述的柔性阵列探针，其特征在于：进一步包括调整和连接结构，所述结构包括框架单元和多个固定到所述探针叶片的至少一个的调整柱。

19.如权利要求18所述的柔性阵列探针，其特征在于：所述调整柱的至少一个的长度是可调整的。

20.如权利要求18所述的柔性阵列探针，其特征在于：所述调整柱的至少一个被弹簧加载，以使所述的柔性阵列探针上保持恒定的张力。

21.如权利要求18所述的柔性阵列探针，其特征在于：进一步包括为所述探针叶片的至少一个提供连接力的压力机构。

22.如权利要求21所述的柔性阵列探针，其特征在于：所述压力机构采用相应于所检测的弯曲表面的几何形状。

23.如权利要求1所述的柔性阵列探针，其特征在于：进一步包括调整和连接结构，所述结构包括从所述探针叶片的至少一个伸出的多个支撑柱和至少一个固定到所述支撑柱的至少一个的调整磁体。

24.在非破坏性检测操作中使用的一种柔性阵列探针，所述探针包括：

多个探针叶片，所述多个探针叶片包括第一探针叶片和最后探针叶片；

多个探针元件，每一个探针元件固定到所述多个探针叶片中的一个；

多个刚性的固定于所述多个探针叶片的链接元件，所述链接元件连接在一起构成至少一个链组件。

25.如权利要求24所述的柔性阵列探针，其特征在于：独立的链接元件被固定使得不能够相对于所述探针叶片旋转，每个所述独立的链接元件连接到所述探针叶片。

26.如权利要求24所述的柔性阵列探针，其特征在于：所述链组件是刚性的，使所述柔性阵列探针在被放置时将会趋于保持形状。

27.如权利要求24所述的柔性阵列探针，其特征在于：所述探针元件被固定在探针罩中。

28.如权利要求24所述的柔性阵列探针，其特征在于：所述探针元件是涡流传感器。

29.如权利要求24所述的柔性阵列探针，其特征在于：所述探针元件是压电传感元件。

30.如权利要求24所述的柔性阵列探针，其特征在于：所述探针元件是磁通泄漏传感器。

31.如权利要求24所述的柔性阵列探针，其特征在于：进一步包括固定到所述探针叶片的至少一个表面的耐磨元件。

32.如权利要求24所述的柔性阵列探针，其特征在于：进一步包括调整和连接结构，所述结构包括框架单元和固定到所述探针叶片的至少一个的多个调整柱。

33.如权利要求32所述的柔性阵列探针，其特征在于：所述调整柱的至少一个的长度是可调的。

34.如权利要求32所述的柔性阵列探针，其特征在于：所述调整柱的至少一个被弹簧加载，以使所述柔性阵列探针上保持恒定的张力。

35.如权利要求32所述的柔性阵列探针，其特征在于：进一步包括为所述探针叶片的至少一个提供连接力的压力机构。

36.如权利要求35所述的柔性阵列探针，其特征在于：所述压力机构采用与被测的弯曲表面相应的几何形状。

37.如权利要求24所述的柔性阵列探针，其特征在于：进一步包括调整和连接结构，所述结构包括从所述探针叶片的至少一个伸出的多个支撑柱和至少一个固定到所述支撑柱的至少一个的调整磁体。

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