CN102706968A - 一种检测复合材料整体结构内腔的探头及超声扫查方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于复合材料等结构的无损检测技术，涉及一种检测复合材料整体结构内腔的探头及超声扫查方法。探头包括声学单元和扫查器，声学单元位于扫查器中的上下夹持块中间位置的同轴圆柱贯通孔内，并保持间隙配合；超声扫查方法是，将声学单元放置在扫查器中的上夹持块上；声学单元与外部超声检测仪器连接，将供水软管与外部供水回路连接，由下夹持块的直孔进水传送到圆形槽，再沿耦合腔外套与下夹持块内孔壁之间的细缝流到被检测封闭立樯表面，在立樯表面形成声波耦合水膜；通过声学单元向被检测整体结构封闭内腔立樯垂直发射/接收超声波。本发明极大地改善了封闭内腔立樯超声扫查稳定性、显著提高了检测结果的可靠性。

Description

一种检测复合材料整体结构内腔的探头及超声扫查方法

技术领域

本发明属于复合材料等结构的无损检测技术，涉及一种检测复合材料整体结构内腔的探头及超声扫查方法。

背景技术

复合材料等整体结构是航空、航天、民航、电子、兵器、船舶、电力等领域设计采用的一种重要工程结构，通常设计有内腔或内孔结构特征。由于这类结构通常多属承力结构，因此工程上要求必须进行100%无损检测。而由于这类整体结构内腔的封闭性和不可达性，通常难以对其实现无损检测。

目前技术上主要是采用超声方法实现复合材料等整体结构内腔的无损检测，通过超声探头中的声学换能传感器发射/接收声波信号，根据接收到的回波信号变化规律，进行缺陷判别；对于复杂结构内腔和空间狭小的内腔结构，主要采用手工超声扫查检测方法，将超声探头通过机械连杆的刚性连接，通过手工操作机械连杆，实现超声探头对被检测零件的扫查，超声探头与被检测零件表面采用刚性接触耦合；对于内部空间较大和规则的短行程内腔，也有通过专用扫查机构，实现对整体结构内腔部位进行超声自动扫查检测；

目前可用于复合材料等整体结构内腔的超声探头，其突出的不足是：（a）表面检测盲区大，通常在0.8-1mm以上；（b）来自超声探头的声波信号质量不高，信号规律不清晰，影响缺陷判别和定性分析；（3）分辨率低。本发明专利采用宽带窄脉冲超声换能传感器，使探头的超声输出信号达到严格单周特性，信号质量和信噪比显著提高，信号规律更清晰，缺陷判别与定性分析更准确，检测盲区可以达到复合材料单个铺层厚度。

（1）对于复合材料等整体结构封闭内腔部位，目前主要采用手工超声扫查检测方法，将超声探头通过机械连杆的刚性连接，通过手工操作机械连杆，实现超声探头对被检测零件的扫查，探头与被检测零件表面采用刚性接触耦合，其突出的不足是：（a）由于复合材料等整体内腔结构的复杂性和表面曲率的变化，很难通过外部刚性连接杆实现对探头的控制，并保证其与被检测零件表面之间形成稳定的声学耦合，从而导致换能器发射/接收信号的严重不稳定，直接影响检测结果的可靠性；（b）扫查过程中通过外部刚性连接杆，难以保证探头的姿态和位置随被检测封闭内腔表面进行稳定的接触跟踪，从而影响超声检测结果可靠性。本发明专利设计采用自适应随动结构的超声探头，使扫查过程中超声换能传感器始终能够随着被检测内腔立樯表面进行柔性形面跟踪，极大地改善了封闭内腔立樯超声扫查稳定性、显著提高了检测结果的可靠性；通过独特的水膜耦合回路设计，使在扫查过程中，在探头-零件表面之间形成稳定的软膜柔性接触耦合，大大地改善了扫查过程中声波耦合效果和检测信号稳定性，显著提高了检测结果可靠性。

（2）对于内部空间较大和规则的短行程内腔，目前也有通过专用检测装置设计，对整体结构内腔规则部位进行超声自动检测，其突出的不足是：需要专门的喷水系统材料实现稳定的声波耦合，技术成本昂贵，对于大多数整体结构，因可达性、场地、环境条件等原因，无法对工程结构封闭内腔实施自动扫查检测。本发专利明的超声扫查方法及探头可以方便地实现不同长度和深度的封闭内腔立樯的超声扫查检测，显著降低了检测成本，大大地提高了复合材料等整体封闭内腔可检性和可达性。

发明内容

本发明针对复合材料等整体结构端头开口的封闭内腔部位的无损检测，发明检测复合材料整体结构内腔的探头及超声扫查方法，以实现复合材料等整体结构内腔部位高分辨率超声检测，提高复合材料等整体结构内腔部位可检性，避免漏检，提高检测可靠性。

本发明的技术解决方案是，探头包括声学单元和扫查器，声学单元位于扫查器中的上下夹持块中间位置的同轴圆柱贯通孔内，并保持间隙配合；

声学单元包括超声换能传感器，传感器外壳，液体耦合腔，耦合腔外套，耦合胶膜，接触头和限位圈，超声换能传感器置于传感器外壳内，限位圈紧套在传感器外壳中部，传感器外壳与液体耦合腔的一端螺纹连接，液体耦合腔的另一端与耦合腔外套上端螺纹连接，耦合胶膜套在液体耦合腔外侧，液体耦合腔的柱形空腔中充满液体，耦合腔外套下端内螺纹与接触头上端外螺纹连接，

扫查器包括操作杆、上夹持块、下夹持块、操作杆连接螺栓、进水连接头，供水软管，上下夹持块连接螺钉、密封垫，操作杆由操作杆连接螺栓、连接套、锁紧盖、连接杆、操作手柄和操作杆连接头组成，操作杆连接头为圆柱体，操作杆连接头的一端为矩形，矩形的宽度与上夹持块前端两耳边之间的距离一致，并形成间隙配合，操作杆连接头的另一端外部加工成圆柱螺纹，并与连接套外螺纹匹配，操作杆连接头的矩形端插入上夹持块前端两耳边中间位置，通过操作杆连接螺栓将操作杆连接头与上夹持块连接在一起，连接套的内螺纹与连接杆的外螺纹连接，连接杆的外螺纹与操作手柄的内螺纹连接；上夹持块为矩形方块，在其中心位置附近加工有一贯通孔，孔径与耦合腔外套外径形成间隙配合，在上夹持块的前端切出两个耳边，在上夹持块四个直角位置钻有4个贯通孔，该4个贯通孔与下夹持块中的4个贯通螺纹孔同轴，上夹持块与下夹持块通过螺钉连接；

下夹持块为矩形方块，在其中间位置加工有一贯通孔，贯通孔径与上夹持块中的贯通孔同轴，且耦合腔外套外径形成间隙配合；在下夹持块的端面上钻有一螺纹盲孔，该螺纹孔与进水连接头外螺纹连接和密封，形成耦合进水输入通道；在靠近贯通孔径远周边的外侧加工有一圆形槽，形成周向耦合供水回路；在圆形槽的侧壁均布有6-12个细通孔，形成扫查过程中的耦合供水；在圆形槽的底钻有一个与安装进水连接头的螺纹盲孔相通的直孔，形成耦合供水输入通道；进水连接头与供水软管相接。

所述的连接杆两端加工有外螺纹，连接杆两端外螺纹端配有锁紧盖，通过连接套实现多根连接杆的连接，相邻连接杆由锁紧盖锁紧，构成不同长度的操作杆，实现不同深度或者长度的封闭内腔立樯的扫查。

利用上述探头进行超声扫查的方法是，将声学单元放置在扫查器中的上夹持块上；声学单元与外部超声检测仪器连接，将供水软管与外部供水回路连接，耦合用水通过进水连接接头，由下夹持块的直孔进水传送到圆形槽，再沿耦合腔外套与下夹持块内孔壁之间的细缝流到被检测封闭立樯表面，并随着声学单元的移动，在立樯表面形成声波耦合水膜；利用手工或机械自动方式通过移动操作杆，移动声学单元，通过声学单元向被检测整体结构封闭内腔立樯垂直发射/接收超声波，检测整体结构封闭内腔。

本发明具有的优点和有益效果是，

（1）采用本发明，表面检测盲区小、分辨率高，可以达到复合材料单个铺层的厚度，约0.13mm；检测信号质量和信噪比显著提高，信号规律更清晰，缺陷判别与定性分析更加准确；

（2）本发明采用自适应随动结构的超声探头和柔性连接杆，使扫查过程中超声换能传感器始终能够随着被检测内腔立樯表面外形进行柔性形面跟踪，保证超声换能传感器的姿态和位置随被检测封闭内腔表面进行稳定的接触跟踪，极大地改善了封闭内腔立樯超声扫查稳定性、显著提高了检测结果的可靠性；

（3）本发明中的超声换能传感器与被检测复合材料零件表面之间采用软膜接触耦合，通过水膜耦合回路设计，使在扫查过程中，在探头-零件表面之间形成稳定的软膜柔性接触耦合，大大地改善了扫查过程中声波耦合效果和检测信号稳定性，显著提高了检测结果可靠性；

（4）本发明的超声扫查方法及探头可以方便地实现室内外环境条件下、不同长度和深度的封闭内腔立樯的超声扫查检测，显著降低了检测成本，大大地提高了复合材料等整体封闭内腔可检性和可达性。

附图说明

图1是本发明探头的结构外形示意图；

图2是本发明探头结构剖视图；

图3是本发明下夹持器俯视剖面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明。

（1）整体结构封闭内腔立樯超声扫查探头

本发明的整体结构封闭内腔立樯超声扫查探头主要由声学单元1和扫查器2组成。声学单元1位于扫查器2中的上下夹持块中间位置的同轴圆柱贯通孔内，并保持间隙配合。通过前后左右移动扫查器2带动声学单元1实现对复合材料整体结构3封闭内腔立樯3A进行超声扫查检测，如图1所示。

声学单元1包括超声换能传感器16，传感器外壳17，液体耦合腔18，耦合腔外套19，耦合胶膜20，接触头22和限位圈10等组成，其结构参见图2。

限位圈10为一弹性胶圈，紧套在传感器外壳17中部，防止声学单元1在扫查移动过程中从上夹持块5和下夹持块6中脱落。

超声换能传感器16采用北京航空制造工程研究所的发明专利“一种用于复合材料检测的超声探头的换能传感器”，（申请号201210053169.4），分辨率可以达到单个复合材料铺层厚度，约0.13mm，超声换能传感器16安装在传感器外壳17内，超声换能传感器16的正负电极引线分别与连接座1A的芯线和地线焊接，连接座1A为超声换能传感器19提供与外部仪器或者设备的信号连接接口；超声换能传感器16通过超声信号连接座1A与外部仪器或者设备的信号连接，发射/接收声波；超声换能传感器16与传感器外壳17采用间隙配合，通过胶封安装固定。

传感器外壳17：在传感器外壳17的下端外侧加工有螺纹1B，通过传感器外壳17螺纹1B与液体耦合腔18上端的内螺纹连接。

液体耦合腔18：在液体耦合腔18上部外侧加工有外螺纹，通过此螺纹与液体耦合腔外套19液体耦合腔18上部内螺纹连接。耦合胶膜20套在液体耦合腔18外侧，并依靠自身弹性在液体耦合腔18内部形成圆柱形空腔18A，在柱形空腔18A充满液体，如水，通过耦合胶膜20密封，在液体耦合腔18内形成圆柱耦合液柱，为超声换能传感器16发射/接收的声波信号提供声学耦合通道，并在液体耦合腔18下端形成球形软膜触头20A，与接触头22共同作用，在被检测零件表面形成软膜接触耦合。

耦合腔外套19：通过其上部内螺纹与液体耦合腔18上部外侧螺纹连接，可以上下调节，通过调节耦合腔外套19、接触头22和声耦合软膜20，使软膜触头18A刚好与被检测立樯3A表面形成水膜接触耦合。

耦合胶膜20：采用软质透声膜制成，套在液体耦合腔18外侧，依靠自身弹性在液体耦合腔18内部形成圆柱形密封空腔18A，在液体耦合腔18内部的液体作用下，在液体耦合腔18下端形成球形软膜触头20A，为超声扫查检测过程中，提供弹性接触声波耦合。

接触头22：通过其上部外侧螺纹与耦合腔外套19下部内螺纹连接，可以上下调节。

声学单元1位于扫查器2中的上夹持器5和下夹持器6圆形内孔中，通过耦合腔外套19与上夹持器5和下夹持器6内孔实现间隙配合，通过移动扫查器2，实现声学单元对1对被检测零件内部立樯3A进行扫查和检测，扫查过程中，声学单元对1可以自由灵活地随被检测零件立樯3A表面上下运动，扫查过程中，声学单元对1与被检测立樯3A表面通过软膜触头20A和接触头22及声耦合软膜20实现柔性接触耦合。

扫查器2由：操作杆4、上夹持块5、下夹持块6、操作杆连接螺栓7、进水连接头8，供水软管9，上下夹持块连接螺栓11、密封垫21等组成，如图1和图2所示。

操作杆4：由操作杆连接螺栓7、连接套12、锁紧盖13、连接杆14、操作手柄15和操作杆连接头23组成，如图1和图2所示。操作杆连接头23为一轻质材料圆柱体，此圆柱体的一段接触圆头矩形，矩形的宽度与上夹持块5前段两耳边5A之间的距离一致，并形成间隙配合，此圆柱体的另一段外部加工成圆柱螺纹，并与连接套12外螺纹匹配，将操作杆连接头23带有圆形通孔的一端插入上夹持块5前端两耳边5A中间位置，并使操作杆连接头23一端圆形通孔与上夹持块5前端两耳边5A中的圆形通孔同轴，通过操作杆连接螺栓7贯穿此三个同轴通孔，将操作杆连接头23与上夹持块5连接在一起，利用操作杆连接螺栓7左侧自锁螺母适当锁紧，使操作杆连接头23在上夹持块5前段两耳边5A中可轻松旋转；连接套12为一轻质材料圆管加工而成，内有贯通螺纹，通过连接套12一端内螺纹与操作杆连接头23左端外螺纹匹配相连；连接杆14采用轻质材料圆管加工而成，在连接杆14两端加工有外螺纹，连接杆14两端外螺纹端配有锁紧盖13，每根连接杆14长度在800-1500mm内，便于携带，将连接杆14的一端与连接套12一端内螺纹连接，并由锁紧盖13锁紧，实现连接杆14与操作杆连接头23和连接杆14之间的连接；操作手柄15为一非金属材料加工而成，其左端为一内螺纹孔，与连接杆14的外螺纹匹配连接，操作手柄15右端为圆柱实体，其外侧圆周滚花。

上夹持块5：为一轻质材料矩形方块，在其中心位置附近加工有一贯通孔，孔径与耦合腔外套19外径形成间隙配合，在矩形方块的前端切出两个耳边5A，两个耳边5A的间距与操作杆连接头23左端的矩形接头的宽度一致，并形成间隙配合，在两个耳边5A断面中心位置加工有同轴的两个贯通孔，孔径与操作杆连接螺栓7的外径一致，并形成间隙配合；在靠近矩形方块四个直角位置钻有4个贯通孔，且与下夹持块中的4个贯通螺纹孔6D同轴，参见图3；矩形块的棱边切平，减重和防划伤；通过上下夹持块连接螺栓11由4个贯通孔与下夹持块6中的4个螺纹孔6D实现连接；通过上夹持块5前段两耳边贯通孔和操作杆连接螺栓7与操作杆连接头23连接。

下夹持块6：为一轻质材料矩形方块，在其中间位置加工有一贯通孔6E，贯通孔径6E与上夹持块5中的贯通孔同轴，且耦合腔外套19外径形成间隙配合；在靠近矩形方块四个直角位置钻有4个贯通螺纹孔6D，参见图3，且与上夹持块中的4个贯通孔同轴；在矩形方块的左端断面中间位置钻有一螺纹盲孔，通过此螺纹孔左段与进水连接头8外螺纹连接和密封，形成耦合进水输入通道；在靠近贯通孔径6E远周边的外侧加工有一圆形槽6B，形成周向耦合供水回路；在圆形槽6B的侧壁均布有6-12个细通孔6C，形成扫查过程中的耦合供水；在圆形槽6B的底部对应安装进水连接头8的螺纹盲孔左端位置，钻有一与之相通的直孔6A，形成耦合供水输入通道。

操作杆连接螺栓7：采用防锈材料加工而成，一端帽形结构，另一端为螺杆结构，并配有自锁螺母，用于锁紧操作杆连接头23及锁紧程度的调节。

进水连接头8：采用标准的市售压簧式连接头，其带螺纹的一端与下夹持块左侧面的连接螺纹孔连接，其另一端与外部耦合水细管连接，由其自身压簧锁紧。

供水软管9：采用标准市售所料软管，一端与进水连接头8连接，另一端与外部耦合供水系统连接，形成耦合供水不给回路。

上下夹持块连接螺栓11：由防锈材料加工而成，连接上夹持块5和下夹持块6。

密封垫21：由软质薄橡胶片加工而成，位于上夹持块5和下夹持块6之间，起到密封下夹持块6中的圆形槽6B上端面作用。

被检测封闭内腔结构10：可以是复合材料整体结构，也可以是其他整体结构，在封闭内腔一端有开口，可以允许超声扫查换能器伸进到内腔部位实现扫查检测。

（2）封闭内腔立樯超声扫查实现方法

将声学单元1放置在扫查器2中的上夹持块6E中；通过声学单元连接座1A与外部超声检测仪器连接，超声仪器可选用北京航空制造工程研究所生产的FCC和MUT系列的仪器；将供水软管9与外部供水回路连接，耦合用水通过进水连接接头8，由进水孔下夹持块左侧的直孔6A传送到圆形槽6B，再由圆形槽6B的侧壁的细通孔6C沿耦合腔外套16与下夹持块5内孔壁之间的细缝流到被检测封闭立樯表面，并随着声学单元1的移动，在立樯表面形成声波耦合水膜；利用手工或机械自动方式通过移动扫查器2中的操作杆4移动超声换能器单元2，通过声学单元1向被检测整体结构封闭内腔立樯垂直发射/接收超声波，然后根据与声学单元1相连接的超声仪器或者设备上的检测信号显示或者图像，由检测人员根据显示的结果进行缺陷的判别；通过配备不同扫查器2中的操作杆4长度，可以实现不同深度或者长度的封闭内腔立樯的扫查；扫查过程中，声学单元1在自身重力作用下，会自动随着封闭内腔被检测立樯3A的表面形面变化，在上夹持块5和下夹持块6中的贯通孔6E中进行自适应调节，使声学单元1通过接触头22接触导向，通过声耦合软膜触头20A实现声波信号的垂直发射和接收；声学单元1在操作杆4的作用下作扫查移动过程中，在上夹持块5和下夹持块6及声学单元1共同重力牵引下，上夹持块5通过操作杆连接螺栓7可以转动，从而保证声学单元1中的接触头22维持与被检测立樯表面3A法向接触耦合姿态，参见图1所示，实现可靠性的超声扫查与检测。

实施例

采用本专利发明中的整体结构封闭内腔立樯超声扫查探头，选用北京航空制造工程研究所生产的FCC和MUT系列超声仪器中的FCC-B-1、FCCD-1和MUT-1三种型号的超声仪器分别与本专利发明中的超声扫查探头匹配使用，采用本专利发明中的封闭内腔立樯超声扫查实现方法，分别对长度在1500-3000mm之间的飞机复合材料整体结构系列封闭内腔立樯进行了系列实际超声扫查检测，扫查过程中，超声扫查探头始终与被检测复合材料整体结构内腔立樯表面保持很好的接触耦合，检测信号显示非常稳定，检测信号规律和缺陷判别特征非常清晰，工作稳定可靠，检测效果好，明显提高了整体结构封闭内腔立樯的可检性和可达性以及检测结果的稳定性。

Claims (3)

1.一种检测复合材料整体结构内腔的探头，其特征是，探头包括声学单元（1）和扫查器（2），声学单元（1）位于扫查器（2）中的上下夹持块（5）和（6）中间位置的同轴圆柱贯通孔内，并保持间隙配合；

声学单元（1）包括超声换能传感器（16），传感器外壳（17），液体耦合腔（18），耦合腔外套（19），耦合胶膜（20），接触头（22）和限位圈（10），超声换能传感器（16）置于传感器外壳（17）内，限位圈（10）紧套在传感器外壳（17）中部，传感器外壳（17）与液体耦合腔（18）的一端螺纹连接，液体耦合腔（18）的另一端与耦合腔外套（19）上端螺纹连接，耦合胶膜（20）套在液体耦合腔（18）外侧，液体耦合腔（18）的柱形空腔（18A）中充满液体，耦合腔外套（19）下端内螺纹与接触头（22）上端外螺纹连接；

扫查器（2）包括操作杆（4）、上夹持块（5）、下夹持块（6）、操作杆连接螺栓（7）、进水连接头（8），供水软管（9），上下夹持块连接螺栓（11）、密封垫（21）；

操作杆（4）由操作杆连接螺栓（7）、连接套（12）、锁紧盖（13）、连接杆（14）、操作手柄（15）和操作杆连接头（23）组成，操作杆连接头（23）为圆柱体，操作杆连接头（23）的一端为矩形，矩形的宽度与上夹持块（5）前端两耳边（5A）之间的距离一致，并形成间隙配合，操作杆连接头（23）的另一端外部加工成圆柱螺纹，并与连接套（12）外螺纹匹配，操作杆连接头（23）的矩形端插入上夹持块（5）前端两耳边（5A）中间位置，通过操作杆连接螺栓（7）将操作杆连接头（23）与上夹持块（5）连接在一起，连接套（12）的内螺纹与连接杆（14）的外螺纹连接，连接杆（14）的外螺纹与操作手柄（15）的内螺纹连接；上夹持块（5）为矩形方块，在其中心位置附近加工有一贯通孔，孔径与耦合腔外套（19）外径形成间隙配合，在上夹持块（5）的前端切出两个耳边（5A），在上夹持块（5）四个直角位置钻有4个贯通孔，该4个贯通孔与下夹持块（6）中的4个贯通螺纹孔（6D）同轴，上夹持块（5）与下夹持块（6）通过螺栓（11）连接；

下夹持块（6）为矩形方块，在其中间位置加工有一贯通孔（6E），贯通孔径（6E）与上夹持块（5）中的贯通孔同轴，且耦合腔外套（19）外径形成间隙配合；在下夹持块（6）的端面上钻有一螺纹盲孔，该螺纹孔与进水连接头（8）外螺纹连接和密封，形成耦合进水输入通道；在靠近贯通孔径（6E）远周边的外侧加工有一圆形槽（6B），形成周向耦合供水回路；在圆形槽（6B）的侧壁均布有6-12个细通孔（6C），形成扫查过程中的耦合供水；在圆形槽（6B）的底钻有一个与安装进水连接头（8）的螺纹盲孔相通的直孔（6A），形成耦合供水输入通道；进水连接头（8）与供水软管（9）相接。

2.根据权利要求1所述的一种检测复合材料整体结构内腔的探头，其特征是，所述的连接杆（14）两端加工有外螺纹，连接杆（14）两端外螺纹端配有锁紧盖（13），通过连接套（12）实现多根连接杆（14）的连接，相邻连接杆（14）由锁紧盖（13）锁紧，构成不同长度的操作杆（4），实现不同深度或者长度的封闭内腔立樯的扫查。

3.一种利用权利要求1所述检测复合材料整体结构内腔的探头进行超声扫查的方法，其特征是，将声学单元（1）放置在扫查器（2）中的上夹持块（6）上；声学单元（1）与外部超声检测仪器连接，将供水软管（9）与外部供水回路连接，耦合用水通过进水连接接头（8），由下夹持块（6）的直孔（6A）进水传送到圆形槽（6B），再沿耦合腔外套（19）与下夹持块（5）内孔壁之间的细缝流到被检测封闭立樯表面，并随着声学单元（1）的移动，在立樯表面形成声波耦合水膜；利用手工或机械自动方式通过移动操作杆（4），移动声学单元（1），通过声学单元（1）向被检测整体结构封闭内腔立樯垂直发射/接收超声波，检测整体结构封闭内腔。

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