CN103743817A

CN103743817A - 一种低频超声换能器阵列耦合检测装置

Info

Publication number: CN103743817A
Application number: CN201410012029.1A
Authority: CN
Inventors: 宋雷; 杨维好; 孙锡乐; 丁亚雷
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2014-01-10
Filing date: 2014-01-10
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2034-01-10
Also published as: CN103743817B

Abstract

本发明公开了一种低频超声换能器阵列耦合检测装置，主要由测力传感器、单片机、显示装置组成，每个超声换能器晶片上都放置有测力传感器，测力传感器通过单片机连接对应的显示装置；当换能器晶片阵列布置在待测试样上时，每个晶片上的测力传感器能够感应到该晶片与待测试样间的接触压力，再将该接触压力分别显示在各个晶片对应的显示装置上，并通过各个显示装置判断出对应换能器晶片的接触状态。本装置能够快速直观的反映超声阵列中各换能器晶片与被测试样间的耦合状态，适用于多通道、接触式的超声检测，尤其适用于岩土工程中的20-100KHz频段的多通道大型超声阵列检测。

Description

一种低频超声换能器阵列耦合检测装置

技术领域

本发明涉及一种低频超声换能器阵列耦合检测装置，适用于多通道、接触式的超声检测，尤其适用于岩土工程中的20-100 KHz频段的多通道大型超声阵列检测。

背景技术

超声检测是工业上无损检测的方法之一，超声波进入物体遇到缺陷时，一部分声波会产生反射，接收器可对反射波进行分析，就能异常精确地测出缺陷来，并且能显示内部缺陷的位置和大小，测定材料厚度等。接触式超声检测是常用的超声检测方式，它需要在换能器和待测试样之间有某种形式的耦合，待测试样的振动通过耦合材料传递到换能器，换能器感应到振动信号并将其转化为电信号，经模数转换后即可获得经被测试样传播的应力波信号。通常采用耦合剂或采用水浸法来实现换能器和待测试样间的耦合，并且换能器和待测试样间的耦合一致，是进行高精度超声检测的必要条件。

随着超声检测技术的发展，目前出现了大量的多通道的超声检测设备，如TOFD超声探伤仪、相控阵超声检测仪等，这些仪器普遍采用一发多收、乃至多发多收的超声换能器进行信号采集，特别适合航空、航天、岩土、兵器和核工业等行业中普遍大量存在的异型复杂构件的无损检测。其中，超声相控阵列换能器的设计基于惠更斯原理，换能器由多个相互独立的压电晶片组成阵列，每个晶片称为一个单元，按一定的规则和时序用电子系统控制激发各个单元，使阵列中各单元发射的超声波叠加形成一个新的波阵面；同样，在反射波的接收过程中，按一定规则和时序控制接收单元的接收并进行信号合成，再将合成结果以适当形式显示。这样一来，就要求各超声换能器晶片均能和待测试样间的耦合一致，若其中一个超声换能器晶片的耦合情况不佳，会对检测结果的精度造成一定影响。

针对如何确保换能器和待测试样间的耦合一致的问题，在医学和工业无损检测中，因采用的超声波频率通常高于500 KHz，其压电晶元小、探头尺寸小、易于手持，可通过探头位置调整保证耦合的一致性，如人体B超和焊缝的超声相控阵检测等。但是，在岩土工程领域中，要求的探测深度大，采用的超声波频率低，采用的低频相控阵探头的孔径大，阵列内的各换能器晶片与被测试样表面间的耦合状况存在显著差异，仅靠人工操作无法得知哪几个晶片与被测试样耦合不一致，进而采取相应的调整措施。

综上，可靠的多通道超声测试要求分布式探头与被测试样间的耦合保持一致，这是开展高精度的低频超声相控阵检测的前提条件。在岩土工程检测中，若试图运用多通道超声检测技术来提高岩土工程超声检测的效率，就需要开发出检测低频相控阵探头阵列内各换能器晶片和待测试样间耦合状况的设备。

发明内容

针对岩土工程领域多通道超声检测需要实现换能器与待测试样间的耦合一致的问题，本发明提供一种低频超声换能器阵列耦合检测装置，通过显示各超声换能器晶片与待测试样间的接触压力实时反映二者的耦合状况，以提高岩土工程超声检测的效率和精度。

利用多通道超声检测技术进行岩土工程超声检测时，在接触面的平整度、耦合材料、换能器性能等条件相同或相近时，各换能器晶片与被测试样间的耦合状况取决于二者间的接触压力。依据上述原理，本发明低频超声换能器阵列耦合检测装置，包括测力传感器、单片机以及显示装置，通过对接触压力的监测，能够快速得知相控阵超声探头的各换能器晶片的耦合状况。

其中：各测力传感器分别布置在相控阵探头各超声换能器晶片的后端，用于感应对应的超声换能器晶片与被测试样间的接触压力。

各测力传感器均内设测量电路。一般来说，传感器由敏感元件和转化元件组成，但转化元件输出的电量常常难以直接进行显示、记录、处理和控制，这时就需要将其进一步变化成可直接利用的电信号，而传感器中完成这一功能的部分称为测量电路，也是传感器组成的一部分，用于将测力传感器感应到的接触压力的电信号转化为数字信号。

各测力传感器均电连接单片机，用于将转化的接触压力的数字信号输入单片机。即每一个超声换能器晶片与被测试样间的接触压力的数字信号，自分别对应的测力传感器的测量电路输入单片机。

单片机分别电连接各显示装置，且各显示装置与各测力传感器一一对应连接，用于显示对应的超声换能器晶片与被测试样间接触压力的大小。

综上所述，超声换能器晶片、测力传感器和显示装置三者之间一一对应，为方便查看，可在三者上标记对应的编号，而各测力传感器本身就位于对应的超声换能器晶片的后端，故各测力传感器采用了与超声换能器晶片相同且位置一一对应阵列布置形式。优选的，根据相控阵探头各超声换能器阵列布置方式，显示装置也可采用与超声换能器晶片相同的阵列布置形式，且各显示装置与其连接的超声换能器晶片在阵列中的位置相同，从而更加直观的判断相控阵探头各超声换能器晶片与被测试样间的耦合状况。

相控阵探头有三种主要阵列类型：一是探头由一组沿着一个轴并排的晶片组成的线形（线阵列），二是探头是由一组沿着两个轴排列的晶片组成面形（二维矩形阵列），三是环形、圆形以及扇形等圆形阵列。其中，线形或矩形阵列编程容易，费用明显低于其他类型阵列，故优选的，超声换能器晶片的阵列布置形式为一维线阵列或二维矩形阵列。

进一步，显示装置采用指示灯、压力表中的至少一种，单片机内可以预设根据接触压力判断耦合状况的程序，通过灯光的强弱或色彩，或者/和压力表读数的大小来表征接触压力的大小，以快速判定低频相控阵探头与被测试样间的耦合状况。

综上，运用多通道超声检测技术时，当换能器阵列布置在待测试样上时，每个换能器晶片上的受力传感器都能够感应到各自对应的晶片与被测试样间的接触压力，该接触压力显示在各个换能器晶片对应的显示装置上，通过各个显示装置指示可判断出对应换能器晶片与被测试样间的接触状态。实现了快速准确直观的反映与各显示装置位置对应的超声换能器与被测试样间的耦合状况，为快速实现低频超声换能器阵列与被测试样间的耦合一致提供保证，满足了开展高精度的低频超声相控阵检测的前提，适用于多通道、接触式的超声检测，尤其适用于岩土工程中的20-100 KHz频段的多通道大型超声相控阵检测。

附图说明

图1为本发明测力传感器布置示意图；

图2为实施例中本发明的电原理框图；

图3a为实施例中一维相控阵超声换能器晶片的阵列布置；

图3b为与图3a对应的一维阵列耦合状态指示灯布置；

图4a为实施例中二维相控阵超声换能器晶片的阵列布置；

图4b为与图4a对应的二维阵列耦合状态指示灯布置；

图5为实施例中单片机的控制流程图。

图中：A、被测试样，H、超声换能器晶片，C、测力传感器，D、显示装置，P、接触压力。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，本发明包括测力传感器C、单片机以及显示装置D；各测力传感器C分别布置在相控阵探头中各超声换能器晶片H后端，用于感应对应的超声换能器晶片H与被测试样A间的接触压力P；各测力传感器C均内设测量电路，用于将感应的接触压力P的电信号转化为数字信号；各测力传感器C均电连接单片机，用于将转化的接触压力P的数字信号输入单片机；单片机分别电连接各显示装置D，且各显示装置D与各测力传感器C一一对应连接，用于显示对应的超声换能器晶片H与被测试样A间接触压力P的大小。

本发明中超声换能器晶片H、测力传感器C和显示装置D三者之间一一对应，通过测力传感器C测试相控阵探头的各超声换能器晶片H与被测试样A间的接触压力P，并通过单片机判断二者间接触压力P的大小；再通过与超声换能器晶片H阵列一一对应的显示装置D快速直观的反映探头中的各超声换能器晶片H的耦合状态。在岩土工程中应用多通道超声检测技术时，可先利用本发明进行超声换能器阵列耦合检测，再进行后续操作。

在实施耦合检测时，首先，根据被测试样A的材质和检测目标，选择相控阵探头中超声换能器晶片H的数量以及布置方式。根据需要，若超声换能器晶片H的阵列布置形式选为一维线阵列，则见图3a，H₁-H_n表示超声探头中的各换能器晶片，且下标n表示换能器晶片排列的个数。若超声换能器晶片H的阵列布置形式选为二维矩形阵列，则见图4a，H₁₁-H_mn均表示超声探头中的各换能器，且下标m表示换能器晶片行数，n表示换能器晶片的列数。

然后，在各超声换能器晶片H后端分别布置一测力传感器C，各测力传感器C与各超声换能器晶片H之间在连接上一一对应，测力传感器C能够感应被测试样A与对应的超声换能器晶片H间的接触压力P，见图1。各测力传感器C均电连接单片机，单片机再分别电连接各显示装置D，见图2。如此一来，各显示装置D通过测力传感器C与各超声换能器晶片H在连接上也一一对应，每个显示装置D能够反映与之对应的超声换能器晶片H与被测试样A间的接触压力P。

其次，为方便区别和查看，超声换能器晶片H上有各自的编号，在各显示装置D上标记与对应晶片相应的标号。实际操作时，也可以根据相控阵探头中超声换能器晶片H布置方式，按相同且一一对应关系，将耦合显示装置D按照晶片的编号阵列布置在待测试样上。见图3b中，D₁-D_n表示与图3a中的超声换能器阵列对应布置的显示装置D；见图4b中，D₁₁-D_mn表示与图4a中的超声换能器阵列对应布置的显示装置D。由此可知，显示装置D阵列与超声换能器晶片H阵列相同，且有连接关系的一组显示装置D和晶片在阵列中的位置也相同，便于简单直观的判断各晶片的耦合状况。

检测装置的连接和布置按上述准备完毕后，在超声换能器晶片H阵列布置形式选为如图3a所示的一维线阵列的情况下，如图2和图5所示，测力传感器Ci（i=1~n）将感应到的接触压力P_i转换为电信号分别输入各自内设的测量电路，通过该测量电路进行模数转换，将接触压力P_i的电信号转化为数字信号，再分别输入单片机。测力传感器Ci感应到的接触压力P_i有所差异，但可测得一个P_min~P_max的合理范围，并记入单片机。单片机与检测仪器可共用一台计算机，但单片机与检测仪器相互独立，只负责判断耦合状态。

如图5所示，显示装置D可以采用压力表或/和状态指示灯，布置成如图3b所示的一维阵列，将每个超声换能器晶片Hi（i=1~n）的耦合状态同时显示出来。若使用压力表，可直观读出与压力表i对应的超声换能器晶片Hi与被测试样A间的接触压力P_i。若使用状态指示灯，在单片机内预设的程序中，设定接触压力P的值在P_min~P_max为合理，当接触压力P不足、合理、过大时，状态指示灯分别显示为“蓝色”、“绿色”和“红色”，通过状态指示灯阵列即可快速直观的显示各换能器晶片与被测试样A间的耦合状况。如有某一个或多个状态指示灯显示为“红色”或“蓝色”，则表明阵列内该超声换能器晶片Hi与被测试样A间耦合不一致，需进行探头调整；当各晶片对应的状态指示灯均为“绿色”，则表明阵列内各超声换能器晶片Hi与被测试样A间耦合良好，即可人为操作检测仪器进行检测工作。

至此，实现了通过各显示装置D快速准确直观的反映与之位置对应的超声换能器晶片H与被测试样A间的耦合状况，并依据耦合情况实时调整探头，完成开展高精度的低频超声相控阵检测的基础工作。

Claims

1. 一种低频超声换能器阵列耦合检测装置，其特征在于，包括测力传感器（C）、单片机以及显示装置（D）；各测力传感器（C）分别布置在相控阵探头中各超声换能器晶片（H）后端，各测力传感器（C）均内设测量电路，各测力传感器（C）均电连接单片机，单片机分别电连接各显示装置（D），且各显示装置（D）与各测力传感器（C）一一对应连接。

2. 根据权利要求1所述的一种低频超声换能器阵列耦合检测装置，其特征在于，所述的显示装置（D）采用与超声换能器晶片（H）相同的阵列布置形式，且每个显示装置（D）与其对应的超声换能器晶片（H）在阵列中的位置相同。

3. 根据权利要求2所述的一种低频超声换能器阵列耦合检测装置，其特征在于，所述的超声换能器晶片（H）的阵列布置形式为一维线阵列或二维矩形阵列。

4. 根据权利要求1至3任一项权利要求所述的一种低频超声换能器阵列耦合检测装置，其特征在于，所述的显示装置（D）采用指示灯、压力表中的至少一种。