CN104359975A - 用于检测外方内圆铠甲缺陷的超声波特征成像检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于检测外方内圆铠甲缺陷的超声波特征成像检测装置，包括水平基座、外方内圆铠甲输送系统、压紧定位机构和检测系统；通过安装在外方内圆铠甲输送系统、压紧定位机构与检测系统的合理步骤，实现输送、定位与检测同步，其检测速度快，可靠性，自动化程度高，可以有效的检测出外方内圆铠甲内表面、外表面以及内部大于φ0.5mm平底孔的缺陷。

Description

用于检测外方内圆铠甲缺陷的超声波特征成像检测装置

技术领域

本发明涉及一种成像检测装置，尤其涉及一种用于检测外方内圆铠甲缺陷的超声波特征成像检测装置。

背景技术

超导线的保护外套（简称铠甲）由外方内圆的不锈钢管制造，因其内部通有液氮，并在盘绕成线圈时受弯曲变形，对其质量要求十分严格。然而对外方内圆铠甲的检测存在以下难点：

（1）高衰减：超声波在奥氏体不锈钢中传播时，其衰减主要由两部分组成，即吸收和散射，纯吸收主要与探头的频率有关。一般可通过增强发射电压和增益及选择合适的探头来减少吸收衰减带来的影响。一般比较难以解决的是散射带来的影响，这是由于散射在反射波中不仅减小了缺陷和底面反射波的高度，而且产生了很多传播时间不同的反射波，即所谓的林状回波，而真正的反射波隐匿在其中。

奥氏体不锈钢作为声学各向异性的材料，其粗大晶粒组织及枝状晶体结构对超声波的传播影响很大，高衰减伴随着强烈的晶界散射使得超声波检验这种材料时信噪比很低，给检验带来很大的困难。

（2）定位困难：由于声速在各方向上的差异，定位也显得十分困难

（3）异形结构，由于是外方内圆的结构，属于变截面结构，底波反射波位置不同，导致定位困难。

因此，为了克服以上难点，保证外方内圆铠甲的质量十分重要。但现在检测方法主要采用的是人工A扫描的方式，工作量大，效率低下，可靠性差。故而需要研究并开发一套自动化的外方内圆铠甲的超声波检测系统。

采取特征扫描的方法，利用计算机全波列采集检测信号，提取和存储许多特征，经过信号处理后，按多种特征进行成像显示，这里所说的特征是指超声波信号的特征，包括超声波的上升时间、下降时间、脉冲周期和频谱特征等。

特征扫描成像是由传统的C扫描成像发展起来的。在做复合材料的C扫描检测时，由于来自叠层和纤维的多个回波及信号衰减的影响，设定阈值比较困难，因而开发了特征扫描成像技术。由于C扫描只注意超声波形的一个主要特征—幅度，所以可认为C扫描是特征扫描的子集。

特征扫描集成了C、B扫描的优点和功能，但特征扫描的检测能力远远超过C、B扫描。除了检测局部缺陷外，还能够对检测信号进行频谱分析、数字滤波；通过各种特征量的提取和重构，能够实现缺陷的自动识别，从而提高了定量的精度。

特征扫描技术的关键是缺陷特征的研究和确定，需要专用换能器提取复合材料内部的检测信息，利用数字化技术全波列采集检测信号，并存储在计算机里边，通过计算机完成对信号的各种处理，并以图像方式显示各种特征参量。

本发明装置采用特征扫描的方式进行成像检测，提高了效率，克服了检测难点并增强了可靠性。

发明内容

本发明的目的在于：为提高检测效率，克服检测难点，提供一种检测速度快、可靠性强、可以有效的检测出外方内圆铠甲内表面、外表面和内部裂纹及缺陷的超声波特征成像检测装置。

本发明包括外方内圆铠甲输送系统、压紧定位机构和检测系统，其中外方内圆铠甲输送系统及压紧定位机构设置在辅助机架A、B、C、D、E、F之上，且保证机架在同一水平基座上，检测系统设置在中间，各部分均通过控制装置控制，协调配合，即可完成外方内圆铠甲特征成像检测操作。现将其功能、结构组成和工作情况分述如下：

1、外方内圆铠甲输送系统。主要起输送作用，将铠甲沿作业线自由传送。它包括在检测系统两侧对称布置的四套传动机构。传动机构由四组主传动电机、减速器、连杆和输送辊构成。主传动电机驱动减速器旋转，带动减速器输出端的连杆旋转，通过连杆再将动力传输给中间输送辊 ，两侧的四组主传动电机同时工作带动四组输送辊同样地同时同方向旋转。因此，置于输送辊上的外方内圆铠甲即随电机的正反转而左右自由输送。

2、压紧定位机构。用来将待检测铠甲移动稳定，同时控制移动时工件的抖动。在四组机架上分别布置四个压轮，并将压轮固定在水平板上，通过垂直移动电机驱动丝杠旋转，通过垂直连杆带动水平板上下移动，从而使固定在水平板上的压轮自由的上下移动。四组水平板应在同一高度，以保证待检测铠甲水平、稳定的移动。

3、外方内圆铠甲检测系统。主要起获取检测信号的作用，将获取的信号输入计算机，通过超声波特征扫描成像系统实现成像。它包括二组相控阵探头、固定探头的圆形安装环、水箱、入水管、探头支撑板构成。在两个圆形安装环上设有定位孔，将二组相控阵探头安装于圆形安装环上，以保证相控阵探头与工件通过孔有相同的同心度，待检测铠甲输送穿过圆形安装环上的相控阵探头，相控阵探头与待检测铠甲表面通过介质水进行耦合，通过入水管使上下水循环以保证检测用水箱中水位浸没探头，检测用相控阵探头发出超声波信号发射至工件 ，超声波在工件传播时遇到不同介质（如裂纹）会发生反射，相控阵探头同时接收来自轴承中超声波反射信号，并转变成电信号后进入模拟放大电路，由模拟放大电路限压，放大或衰减后输出，信号经由接收通路进入高速数据采集电路，经检波、放大后将模拟量转换成数字量，通过计算机强大的数据处理功能，利用频谱分析、小波分析等信号处理技术，实现信噪分离，提高信噪比，最后利用获取和处理后的数字信号，依据扫描方式和成像原理，开发具有彩色P显示功能的成像程序，在计算机上重构超声图像，送显示缓冲区后由显示器来实现波形和缺陷图像的显示。检测结束后自动给出检测报告，退出检测状态。

检测过程中如发现超标的缺陷，系统将通过声光报警提示操作者，操作者可以选择自动检测过程继续进行，或者通过手动方式强制停机，进行手动方式的复检，或直接判废处理。

本发明装置检测速度快，可靠性，自动化程度高，可以有效的检测出外方内圆铠甲内表面、外表面以及内部大于φ0.5mm平底孔的缺陷。由于使用成像检测的方法，定量的精度和缺陷检出率大大提高。

附图说明

     图1为本发明总体结构示意图；

图2和3是机架A、F结构示意图（二者结构相同），图2是主视图；图3是侧视图；

图4和5是机架B、C、D、E结构示意图（四者结构相同），图4是主视图；图5是侧视图；

     图6和7是本发明所述检测系统示意图，图6是主视图，图7是侧视图；

     图8是检测系统中相控阵探头布置示意图；

图9是相控阵探头示意图；

图10是外方内圆铠甲示意图；

图11是外方内圆铠甲剖视图；

 下面就参考标号进行说明：

1.外方内圆铠甲；21. 机架A；22.机架B；23.机架C；24.机架D；25.机架E；26.机架F；3.水平基座；4. 压紧定位机构；5.检测系统；201.支撑柱Ⅰ；202.支撑板Ⅰ；203.输送辊Ⅰ；401.支撑柱Ⅱ；402.支撑板Ⅱ；403.输送辊Ⅱ；404.主传动电机；405.减速器；406.连杆；407.压轮；408.水平板；409. 丝杠；410. 垂直连杆；411.垂直移动电机；601.水箱；602.工作台；603. 支承辊；604.检测用水箱；605.入水管；18.圆形安装环；19.相控阵探头；20.探头支撑板。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明所述超声波特征成像检测装置包括水平基座3、外方内圆铠甲输送系统、压紧定位机构4和检测系统5；在水平基座上的安装机架A21、机架B22、机架C23、机架D24、机架E25、机架F26，保证六组机架在同一水平线上，机架B22和机架C23为同相安装，机架D24、机架E25的安装方向与机架B22、机架C23的安装方向相反，在机架B22、机架C23、机架D24、机架E25上分别布置一组纵向传动机构和压紧定位机构4，纵向传动机构和六组机架构成外方内圆铠甲输送系统，在机架C23和机架D24之间的水平基座3上安装检测系统5。

如图2和3所示，所述机架A21和机架F26的结构是：包括安装在水平基座3上的两根支撑柱Ⅰ201，两根支撑柱Ⅰ201顶端架设支撑板Ⅰ202，在支撑板Ⅰ202上安装输送辊Ⅰ203。

如图4和5所示，所述机架B22、机架C23、机架D24、机架E25的结构是：包括安装在水平基座3上的两根支撑柱Ⅱ401，在两根支撑柱Ⅱ401的中部架设支撑板Ⅱ402，支撑板Ⅱ402上安装输送辊Ⅱ403和主传动电机404，主传动电机404经由减速器405和连杆406连接输送辊Ⅱ403；在支撑柱Ⅱ401的顶部架设垂直移动电机411和两根垂直连杆410，垂直连杆410下端连接水平板408，水平板408下表面的中间位置安装压轮407，垂直移动电机411的丝杆连接两根垂直连杆410。

机架A21、机架F26上的输送辊Ⅰ203与机架B22、机架C23、机架D24、机架E25上的输送辊Ⅱ403、主传动电机404、减速器405和连杆406一起构成了一组纵向传动机构。主传动电机404驱动减速器405旋转，带动减速器输出端的连杆406旋转，通过连杆406再将动力传输给输送辊Ⅱ403，四组主传动电机404同时工作带动四组输送辊Ⅱ403同样地同时同方向旋转，置于输送辊Ⅱ403上的外方内圆铠甲即随主传动电机404的正反转而左右自由输送。

如图4所示，所述压紧定位机构4由安装机架B22、机架C23、机架D24、机架E25上的四组压轮407、水平板408、丝杠409、垂直连杆410、垂直移动电机411构成。通过垂直移动电机411驱动丝杠409旋转，然后通过垂直连杆410带动水平板408上下移动，从而使固定在水平板408上的压轮407自由的上下移动。四组水平板408应在同一高度，以保证待检测外方内圆铠甲1水平、稳定的移动。

如图6、7、8、9所示，所述检测系统5由二组相控阵探头19、圆形安装环18、探头支撑板20、水箱601、工作台602、支承辊603、检测用水箱604、入水管605和用于处理相控阵探头19所获取的信号的超声特征扫描成像系统构成，在水平基座3上安装水箱601，水箱601上架设工作台602，在工作台602上安装用于支撑外方内圆铠甲1的支承辊603和检测用水箱604，检测用水箱604通过入水管605与水箱601循环，检测用水箱604安装探头支撑板20，探头支撑板20的中心位置设置圆形安装环18，圆形安装环18上设有定位孔，通过固定元件将二组相控阵探头19安装于圆形安装环18上，定位孔的高度与支承辊603的高度一致，以保证相控阵探头19与外方内圆铠甲1通过孔有相同的同心度，待检测外方内圆铠甲1输送穿过圆形安装环18上的相控阵探头19，相控阵探头19与待检测外方内圆铠甲1表面通过介质水进行耦合，通过入水管605使上下水循环以保证检测用水箱604水位浸没相控阵探头19，检测用相控阵探头19发出超声波信号发射至工件，超声波在工件被传播时遇到不同介质（如裂纹）会反射，相控阵探头19同时接收来自轴承中超声波反射信号转变成电信号后进入模拟放大电路，由模拟放大电路限压，放大或衰减后输出，信号经由接收通路进入高速数据采集电路，经检波、放大后将模拟量转换成数字量，通过计算机强大的数据处理功能，利用频谱分析、小波分析等信号处理技术，实现信噪分离，提高信噪比，最后利用获取和处理后的数字信号，依据扫描方式和成像原理，开发具有彩色P显示功能的成像程序，在计算机上重构超声图像，送显示缓冲区由显示器来实现波形和缺陷图像的显示。

本发明的工作原理是：将外方内圆铠甲1放在检测系统5一侧的机架上，启动垂直移动电机410驱动丝杠409带动压轮407向下固定外方内圆铠甲1，通过纵向传动机构，将外方内圆铠甲1输送进入检测用水箱604，同时要保证检测用水箱604内水位要浸没相控阵探头19和外方内圆铠甲1，相控阵探头19发出超声波信号发射至工件，超声波在工件被传播时遇到不同介质（如裂纹）会反射，相控阵探头19同时接收来自轴承中超声波反射信号，输入计算机，随着外方内圆铠甲1的传动，相控阵探头19同时接收信号，通过超声特征扫描成像系统实现自动化成像检测。

Claims (5)

1.一种用于检测外方内圆铠甲缺陷的超声波特征成像检测装置，包括水平基座、外方内圆铠甲输送系统、压紧定位机构和检测系统；在水平基座上中间位置安装检测系统，检测系统两侧安装若干组机架，机架上布置一组纵向传动机构和压紧定位机构，纵向传动机构和机架构成外方内圆铠甲输送系统，其特征在于，所述检测系统由二组相控阵探头、圆形安装环、探头支撑板、水箱、工作台、支承辊、检测用水箱、入水管和用于处理相控阵探头所获取的信号的超声特征扫描成像系统构成，在水平基座上安装水箱，水箱上架设工作台，在工作台上安装用于支撑外方内圆铠甲的支承辊和检测用水箱，检测用水箱通过入水管与水箱循环，检测用水箱安装探头支撑板，探头支撑板的中心位置设置圆形安装环，圆形安装环上设有定位孔，通过固定元件将二组相控阵探头安装于圆形安装环上。

2.根据权利要求1所述的超声波特征成像检测装置，其特征在于，所述机架包括机架A、机架B、机架C、机架D、机架E、机架F，保证六组机架在同一水平线上，机架B和机架C为同相安装，机架D、机架E的安装方向与机架B、机架C的安装方向相反，在机架B、机架C、机架D、机架E上分别布置一组纵向传动机构和压紧定位机构。

3.根据权利要求2所述的超声波特征成像检测装置，其特征在于，所述机架B、机架C、机架D、机架E的结构是：包括安装在水平基座上的两根支撑柱Ⅱ，在两根支撑柱Ⅱ的中部架设支撑板Ⅱ，支撑板Ⅱ上安装输送辊Ⅱ和主传动电机，主传动电机经由减速器和连杆连接输送辊Ⅱ；在支撑柱Ⅱ的顶部架设垂直移动电机和两根垂直连杆，垂直连杆下端连接水平板，水平板下表面的中间位置安装压轮，垂直移动电机的丝杆连接两根垂直连杆。

4.根据权利要求3所述的超声波特征成像检测装置，其特征在于，所述机架A和机架F的结构是：包括安装在水平基座上的两根支撑柱Ⅰ，两根支撑柱Ⅰ顶端架设支撑板Ⅰ，在支撑板Ⅰ上安装输送辊Ⅰ。

5.根据权利要求3所述的超声波特征成像检测装置，其特征在于，所述压紧定位机构由安装机架B、机架C、机架D、机架E上的四组压轮、水平板、丝杠、垂直连杆、垂直移动电机构成。