CN1043787A - 探伤仪的超声波变换器 - Google Patents

Abstract

探伤仪的超声波变换器包括棱镜(1)，棱镜中有腔(2)，腔中配置至少一个压电元件(3)和压电元件的旋转件(4)；还包括与旋转件(4)相并联并固定在棱镜(1)上的超声波束扫描传动装置；还包括与旋转件(4)相关连并固定在棱镜(1)上的超声波扫描波束入射角传感器。

Description

本发明涉及一种检测装置，确切地讲，涉及探伤仪的超声波变换器。

本发明能用于无损检测材料和制品的质量，其中包括焊缝、不同用途的金属结构、原子反应堆壳体和部件、用于造船、建筑业（例如检测干线管道），以及各种机器制造部门和建筑部门的类似设施。

已知一种超声波束入射角可变的超声波变换器，它包括锥腔棱镜，锥腔中装有带压电元件的旋转件。在所述变换器中，超声波束入射角的改变，是通过使带压电元件的旋转件相对于棱镜旋转而实现的（SU，A，728076）。

所述变换器的缺点是不能自动改变入射角及确定其瞬时值，只能测出缺陷的存在，不能确保测出其座标和假定高度。这就降低了检测效率和可靠性。

已知一些超声波变换器，它们是利用对涡电流位置敏感的半圆形片来电控变换器各个角位置。这种变换器还包括辐射体、消球差声透镜和辐射体的伺服传动装置（Pal    Greguss，“Ultrasonicimaging”，1980，London，Ch.4.3.2）

这种变换器由于有伺服传动装置而产生惰性，从而限制超声波的扫描速度。

与所申请的发明在技术实质上最近似的是超声波自动扫描变换器，该变换器包括一个带腔超声波棱镜，棱镜腔中装有一个在其上面至少固定着一个压电元件的旋转件。

该变换器包括两块电磁铁形式的传动装置。旋转件包括一个铁磁材质的片，在该片上固定着压电元件，并且该片就是电磁铁的簧片（SU，A，451943）。传动装置与旋转件相互关连，并固定在棱镜上。

该变换器的缺点是检测效率不够高，因为涡流现象和液体（一般是油）的粘性而使带压电元件的转动件摆动速度受限。该变换器的另一个缺点是灵敏度低和存在很大的盲区，这是由于在浸没液中，在液体和壳体界面上产生二次反射所致。此外，因不可能获得波束入射角的瞬时值信息，从而不能利用变换器构成制品检测区的二维图象。

根据本发明，提出制造一种探伤仪超声波变换器的课题，该变换器可以迅速形成待检测制品的二维扫描图象，以获得压电元件相对于待检测制品表面的位置的补充信息。

解决本课题的方法如下：超声波束自动扫描探伤仪的超声波变换器包括带腔棱镜，棱镜腔中配置至少一个固定在旋转件上的压电元件：还包括超声波束扫描传动装置，该装置同压电元件的旋转件相互关连，并固定在棱镜上。根据本发明，变换器包括一个与压电元件的旋转件连接，并固定在棱镜上的超声波扫描波束入射角传感器。

本目的和其它目的是这样达到的：根据本发明，超声波束自动扫描探伤仪的超声波变换器包括带腔棱镜棱镜腔中配置至少一个压电元件和压电元件的旋转件，旋转件上固定至少一个压电元件;与压电元件旋转件互相关联、并固定在棱镜上的超声波束扫描传动装置;还包括与压电元件旋转件相互关连、并固定在棱镜上的超声波扫描波束入射角传感器。

适合于本目的的方法是，超声波扫描波束入射角传感器包括一个固定在压电元件的旋转件上的活动件和一个具有两个感应偶合绕组的固定件，这两个绕组安置在棱镜上，以及与这两个绕组互相关联的发生信号的活动件（该信号与超声波波束入射角成比例）。

超声波扫描波束入射角传感器可以包括压电元件旋转件的旋转角限制器，该限制器有安置在棱镜上的两个弹力反射器，以及在棱镜上分别位于活动件两侧的两个轴，每个轴都和相应的弹力反射器相接;还包括工作状态转换开关，在第一种状态下，利用弹力反射器使活动件保持中间位置;而在第二种状态下，保证活动件在分开的弹力反射器之间往返移动。

看来，以一根弹簧件作为弹力反射器最适宜，它的自由端控制活动件，将其保持在中间位置。

适合于本目的的方法还有：旋转角限制器包括两个挡销挡销分别位于活动件的两侧，安装在棱镜上，当活动件处于中间位置时，两个挡销便与相应的弹力反射器相互作用。

超声波束扫描传动装置包括一个交流电磁铁最为适宜，以便使工作状态转控开关的触点与交流电磁铁的绕组电气相连接，而且，当触点断开时，活动件停在中间位置;而当触点闭合时，弹力反射器就放开活动件，使之往返移动。

超声波扫描波束入射角传感器可以配置一根弹簧，该弹簧固定在棱镜上，对活动件施加弹力。弹簧刚度这样选择最佳：在这样的刚度情况下，超声波扫描波束入射角传感器的机械谐振频率等于或小于活动件的移动频率。

此外，适合于本目的的方法还有：超声波束扫描传动装置包括一个铁磁元件，固定在压电元件旋转件上，可以用永久磁铁作为铁磁元件，它的一个极朝着交流电磁铁的极间间隙偏转。

适合于本目的的方法还有：压电原件旋转件包括旋转体，至少有一个压电元件和铁磁元件安装在该旋转体上。该旋转体安装在充满传声液体的棱镜腔内，且其周围留有空隙，旋转体与超声波扫描波束入射角传感器的活动件相连。旋转体和棱镜之间的空隙大小应当为棱镜腔内传声液体中的超声波半波长的倍数。

探伤仪超声波变换器的上述实施例可以提高制品检测的可靠性，并提高操作者的工作效率。

下面通过本发明的实施例，並参阅附图进一步说明本发明，附图如下：

图1.符合本发明的探伤仪的超声波变换器全视图;

图2.图1所示的变换器沿Ⅱ-Ⅱ线剖面图;

图3.符合本发明的旋转角限制器和在中间位置的活动件的全视图;

图4.处于另一种状态的所述旋转角限制器;

图5.符合本发明的超声波束扫描传动装置的电路图。

超声波束自动扫描探伤仪的超声波变换器包括棱镜1（图1、图2），该棱镜具有非对称的腔2（例如，圆柱形）。腔2内配置着压电元件3（图2），该元件固定在压电元件的旋转件4上。腔2内的压电元件3的数量可以增加，且取决于超声波照射方式和待检测件的厚度。

为简化起见，图中绘出一个压电元件3，该元件固定在诸如用加了填料的环氧树脂制的阻尼件5上。

旋转件4（图1）有一个尾杆6，该尾杆穿过密封压盖7从棱镜1伸出。腔2（图2）内充满传声液体，例如工业用油或甘油。

固定在棱镜1上的超声波束扫描用的无触点传动装置与旋转件4关连。传动装置包括交流电磁铁8，有两个绕组9和10都绕在铁心11上。

根据本发明，变换器还包括超声波扫描波束入射角传感器，该传感器有一个固定在尾杆6上的片状活动件12（图1、图3），以及两个电感偶合绕组13、14构成的固定件，它们安置在支架15上，且分别位于两个互相平行的平面内。绕组13、14的线匝呈三角形。支架15用螺钉16固定在棱镜上。活动件12位于平面彼此平行的绕组13、14之间，并同两个绕组13、14互相作用，因而形成与超声波束相对于制品（图上未示出）的入射角成比例的信号。超声波变换器就放置在该制品上，进行探伤研究和检测。

入射角传感器还包括一个旋转件4的行程限制器，该限制器有两个位于棱镜1上的弹力反射器17，18，这两个弹力反射器与活动件12相互作用。棱镜上还设置两个轴19、20，分别用于反射器17、18。轴19、20分别设置在活动件12的两侧。此外，限制器还包括与反射器17、18相互作用的转换开关21，该转换开关有两个状态，保证反射器17、18相对于活动件12有两种不同的位置。

如图3、图4所示，反射器17、18是一条固定在轴19、20上的弹簧丝，有两个自由端22、23。

在棱镜1上还装有挡销24、25，分别用于反射器17、18，反射器17、18被这两个挡销挡住。如果活动件处于中间位置，反射器18、17就将该活动件紧紧夹住，如图3所示。

入射角传感器包括一个弹簧26（图1），该弹簧将活动件12和固定在棱镜1上的固定轴27连在一起，并使活动件相对于棱镜1具有弹性。弹簧26的刚度这样选择：使入射角传感器的机械揩振频率等于或小于活动件12的移动频率或超声波束扫描频率。

弹簧26使活动件12均匀运行，由于这种刚度，保证了所要求的超声波束入射角随时间变化的规律，例如线性。

超声波束扫描传动装置包括一个固定在旋转件4（图2）上的磁铁元件，它是一块永久磁铁28。永久磁铁28的一个极朝着电磁铁8的极间间隙29偏转，电磁铁8的绕组9、10（图5）与转换开关21的触点30串联后，连接到电源（图中未示出）的两个端子31上。

旋转件4（图2）包括旋转体32，本例中旋转体是圆柱体，该圆柱体安装在棱镜1的腔2内，圆柱体与腔壁之间有一空隙“l”。在旋转体32上配置着压电元件3和永久磁铁28。活动件12通过尾杆6与旋转体32相连。

旋转体32和棱镜1之间的空隙“l”为腔2内所充液体中的超声波半波长的倍数，即：l＝ (λ)/2 ，式中λ为超声波波长，n＝1，2，3，……。

超声波转换器工作过程如下：

在入射角不变的状态下（图3），反射器17、18被工作状态转换开关21的滑动臂推动，同时使电触点30断开，並使电磁铁8的绕组9、10同控制电压断开。这时，反射器22、23靠在挡销24、25上，使压电元件的旋转件4固定不动，从而其中的压电元件3通过活动件12而处于与超声波束标准入射角相对应的位置。

在扫描工作状态下（图4），反射器17、18在固定轴19、20上分开，同时转换开关21使电触点30接通，並使电磁铁8的绕组9、10接通电源。经过闭合的转换开关21加到电磁铁8上的控制电压产生一个交变磁场，吸引或排斥永久磁铁28，使旋转件来回摆动，从而与旋转件连接的活动件12处于给定的扇形扫描区内。弹簧26用来加强压电元件的旋转件4的运行均匀性，其刚度是根据保证机械谐振频率不低于其摆动频率的条件选定的。活动件12在绕组13、14之间移动，周期性地改变互感，从而改变绕组13、14之一上的电信号（入射角传感器的输出）。

调整和校正超声波变换器时，要求必须中断扫描和使压电元件3固定不动，因为在这种情况下，变换器就相当于斜距变换器。

因此，所述的自动扫描变换器与原有的变换器相比，检测效率和可靠性能提高2-3倍，其原因是由于采用了无接触传动装置，而使活动件的摆动速度增加的缘故。而且灵敏度提高，变换器的盲区减小，能获得超声波束入射角瞬时值信息，能使变换器定在超声波束标准入射角的位置。

Claims (18)

1、超声波束自动扫描探伤仪的超声波变换器包括棱镜(1)，该棱镜有腔(2)，腔中配置至少一个压电元件(3)，该压电元件固定在它的旋转件(4)上：还包括与压电元件(3)的旋转件(4)互相联系并固定在棱镜(1)上的超声波扫描传动装置，其特征在于：超声波变换器包括与压电元件(3)的旋转件(4)相关的并固定在棱镜(1)上的超声波扫描波束入射角传感器。

2、根据权利要求第1项所述的超声波变换器，其特征在于：超声波扫描波束入射角传感器包括固定在压电元件（3）的旋转件（4）上的活动件（12），以及具有两个感应耦合绕组（13、14）的固定件，该绕组固定在棱镜（1）上，而且产生与入射角成比例的信号的活动件（12）同这两个绕组相互作用。

3、根据权利要求第2项所述的超声波变换器，其特征在于：超声波扫描波束入射角传感器包括压电元件（3）的旋转件（4）的旋转角限制器，该限制器有设置在棱镜（1）上的两个弹力反射器（17、18）。

4、根据权利要求第3项所述的超声波变换器，其特征在于：该旋转角限制器包括设置在棱镜（1）上的、分别位于活动件（12）两侧的轴（19、20），每一个轴都和相应的弹力反射器（17、18）相连;还包括工作状态转换开关（21），在第一种状态下，借助弹力反射器（17、18）使活动件（12）固定在中间位置：在第二种状态下保证活动件（12）在分开的弹力反射器（17、18）之间往返移动。

5、根据权利要求第3项或第4项所述的超声波变换器，其特征在于：弹力反射器（17、18）为一个弹簧元件，它们的自由端（22、23）夹持活动件（12），以便使活动件保持在中间位置。

6、根据权利要求第3项或第4项所述的超声波变换器，其特征在于：旋转角限制器包括两个挡销（24、25），它们位于棱镜（1）上，且分设在活动件（12）的两侧，当活动件（12）在中间位置时，这两个挡销便与相应的弹力反射器（17、18）相接触。

7、根据权利要求第5项所述的超声波变换器，其特征在于：旋转角限制器包括两个挡销（24、25），它们位于棱镜（1）上，且分没在活动件（12）的两侧，当活动件（12）在中间位置时，这两个挡销便与相应的弹力反射器（17、18）相接触。

8、根据权利要求第4项所述的超声波变换器，其中的超声波束扫描传动装置包括一个交流电磁铁（8），其特征在于：工作状态转换开关（21）的触点（30）与交流电磁铁（8）的绕组（9）电气相联，而且当触点（30）断开时，活动件（12）停在中间位置;当触点（30）闭合时，弹力反射器（17、18）释放活动件（12），使之往返移动。

9、根据权利要求第1项或第2项或第3项或第4项所述的超声波变换器，其特征在于：超声波扫描波束入射角传感器具有固定在棱镜（1）上并向活动件（12）施加弹力的弹簧（26）。

10、根据权利要求第8项所述的超声波变换器，其特征在于：超声波扫描波束入射角传感器具有固定在棱镜（1）上并向活动件（12）施加弹力的弹簧（26）。

11、根据权利要求第9项所述的超声波变换器，其特征在于：弹簧（26）所具有的刚度使得超声波扫描波束入射角传感器的机械谐振频率等于或小于活动件（12）的移动频率。

12、根据权利要求第10项所述的超声波变换器，其特征在于：弹簧（26）所具有的刚度使得超声波扫描波束入射角传感器的机械揩振频率等于或小于活动件（12）的移动频率。

13、根据权利要求第8项所述的超声波变换器，其特征在于：超声波束扫描传动装置包括固定在压电元件（3）的旋转件（4）上的铁磁元件。

14、根据权利要求第13项所述的超声波变换器，其特征在于：用永久磁铁（28）作铁磁元件，它的一个极朝着交流电磁铁（8）的极间间隙（29）偏转。

15、根据权利要求第13项所述的超声波变换器，其特征在于：压电元件（3）的旋转件（4）包括旋转体（32），其上装有至少一个压电元件（3）和铁磁元件，该旋转体设置在棱镜（1）的充满传声液体的腔（2）内，旋转体与腔壁之间有一个空隙，且旋转体（32）与超声波扫描波束入射角传感器的活动件（12）相关连。

16、根据权利要求第14项所述的超声波变换器，其特征在于：压电元件（3）的旋转件（4）包括旋转体（32）。其上装有至少一个压电元件（3）和铁磁元件，该旋转体设置在棱镜（1）的充满传声液体的腔（2）内，旋转体与腔壁之间有一个空隙，且旋转体（32）与超声波扫描波束入射角传感器的活动件（12）相关连。

17、根据权利要求第15项所述的超声波变换器，其特征在于：旋转体（32）和棱镜（1）之间的空隙大小等于棱镜（1）的腔（2）内充满的传声液体中超声波半波长的倍数。

18、根据权利要求第16项所述的超声波变换器，其特征在于：旋转体（32）和棱镜（1）之间的空隙大小等于棱镜（1）的腔（2）内充满的传声液体中超声波半波长的倍数。

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