CN105181811B - 一种自适应超声换能器模组 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自适应超声换能器模组，包括上部模块和连接在上部模块下方的下部模块，所述上部模块由柔性材料层和薄层金属材料层依次逐层叠加而成，上部模块内设有一个以上的超声波换能器，所述超声波换能器旁设有第一耦合通路；所述下部模块包括固体弹性支架和侧面板，所述固体弹性支架和侧面板内部填充有一组蜂窝状结构弹性材料，所述蜂窝状结构弹性材料充盈耦合液后形成与第一耦合通路连通的第二耦合通路。本发明采用多层柔性复合叠加组合支架，该支架采用具有一定柔性的材料及薄层金属材料多层叠加形成，具有一定的形变能力，能够更好的与检测物体表面接触，从而达到更高的检测效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种无损检测领域，特别是一种自适应超声换能器模组。
背景技术
超声检测和控制技术是利用超声波对物体进行检测和测量，必要时可以进行自动控制的技术。在检验技术方面，最为典型的应用就是超声探伤，这也是目前国际上最为流行、重要的无损检测方法，目前广泛的应用于航空航天、大型船舶、钢铁冶金、铁路交通等领域。然而，要实现这一目的，其一关键因素就是超声换能器。
当把一定数量的砝码放在某些晶体上时，在这些晶体的表面会产生一定数量的电荷，并且所产生电荷的数量与砝码的重量成正比。这种现象被称为压电效应，而具有压电效应的材料则被称为压电材料。利用压电材料的这种特性，研发了超声换能器，并且随着科技技术及工艺技术的不断发展，超声换能器的性能不断优化，使其能够有效的实现无损检测的目的。但是目前由于收到超声换能器自身材料及钢体外壳的限制，使其自身无法完美适应复杂的被测结构，导致其检测能力下降。
超声换能器在进行无算检测和测量时，需要足量的耦合剂与被测物体接触，使其最大化发挥其性能。目前主要采用向超声换能器喷射耦合剂的方法，这种方法效率较低，效果也不是很好，使得检测效率变低，成本提高。
由于超声换能器自身问题，使得其存在浅表测试盲区，难以对薄层物体进行检测，甚至无法检测出浅表可视缺陷，导致检测失败。
随着高铁技术的不断发展及普及，列车速度不断提高，车轮在高速运行中受到的冲击载荷和疲劳载荷也越来越大，因此必须提供一种行之有效的方法及设备来确保第一时间检测出车轮的状态。目前使用较多的方法是压电超声和电磁无损检测这两种方法。压电超声检测技术可以很好的检测出试件内部损伤，但是对于浅表及表面的缺陷则有一定局限性；而电磁无损检测技术可以很好的检测出浅表及表面缺陷，但是对于试件内部损伤，则有些鞭长莫及。为了克服这一缺陷，我们将这两种技术融合在一起，可以对试件进行全面的检测。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种自适应超声换能器模组。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种自适应超声换能器模组，包括上部模块和连接在上部模块下方的下部模块，所述上部模块由柔性材料层和薄层金属材料层依次逐层叠加而成，上部模块内设有一个以上的超声波换能器，所述超声波换能器旁设有第一耦合通路；所述下部模块包括固体弹性支架和侧面板，所述固体弹性支架和侧面板内部填充有一组蜂窝状结构弹性材料，所述蜂窝状结构弹性材料充盈耦合液后形成与第一耦合通路连通的第二耦合通路。
所述柔性材料层具有一定的弹性。
本发明中，所述超声波换能器上设有换能器通孔，用于引出超声波换能器上的信号线。
本发明中，所述上部模块侧面设有上部通孔，用于引出超声波换能器模组的信号线。
本发明中，所述上部模块上设有一个以上的用于固定柔性材料层和薄层金属材料层的固定装置。
本发明中，所述超声波换能器设有便于固定的翼式结构。
本发明中，第一耦合通路和第二耦合通路组合形成内置耦合通路。
本发明中，所述上部模块的顶面两侧设有定位模块，便于对被检测物体进行定位和定向等多功能测试。
本发明中，所述上部模块顶面两侧设有电磁定位模块，用于检测超声换能器模组所不能检测到的盲区及被测物体表面缺陷。
本发明中，所述超声波换能器的顶面高度不高于上部模块的顶面高度，便于积存耦合剂，保证了超声换能器模组与被测物体之间良好的耦合。
本发明中，所述侧面板上设有用于填充耦合液的下部通孔。
有益效果：1、本发明采用多层柔性复合叠加组合支架，该支架采用具有一定柔性的柔性材料及薄层金属材料多层叠加形成，具有一定的形变能力，在检测具有曲面、圆弧面等结构时可以产生微量形变，对超声换能器的测试角度进行微调，获得最佳检测状态，能够更好的与检测物体表面接触，从而达到更高的检测效果。并且该多层柔性复合叠加组合支架可以在无需其他恢复装置的前提下，为超声换能器提供足够的恢复力，使其恢复到初始位置及状态。
2、本发明采用底部蜂窝结构支架，该蜂窝状结构可以作为耦合剂的储存池，为上部多层柔性复合叠加组合支架中的内置水路提供耦合剂。并且由于其蜂窝状结构，可以根据超声换能器所受应力变化在前后左右及上下六个方向自助进行相应调整，使得超声换能器阵列与被测物体表面完美接触，实现高效的检测，并且通过相应的调整也可以降低由被测物体带来的冲击力。
3、本发明中将超声换能器排成类相控阵阵列，利用控制电路，各超声换能器可以协调工作，提高工作效率。同时，根据不同检测要求，可以将单晶、双晶、相控阵等不同类型、不同结构的超声换能器插入多层柔性复合叠加组合支架中，可以满足不同的应用。
4、本发明内置了耦合通道，可以直接为超声换能器提供充足的耦合剂。并且当超声换能器工作时，由于超声换能器模组受到正面压力，使得位于模组底部的耦合剂通过内置耦合通道达到超声换能器模组表面，形成耦合层。当模组表面受到的压力消失后，耦合剂可以自动通过内置通道回流到位于底部的耦合源处。并且当超声换能器模组工作于室外恶劣环境时，超声换能器受温度影响较大。但是由于本结构的内置耦合通道，可以对超声换能器进行温度补偿，延长换能器寿命。
5、超声换能器采用嵌入的方式安装于多层柔性复合叠加组合支架中，便于安装。同时可以选用翼式结构超声换能器，利用多层柔性复合叠加组合支架的多层结构，将翼式结构插入多层中，能更好的将超声换能器固定于多层柔性复合叠加组合支架中。并且多层柔性复合叠加组合支架可以通过固定螺丝分解，便于超声换能器替换。同时，根据不同检测要求，可以将单晶、双晶、相控阵等不同类型、不同结构的超声换能器插入多层柔性复合叠加组合支架中，可以满足不同的应用。
6、本发明中于整体模块上表面嵌入定位模块及电磁探测模块，可以弥补超声换能器浅表层盲区这一缺陷，能够实现对检测物体全方位检测，提高检测精度。并且利用定位模块及电磁探测模块及外控制电路，可以对被检测物体进行定位、定向及速度等多功能测试。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1是本发明上部模块俯视图；
图2是本发明上部模块侧视图；
图3是本发明下部模块侧视图；
图4是翼式结构超声换能器示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作详细说明。
如图1和图2，本发明包括上部模块1、柔性材料层3、薄层金属材料层4、超声波换能器5、定位模块7、电磁定位模块8、第一耦合通路9、换能器通孔15、上部通孔16和固定装置17，其中，上部模块1由柔性材料层3和薄层金属材料层4依次逐层叠加而成，上部模块1内设有一组超声波换能器5，超声波换能器5两侧设有一组定位模块7和一组电磁定位模块8，超声波换能器5旁设有第一耦合通路9，上部模块1一侧设有上部通孔16，上部通孔16用于引出超声波换能器模组的信号线，上部模块1上设有一个以上的固定装置17，固定装置17用于夹紧固定柔性材料层3和薄层金属材料层4。
如图3，本发明下部模块2包括固体弹性支架10、侧面板11、蜂窝状结构弹性材料12、第二耦合通路13和下部通孔14，下部模块2由固体弹性支架10和侧面板11形成框架，内部填充有蜂窝状结构弹性材料12，蜂窝状结构弹性材料12充盈耦合液后形成与第一耦合通路9连通的第二耦合通路13，下部模块2一侧设有便于注入耦合剂的下部通孔14。
如图4，超声波换能器5两侧设有翼式结构6，用于将超声波换能器5固定在上部模块上，超声波换能器5上设有换能器通孔15，换能器通孔15用于引出超声波换能器5上的信号线。
进一步的，上部模块中采用的柔性材料层可以是有机玻璃、环氧树脂、聚醚酰亚胺或者聚酰亚胺等材料；
进一步的，上部模块中采用的薄层金属可以是铜、铁、铝等金属材料；
进一步的，上部模块中采用的超声波换能器可以使用嵌套式结构超声换能器；
进一步的，上部模块中采用的超声波换能器可以使用内水道结构超声换能器；
进一步的，上部模块中采用的超声波换能器外观可以采用翼式结构，并且其翼式结构部分可以嵌入上部模块中，便于超声波换能器的固定；
进一步的，上部模块中换能器可以采用单晶、双晶及相控阵等种类，可以按照不同角度排列；
进一步的，上部模块中的固定装置可以采用内部中空的螺丝，底部连接下部模块第二耦合通路，为超声换能器模组提供更充足的耦合剂。
本发明在使用时，当被测物体经过自适应超声换能器模组，定位模块7检测到被测物体，提供测试启动及测试位置反馈信号，电磁定位模块8及超声换能器模组开始进行工作。超声换能器模组可以检测被测物体内部缺陷；电磁定位模块8可以检测超声换能器模组所不能检测到的盲区及被测物体表面缺陷；通过定位模块7及电磁定位模块8可以测出被测物体移动方向及速度等参数。当自适应超声换能器模组受到被测物体挤压时，自适应超声换能器模组上部模块会产生微小形变以适应被测物体，能够大部分乃至全部接触被测物体，提高测试精度；同时下部模块也会产生相应的形变来确保自适应超声换能器模组与被测物体有良好的接触。并且在上部模块和下部模块的共同作用下，可以使得自适应超声换能器模组在前后左右上下六个方向上调整与被测物体的接触面，保证了稳定性。同时，当被测物体挤压自适应超声换能器模组时，下部模块储存的大量耦合剂会通过第二耦合通路和第一耦合通路到达自适应超声换能器模组上表面，均匀分布于自适应超声换能器模组表面与被测物体之间，保证了自适应超声换能器模组与被测物体之间良好的耦合。
本发明提供了一种自适应超声换能器模组，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (8)
1.一种自适应超声换能器模组，其特征在于，包括上部模块(1)和连接在上部模块(1)下方的下部模块(2)，所述上部模块(1)由多层柔性材料层(3)和薄层金属材料层(4)依次逐层叠加而成，上部模块(1)内设有一个以上的超声波换能器(5)，所述超声波换能器(5)旁设有第一耦合通路(9)；所述下部模块(2)包括固体弹性支架(10)和侧面板(11)，所述固体弹性支架(10)和侧面板(11)内部填充有一组蜂窝状结构弹性材料(12)，所述蜂窝状结构弹性材料(12)充盈耦合液后形成与第一耦合通路(9)连通的第二耦合通路(13)；
所述上部模块(1)顶面两侧设有电磁定位模块(8)。
2.根据权利要求1所述的一种自适应超声换能器模组，其特征在于，所述超声波换能器(5)上设有换能器通孔(15)。
3.根据权利要求1所述的一种自适应超声换能器模组，其特征在于，所述上部模块(1)侧面设有上部通孔(16)。
4.根据权利要求1所述的一种自适应超声换能器模组，其特征在于，所述上部模块(1)上设有一个以上的用于固定柔性材料层(3)和薄层金属材料层(4)的固定装置(17)。
5.根据权利要求1所述的一种自适应超声换能器模组，其特征在于，所述超声波换能器(5)设有便于固定的翼式结构(6)。
6.根据权利要求1所述的一种自适应超声换能器模组，其特征在于，所述上部模块(1)的顶面两侧设有定位模块(7)。
7.根据权利要求1所述的一种自适应超声换能器模组，其特征在于，所述超声波换能器(5)的顶面高度不高于上部模块(1)的顶面高度。
8.根据权利要求1所述的一种自适应超声换能器模组，其特征在于，所述侧面板(11)上设有用于填充耦合液的下部通孔(14)。
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