CN105510448A - 变壁厚超声自动探伤系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种变壁厚超声自动探伤系统，包括机械系统和用于控制机械系统的电路系统，其特征在于：所述机械系统包括导轨、与导轨相配合的运动基座，所述运动基座上设有检测单元，所述检测单元包括收发一体式测厚传感器、收发一体式探伤传感器，所述电路系统包括测厚超声激励与接收模块、探伤超声激励与接收模块、DAC电路、微处理器、数据显示与存储模块、电机控制卡、电机驱动电路，以及用于上述系统的变壁厚超声自动探伤方法。本发明具有可以快速、准确、全面检出板状或管状变壁厚工件内缺陷的有益效果。

Description

变壁厚超声自动探伤系统及方法
技术领域
本发明涉及一种非接触式检测装置，具体是一种变壁厚超声自动探伤系统及方法。
背景技术
目前，采用一般的接触式探伤方法，当变壁厚工件某点的曲率半径小于75mm时，探头平面与工件表面由于曲率相差较大，实际接触面减小，有时甚至会达到点接触或线接触的状态，因而接触式探头与变壁厚工件之间无法实现良好耦合，导致入射波和反射波损失较大且不稳定，以至难以判断物体中的缺陷。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述背景技术存在的不足，提出一种可以快速、准确、全面检出板状或管状变壁厚工件内缺陷的变壁厚超声自动探伤系统及其检测方法。
为了实现以上目的，本发明提供的一种变壁厚超声自动探伤系统，包括机械系统和用于控制机械系统的电路系统，其特征在于：所述机械系统包括导轨、与导轨相配合的运动基座，所述运动基座上设有检测单元，所述检测单元包括收发一体式测厚传感器、收发一体式探伤传感器，所述收发一体式测厚传感器与运动基座之间通过测厚传感器固定支架相连，所述收发一体式探伤传感器与运动基座之间通过探伤传感器可调支架相连，所述运动基座上设有电机组、所述电机组用于驱动探伤传感器可调支架使使收发一体式探伤传感器在探伤点处于正确的空间姿态，还用于驱动运动基座在变壁厚工件外表面沿导轨运动，所述电路系统包括测厚超声激励与接收模块、探伤超声激励与接收模块、DAC电路、微处理器、数据显示与存储模块、电机控制卡、电机驱动电路；测厚传感器激励与接收模块连接微处理器，探伤传感器激励与接收模块连接微处理器，探伤传感器激励与接收模块连接DAC电路，DAC电路连接微处理器，微处理器连接数据显示与存储模块，微处理器连接电机控制卡，电机控制卡连接电机驱动电路。
作为本发明的优选方案，所述收发一体式探伤传感器为线聚焦探头阵列，其对变壁厚工件外表面入射角控制在17°，与变壁厚工件外表面的距离控制在20～70mm。
进一步地，所述收发一体式测厚传感器的对变壁厚工件外表面的入射角度为90°。
更进一步地，所述电机组包括第一电机、第二电机、第三电机和第四电机，所述第一电机、第二电机和第三电机用于驱动探伤传感器可调支架的运动副，所述第四电机用于驱动运动基座在变壁厚工件外表面沿导轨运动。
更进一步地，所述探伤传感器可调支架由支座和支架主体两部分构成，所述收发一体式探伤传感器与支座之间用转动副连接，用第一电机驱动，支座和支架主体之间用滑动副连接，用第二电机驱动，支架主体与运动基座之间用转动副连接，用第三电机驱动。
再进一步地，所述收发一体式测厚传感器的测厚点和收发一体式探伤传感器的探伤点之间设有间隙。
一种变壁厚超声自动探伤方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：电路系统通电初始化；
步骤二：在微处理器的指令控制下，测厚超声激励与接收模块激励收发一体式测厚传感器产生测厚用超声波，并接收其始波、界面波和底面反射回波；在微处理器的指令控制下，探伤超声激励与接收模块激励收发一体式探伤传感器产生探伤用超声波，并接收其始波、界面波和缺陷反射回波；
步骤三：微处理器接收测厚超声激励与接收模块采集的测厚超声信号，经信号处理后提取变壁厚工件内、外表面轮廓特征及外表面轮廓曲率变化参数；微处理器接收经过DAC电路做声程补偿后的探伤超声激励与接收模块采集的探伤超声信号，经信号处理后提取缺陷特征；
步骤四：微处理器结合变壁厚工件外表面轮廓曲率变化参数通过电机控制卡控制电机驱动电路；微处理器根据经声程补偿后的缺陷反射回波信号对缺陷进行定性和定量分析；
步骤五：电机驱动电路驱动探伤传感器可调支架上的第一电机、第二电机和第三电机，使得收发一体式探伤传感器在各个探伤点处的入射角以及与变壁厚工件外表面的距离保持恒定；微处理器将探伤超声信号处理结果通过数据显示与存储模块进行实时显示与存储；
步骤六：运动控制单元在微处理器指令控制下驱动收发一体式测厚传感器和收发一体式探伤传感器沿预定轨迹移动到下一个测厚点和探伤点，并重复步骤二～步骤五，直至检测结束。
优选地，在检测管状变壁厚工件时，采取管状变壁厚工件绕轴线旋转，运动基座沿工件轴线方向做直线运动的方式完成检测；在检测板状变壁厚工件时，采取板状变壁厚工件沿宽度方向做间歇直线运动，运动基座沿板状变壁厚工件的长度方向做直线往复运动的方式或板状变壁厚工件静止不动，运动基座沿板状变壁厚工件外表面做阿基米德螺线运动或方形回旋线运动的方式完成检测。
本发明的有益效果：本发明根据变壁厚工件的外表面轮廓曲率变化，实时调整收发一体式探伤传感器的空间姿态，使收发一体式探伤传感器的入射角和到变壁厚工件外表面的距离恒定，因而保证了在各个探伤点处探伤超声波的反射能量损失和在耦合介质中传播的能量损失相同，从而提高了对缺陷位置和当量大小的标定精度。
附图说明
图1是本发明的工作原理图。
图2是本发明的机械系统结构示意图。
图3是本发明的探伤传感器可调支架结构示意图。
图4是本发明的变壁厚超声自动探伤系统检测管状变壁厚工件时的第一种检测轨迹。
图5是本发明的变壁厚超声自动探伤系统检测板状变壁厚工件时的第二种检测轨迹。
图6是本发明的变壁厚超声自动探伤系统检测板状变壁厚工件时的第三种检测轨迹。
图7是本发明的变壁厚超声自动探伤系统检测板状变壁厚工件时的第四种检测轨迹。
图中：机械系统1、电路系统2、运动基座3、检测单元4、收发一体式测厚传感器5、测厚传感器固定支架6、收发一体式探伤传感器7、探伤传感器可调支架8、电机组9、第一电机10、第二电机11、第三电机12、第四电机13、电机驱动电路14、电机控制卡15、探伤超声激励与接收模块16、DAC电路17、微处理器18、数据显示与存储模块19、测厚超声激励与接收模块20、支座21、支架主体22、导轨23。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
实施例：如图所示的一种变壁厚超声自动探伤系统，包括机械系统1和用于控制机械系统1的电路系统2，其特征在于：所述机械系统包括导轨23、与导轨23相配合的运动基座3，所述运动基座3上设有检测单元4，所述检测单元包括收发一体式测厚传感器5、收发一体式探伤传感器7，所述收发一体式测厚传感器5与运动基座3之间通过测厚传感器固定支架6相连，所述收发一体式探伤传感器7与运动基座3之间通过探伤传感器可调支架8相连，所述运动基座3上设有四个电机组成的电机组9，即第一电机10、第二电机11、第三电机12和第四电机13，所述第一电机10、第二电机11和第三电机12用于驱动探伤传感器可调支架8的运动副，所述第四电机13用于驱动运动基座3在变壁厚工件外表面沿导轨23运动。
所述电路系统2包括测厚超声激励与接收模块20、探伤超声激励与接收模块16、DAC电路17、微处理器18、数据显示与存储模块19、电机控制卡15、电机驱动电路14；测厚传感器激励与接收模块20连接微处理器18，探伤传感器激励与接收模块16连接微处理器18，探伤传感器激励与接收模块16连接DAC电路17，DAC电路17连接微处理器18，微处理器18连接数据显示与存储模块19，微处理器18连接电机控制卡15，电机控制卡15连接电机驱动电路14。
所述收发一体式探伤传感器7为线聚焦探头阵列，其对变壁厚工件外表面入射角控制在17°，与变壁厚工件外表面的距离控制在20～70mm。所述收发一体式测厚传感器5的对变壁厚工件外表面的入射角度为90°。所述收发一体式测厚传感器5的测厚点和收发一体式探伤传感器7的探伤点之间设有间隙。
所述探伤传感器可调支架8由支座21和支架主体22两部分构成，所述收发一体式探伤传感器7与支座21之间用转动副连接，用第一电机10驱动，支座21和支架主体22之间用滑动副连接，用第二电机11驱动，支架主体22与运动基座3之间用转动副连接，用第三电机12驱动。
应用于上述系统的变壁厚超声自动探伤方法，包括如下步骤：
步骤一：电路系统通电初始化；
步骤二：在微处理器18的指令控制下，测厚超声激励与接收模块20激励收发一体式测厚传感器5产生测厚用超声波，并接收其始波、界面波和底面反射回波；在微处理器18的指令控制下，探伤超声激励与接收模块16激励收发一体式探伤传感器7产生探伤用超声波，并接收其始波、界面波和缺陷反射回波；
步骤三：微处理器18接收测厚超声激励与接收模块20采集的测厚超声信号，经信号处理后提取变壁厚工件内、外表面轮廓特征及外表面轮廓曲率变化参数；微处理器18接收经过DAC电路17做声程补偿后的探伤超声激励与接收模块16采集的探伤超声信号，经信号处理后提取缺陷特征；
步骤四：微处理器18结合变壁厚工件外表面轮廓曲率变化参数通过电机控制卡14控制电机驱动电路14；微处理器18根据经声程补偿后的缺陷反射回波信号对缺陷进行定性和定量分析；
步骤五：电机驱动电路14驱动探伤传感器可调支架8上的第一电机10、第二电机11和第三电机12，使得收发一体式探伤传感器7在各个探伤点处的入射角以及与变壁厚工件外表面的距离保持恒定；微处理器18将探伤超声信号处理结果通过数据显示与存储模块19进行实时显示与存储；
步骤六：运动控制单元3在微处理器18指令控制下驱动收发一体式测厚传感器5和收发一体式探伤传感器7沿预定轨迹移动到下一个测厚点和探伤点，并重复步骤二～步骤五，直至检测结束。
如图4、图5、图6、图7所示，在检测管状变壁厚工件时，采取管状变壁厚工件绕轴线旋转，运动基座3沿工件轴线方向做直线运动的方式完成检测；在检测板状变壁厚工件时，采取板状变壁厚工件沿宽度方向做间歇直线运动，运动基座3沿板状变壁厚工件的长度方向做直线往复运动的方式或板状变壁厚工件静止不动，运动基座3沿板状变壁厚工件外表面做阿基米德螺线运动或方形回旋线运动的方式完成检测。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
1、本发明以超声波无损检测技术为核心，无需对变壁厚工件进行预处理，可在高温等恶劣环境下对变壁厚工件进行在线检测，检测效率高。
2、本发明根据变壁厚工件的外表面轮廓曲率变化，实时调整收发一体式探伤传感器的空间姿态，使收发一体式探伤传感器的入射角和到变壁厚工件外表面的距离恒定，因而保证了在各个探伤点处探伤超声波的反射能量损失和在耦合介质中传播的能量损失相同，从而提高了对缺陷位置和当量大小的标定精度。
3、本发明利用DAC电路对缺陷声程进行补偿，因而提高了缺陷的定位和量化精度。
4、本发明采用基于微处理器的数字信号处理技术对接收信号进行在线处理，具有较高的检测灵敏度和实时性。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的结构做任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种变壁厚超声自动探伤系统，包括机械系统(1)和用于控制机械系统(1)的电路系统(2)，其特征在于：所述机械系统包括导轨(23)、与导轨(23)相配合的运动基座(3)，所述运动基座(3)上设有检测单元(4)，所述检测单元包括收发一体式测厚传感器(5)、收发一体式探伤传感器(7)，所述收发一体式测厚传感器(5)与运动基座(3)之间通过测厚传感器固定支架(6)相连，所述收发一体式探伤传感器(7)与运动基座(3)之间通过探伤传感器可调支架(8)相连，所述运动基座(3)上设有电机组(9)、所述电机组(9)用于驱动探伤传感器可调支架(8)使使收发一体式探伤传感器(7)在探伤点处于正确的空间姿态，还用于驱动运动基座(3)在变壁厚工件外表面沿导轨(23)运动，所述电路系统(2)包括测厚超声激励与接收模块(20)、探伤超声激励与接收模块(16)、DAC电路(17)、微处理器(18)、数据显示与存储模块(19)、电机控制卡(15)、电机驱动电路(14)；测厚传感器激励与接收模块(20)连接微处理器(18)，探伤传感器激励与接收模块(16)连接微处理器(18)，探伤传感器激励与接收模块(16)连接DAC电路(17)，DAC电路(17)连接微处理器(18)，微处理器(18)连接数据显示与存储模块(19)，微处理器(18)连接电机控制卡(15)，电机控制卡(15)连接电机驱动电路(14)。
2.根据权利要求1所述的变壁厚超声自动探伤系统，其特征在于：所述收发一体式探伤传感器(7)为线聚焦探头阵列，其对变壁厚工件外表面入射角控制在17°，与变壁厚工件外表面的距离控制在20～70mm。
3.根据权利要求1所述的变壁厚超声自动探伤系统，其特征在于：所述收发一体式测厚传感器(5)的对变壁厚工件外表面的入射角度为90°。
4.根据权利要求1所述的变壁厚超声自动探伤系统，其特征在于：所述电机组(9)包括第一电机(10)、第二电机(11)、第三电机(12)和第四电机(13)，所述第一电机(10)、第二电机(11)和第三电机(12)用于驱动探伤传感器可调支架(8)的运动副，所述第四电机(13)用于驱动运动基座(3)在变壁厚工件外表面沿导轨(23)运动。
5.根据权利要求3所述的变壁厚超声自动探伤系统，其特征在于：所述探伤传感器可调支架(8)由支座(21)和支架主体(22)两部分构成，所述收发一体式探伤传感器(7)与支座(21)之间用转动副连接，用第一电机(10)驱动，支座(21)和支架主体(22)之间用滑动副连接，用第二电机(11)驱动，支架主体(22)与运动基座(3)之间用转动副连接，用第三电机(12)驱动。
6.根据权利要求1所述的变壁厚超声自动探伤系统，其特征在于：所述收发一体式测厚传感器(5)的测厚点和收发一体式探伤传感器(7)的探伤点之间设有间隙。
7.一种应用于权利要求1所述系统的变壁厚超声自动探伤方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：电路系统通电初始化；
步骤二：在微处理器(18)的指令控制下，测厚超声激励与接收模块(20)激励收发一体式测厚传感器(5)产生测厚用超声波，并接收其始波、界面波和底面反射回波；在微处理器(18)的指令控制下，探伤超声激励与接收模块(16)激励收发一体式探伤传感器(7)产生探伤用超声波，并接收其始波、界面波和缺陷反射回波；
步骤三：微处理器(18)接收测厚超声激励与接收模块(20)采集的测厚超声信号，经信号处理后提取变壁厚工件内、外表面轮廓特征及外表面轮廓曲率变化参数；微处理器(18)接收经过DAC电路(17)做声程补偿后的探伤超声激励与接收模块(16)采集的探伤超声信号，经信号处理后提取缺陷特征；
步骤四：微处理器(18)结合变壁厚工件外表面轮廓曲率变化参数通过电机控制卡(14)控制电机驱动电路(14)；微处理器(18)根据经声程补偿后的缺陷反射回波信号对缺陷进行定性和定量分析；
步骤五：电机驱动电路(14)驱动探伤传感器可调支架(8)上的第一电机(10)、第二电机(11)和第三电机(12)，使得收发一体式探伤传感器(7)在各个探伤点处的入射角以及与变壁厚工件外表面的距离保持恒定；微处理器(18)将探伤超声信号处理结果通过数据显示与存储模块(19)进行实时显示与存储；
步骤六：运动控制单元(3)在微处理器(18)指令控制下驱动收发一体式测厚传感器(5)和收发一体式探伤传感器(7)沿预定轨迹移动到下一个测厚点和探伤点，并重复步骤二～步骤五，直至检测结束。
8.根据权利要求7所述的变壁厚超声自动探伤方法，其特征在于：在检测管状变壁厚工件时，采取管状变壁厚工件绕轴线旋转，运动基座(3)沿工件轴线方向做直线运动的方式完成检测；在检测板状变壁厚工件时，采取板状变壁厚工件沿宽度方向做间歇直线运动，运动基座(3)沿板状变壁厚工件的长度方向做直线往复运动的方式或板状变壁厚工件静止不动，运动基座(3)沿板状变壁厚工件外表面做阿基米德螺线运动或方形回旋线运动的方式完成检测。
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