CN105548370A - 一种可探测曲面工件的超声相控阵探头 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可探测曲面工件的超声相控阵探头，所述探头包括通过互成张角的两夹板固定的柔性阵列换能器，柔性阵列换能器引出同轴电缆置于外壳之中并连接同轴电缆线接口；所述夹板上固定有用于改变柔性阵列换能器曲率的张角微调装置。所述张角微调装置包括通过螺纹配合内置于外壳中的螺杆、调节螺杆在外壳中螺纹前进或后退的旋钮；所述螺杆一端与可转动的夹板接触，另一端与旋钮接触，构成当旋钮转动时、螺杆推动与之接触的夹板使得两夹板张角增大或减小的配合。所述两夹板之间连接有弹簧。本发明结构简单、可适应多种弧形工件而与工件充分接触、提高探测质量；并且该探头曲率可调节，可根据应用需求做出相应调整，适应性强。

Description

一种可探测曲面工件的超声相控阵探头

技术领域

本发明涉及超声相控阵探头，具体的涉及一种可探测曲面工件的超声相控阵探头。

背景技术

现有技术中使用的传感器探测面多为平面，但在实际应用中常常需要探测弧面工件(如钢管，圆钢等)的内部结构，此时平面传感器与工件表面为点接触或线接触，这会造成接触的不牢固，影响声束质量从而无法满足使用要求；并且检测曲面形工件采用的一般方法是将工件分成多块“类平面”部分完成整个工件的检测，不仅费时、费力，还很难保证检测精度；而利用双探头甚至多探头对曲面工件进行探测，会增加成本并且耗时。

因此，本领域技术人员需要设计一种结构简单、可适应多种弧形工件而与工件充分接触、提高探测质量的可探测曲面工件的超声相控阵探头。

发明内容

针对上述不足，本发明提供了一种结构简单、可适应多种弧形工件而与工件充分接触、提高探测质量的可探测曲面工件的超声相控阵探头。其实质上为一种柔性的可适应多种曲率半径弧面的超声相控阵传感器，该探头曲率可调节，避免出现探头只适用于检测面曲率一致的工件探测。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种可探测曲面工件的超声相控阵探头，所述探头包括通过互成张角的两夹板固定的柔性阵列换能器，柔性阵列换能器引出同轴电缆置于外壳之中并连接同轴电缆线接口；所述夹板上固定有用于改变柔性阵列换能器曲率的张角微调装置。

优选的，所述两夹板的一端相对可转动的铰接为一体，其中一个夹板固定在外壳上。

进一步的，所述张角微调装置包括通过螺纹配合内置于外壳中的螺杆、调节螺杆在外壳中螺纹前进或后退的旋钮；所述螺杆一端与可转动的夹板接触，另一端与旋钮接触，构成当旋钮转动时、螺杆推动与之接触的夹板使得两夹板张角增大或减小的配合。

进一步的，所述螺杆上装有凹槽滑轮，在与螺杆接触的夹板上设有配合凹槽滑轮卡合的一段导轨；所述凹槽滑轮卡合在该导轨中构成固定螺杆在夹板上的运动轨迹、使螺杆移动时夹板不发生摆动的配合。

进一步的，所述两夹板之间连接有用于使张角随螺杆后退而自动减小的弹簧。

进一步的，所述柔性阵列换能器包括依次粘结的柔性匹配层、压电陶瓷晶片构成的振元、聚氨酯片、柔性阻尼背材；其中，所述聚氨酯片设有穿孔，在孔中电镀填充铜，在穿孔两边分别附着阵元和铜电极，铜电极另一面贴附柔性阻尼背材。

进一步的，所述柔性匹配层采用环氧树脂材料；所述柔性阻尼背材采用包括聚氨酯和金属粉末的聚氨酯吸声吸波材料。

进一步的，当探头工作频率为5Hz时，所述柔性阵列换能器设为16个振元，间距为0.55mm，阵元宽度为0.5mm，阵元长度为8.75mm，整个阵列长度为9mm。

进一步的，所述柔性阵列换能器呈弧形，对应的圆心角不小于120°，即两夹板的张角最小为60°；两夹板的张角最大可至柔性阵列换能器呈可探测平面工件的拉直状态。

进一步的，所述弹簧在柔性阵列换能器被拉直时形变达到最大值。

本发明的有益效果在于：

1)、本发明中柔性阵列换能器即柔性带，通过互成张角的两夹板固定，阵列换能器引出同轴电缆置于外壳之中并连接同轴电缆线接口、用于探测器连接，实现探测功能；同时，本发明在夹板上固定有张角微调装置，通过改变两夹板的夹角，从而调整柔性带的曲率。

本发明设计出的超声相控阵传感器探测面为柔性，不仅可对多种曲率半径弧面的工件探测作出适应性的调节，而且可探测平面工件；从而实现与工件的充分接触、为提高探测质量提供了有效的保证；并且该探头曲率可调节，可根据不同弧形工件的探测需求对柔性带的曲率做出相应调整，具有较强的通用性。

2)、本发明实施例中的柔性带经由MATLAB模拟仿真得知相控阵声束的偏转角应保持在30°内，为使阵列边缘的阵元所发射的声束不干扰其他阵元的振动，弧形阵列所对最小圆心角应为120°，即当两夹板的张角不小于为60°时，能够有效避免发射声束之间的干扰，提高声束的指向性，从而提高探测的准确性。

3)、本发明张角微调装置中在螺杆与夹板的接触处，螺杆上装有凹槽滑轮，凹槽滑轮卡在该夹板上的一段导轨中，通过该设计可以固定螺杆在夹板上的运动轨迹，从而保证螺杆移动时夹板不会摆动，保证了本探头运行的可靠性和稳定性。

4)、本发明在两夹板之间连接有弹簧，在螺杆前进的时候张角增大，弹簧被拉长发生形变存在收缩的力，张角达到最大时弹簧形变达到最大。螺杆向后移动时弹簧恢复形变，并带动夹板移动使张角减小，而弹簧的设置保证了张角随螺杆后退而自动减小。

附图说明

图1为本发明的结构简示图。

图2为本发明柔性阵列换能器的结构简示图。

图3为本发明柔性阵列换能器的振元示意图。

图4、5为本发明柔性阵列换能器随张角变化而产生曲率变化的状态图。

图6为本发明张角微调装置的结构简示图。

图7为本发明加设弹簧之后的简示图。

图中标注符号的含义如下：

1-柔性阵列换能器10-柔性匹配层11-振元

12-聚氨酯片13-铜电极14-柔性阻尼背材

2-夹板20-导轨21-弹簧

3-同轴电缆30-同轴电缆线接口

4-外壳

5-张角微调装置50-螺杆51-旋钮500-凹槽滑轮

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种可探测曲面工件的超声相控阵探头，一种可探测曲面工件的超声相控阵探头，所述探头包括通过互成张角的两夹板2固定的柔性阵列换能器1，柔性阵列换能器1引出同轴电缆3置于外壳4之中并连接同轴电缆线接口30；所述夹板2上固定有用于改变柔性阵列换能器1曲率的张角微调装置5。

如图2所示，所述柔性阵列换能器1包括依次粘结的柔性匹配层10、压电陶瓷晶片构成的振元11、聚氨酯片12、柔性阻尼背材14；其中，柔性匹配层10采用环氧树脂材料，用于保护阵元；所述聚氨酯片12设有穿孔，在孔中电镀填充铜，在穿孔两边分别附着阵元11和铜电极13，铜电极13另一面贴附柔性阻尼背材14，柔性阻尼背材14采用包括聚氨酯和金属粉末的聚氨酯吸声吸波材料用于吸收阵元的声波，以免对探测产生干扰。聚氨酯吸声吸波材料中的金属粉末可以采用铝粉。

具体的，如图3所示，当探头工作频率为5Hz时，所述柔性阵列换能器1最优设为16个振元11，间距为0.55mm，阵元11宽度为0.5mm，阵元11长度为8.75mm，整个阵列长度为9mm。

所述两夹板2的一端相对可转动的铰接为一体，且其中一个夹板2固定在外壳4上。

针对图3中的柔性阵列换能器1设计，如图4所示，所述柔性阵列换能器1呈弧形，对应的圆心角在120°以上时，将具有较好的声束指向性，圆心角为120°时两夹板2的张角为60°，因阵列长度为9mm，故此时可探测曲率半径最小，为4.3mm；两夹板2活动端张角角度可从60°增大直至75°，当两夹板2端口张角达到最大75°时柔性带被拉直，此时可探测平面工件，如图5所示。故此探头可探测工件的曲率半径为4.3mm至无穷(此时可探测平面)。

如图6所示，所述张角微调装置5包括通过螺纹配合内置于外壳4中的螺杆50、调节螺杆50在外壳4中螺纹前进或后退的旋钮51；所述螺杆50一端与可转动的夹板2接触，另一端与旋钮51接触，构成当旋钮51转动时、螺杆50推动与之接触的夹板2使得两夹板2张角增大或减小的配合。螺杆50前进则张角增大、可探测曲率半径增大，螺杆50后退则张角减小、可探测曲率半径减小。计算可知本实施例中张角从60°增加到75°螺杆50需前进约1.4mm，选用螺距为0.4mm的标准螺杆50，则可旋转3.5圈，每圈使螺杆50前进或后退0.4mm。

作为一种更优选的实施方式，所述螺杆50上装有凹槽滑轮500，在与螺杆50接触的夹板2上设有配合凹槽滑轮500卡合的一段导轨20；所述凹槽滑轮500卡合在该导轨20中，以此固定螺杆50在夹板2上的运动轨迹、使螺杆50移动时夹板2不会发生摆动。

如图1所示，所述两夹板2之间连接有用于使张角随螺杆50后退而自动减小的弹簧21。在螺杆50前进的时候张角增大，弹簧21被拉长发生形变时存在收缩的弹簧回复力，如图7所示，当张角达到75°时弹簧21形变达到最大。螺杆50向后移动时弹簧21恢复形变，并带动与螺杆50接触的夹板2移动、从而使张角随螺杆50后退而自动减小。

下面结合附图对发明的工作原理作出如下的详细说明。

当需要测量曲率半径为R≥4.3mm的弧形工件时，可采用上述实施例中的超声相控阵探头进行探测，根据曲率半径为R旋转旋钮51，使两夹板2之间的张角α正好与该弧形工件的曲率半径适配，以使探头与工件充分接触。其适配关系为：张角α＝(360°/2πR)l，其中l为柔性阵列换能器1的阵列长度。

当需要测量平面工件时，采用实施例中的超声相控阵探头进行探测，只需将张角α调节至使柔性带被拉直的最大角度即可；此时弹簧21形变达到最大。

测量之后，旋转旋钮51，在弹簧21作用下张角随螺杆50后退而自动减小，从而张角α恢复至原始状态。

Claims (10)

1.一种可探测曲面工件的超声相控阵探头，其特征在于：所述探头包括通过互成张角的两夹板(2)固定的柔性阵列换能器(1)，柔性阵列换能器(1)引出同轴电缆(3)置于外壳(4)之中并连接同轴电缆线接口(30)；所述夹板(2)上设有用于改变柔性阵列换能器(1)曲率的张角微调装置(5)。

2.根据权利要求1所述的一种可探测曲面工件的超声相控阵探头，其特征在于：所述两夹板(2)的一端相对可转动的铰接为一体，且其中一个夹板(2)固定在外壳(4)上。

3.根据权利要求2所述的一种可探测曲面工件的超声相控阵探头，其特征在于：所述张角微调装置(5)包括通过螺纹配合内置于外壳(4)中的螺杆(50)、调节螺杆(50)在外壳(4)中螺纹前进或后退的旋钮(51)；所述螺杆(50)一端与可转动的夹板(2)接触，另一端与旋钮(51)接触，构成当旋钮(51)转动时、螺杆(50)推动与之接触的夹板(2)使得两夹板(2)张角增大或减小的配合。

4.根据权利要求3所述的一种可探测曲面工件的超声相控阵探头，其特征在于：所述螺杆(50)上装有凹槽滑轮(500)，在与螺杆(50)接触的夹板(2)上设有配合凹槽滑轮(500)卡合的一段导轨(20)；所述凹槽滑轮(500)卡合在该导轨(20)中构成固定螺杆(50)在夹板(2)上的运动轨迹、使螺杆(50)移动时夹板(2)不发生摆动的配合。

5.根据权利要求4所述的一种可探测曲面工件的超声相控阵探头，其特征在于：所述两夹板(2)之间连接有用于使张角随螺杆(50)后退而自动减小的弹簧(21)。

6.根据权利要求1～5任一项所述的一种可探测曲面工件的超声相控阵探头，其特征在于：所述柔性阵列换能器(1)包括依次粘结的柔性匹配层(10)、压电陶瓷晶片构成的振元(11)、聚氨酯片(12)、柔性阻尼背材(14)；其中，所述聚氨酯片(12)设有穿孔，在孔中电镀填充铜，在穿孔两边分别附着阵元(11)和铜电极(13)，铜电极(13)另一面贴附柔性阻尼背材(14)。

7.根据权利要求6所述的一种可探测曲面工件的超声相控阵探头，其特征在于：所述柔性匹配层(10)采用环氧树脂材料；所述柔性阻尼背材(14)采用包括聚氨酯和金属粉末的聚氨酯吸声吸波材料。

8.根据权利要求6所述的一种可探测曲面工件的超声相控阵探头，其特征在于：当探头工作频率为5Hz时，所述柔性阵列换能器(1)设为16个振元(11)，间距为0.55mm，阵元(11)宽度为0.5mm，阵元(11)长度为8.75mm，整个阵列长度为9mm。

9.根据权利要求8所述的一种可探测曲面工件的超声相控阵探头，其特征在于：所述柔性阵列换能器(1)呈弧形，其对应的圆心角不小于120°，即两夹板(2)的张角最小为60°；两夹板(2)的张角最大至柔性阵列换能器(1)呈可探测平面工件的拉直状态。

10.根据权利要求5所述的一种可探测曲面工件的超声相控阵探头，其特征在于：所述弹簧(21)在柔性阵列换能器(1)被拉直时形变达到最大值。