CN105699495A - 一种便携式的超声波探头压力调控装置和使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式的超声波探头压力调控装置，包括夹持机构、探头调节机构和压力传感机构。本发明的装置利用压敏传感器实现超声波探头与试样间耦合压力的控制，通过数显方式显示超声波探头与试样间耦合压力，不仅保证超声波探头与试样间耦合压力的恒定(即超声波信号稳定)，而且避免超声波信号采集过程中不断添加耦合剂对超声波信号的影响。解决了现有超声波评价应力技术中超声波探头与试样耦合状态不稳定影响超声波评价应力，且便于不同方向上应力的测量。本发明还公开了便携式的超声波探头压力调控装置的使用方法。

Description

一种便携式的超声波探头压力调控装置和使用方法

技术领域

本发明属于超声波无损评价技术领域，具体涉及的是一种超声波探头夹具和使用方法。

背景技术

经济社会的快速发展使焊接材料和焊接方法的发展呈现出多样化趋势，焊接结构的应用日益广泛，如船舶、汽车工业、石油管道、航空航天等领域。焊接结构件的失效不仅对企业以及社会造成经济损失，而且会对工作人员的生命安全造成威胁，因而焊接结构件的服役安全保证对焊接技术在工业领域的发展及应用就至关重要。相关研究表明，影响焊接结构服役安全的因素众多，焊接残余应力是导致其失效的重要因素之一。因而，探讨可实现焊接结构残余应力的评价方法对焊接结构件服役安全的保证就显得极为重要。目前，焊接残余应力评价方法可分为有损评价与无损评价两类。有损评价法，如盲孔法、逐层剥削法等，是在破坏工件完整性基础上实现残余应力的评价，该类方法虽可实现残余应力的评价，但不适于现场检测，且由于抽样检测不可避免对焊接结构服役带来安全隐患，因而其应用受到一定程度限制。无损评价法，如声学法、射线法、光学法等，是在保证工件完整性基础上实现残余应力的评价。相对而言，超声波法具有快速、安全、方便、可实现在线评价等优点，因而引起众多学者的广泛关注。

超声波法是基于超声波声弹性理论实现应力评价的一种方法，即超声波传播速度与应力呈严格线性关系，但该声弹性效应为一种弱效应，一般而言，应力改变100MPa，超声波在铝合金中的传播速度改变量约为0.1％，因而实验过程中超声波传播速度的精确测量难度大。为此，探索可替代超声波传播速度实现应力评价的特征参量就亟待解决。基于超声波声弹性理论分析认为，超声波通过相同距离的传播时间差可作为超声波评价应力的特征参量。目前，超声波传播时间差计算方法众多，但稳定的超声波信号(决定于超声波探头与试样间耦合压力)是影响甚至决定其计算精度的关键。超声波在介质中传播理论表明，耦合剂种类及厚度、施加在超声波探头上的压力、超声波信号采集过程中试样长度变化等均会影响超声波探头与试样间的耦合压力。因而，控制超声波探头与试样间耦合压力而获得稳定的超声波信号也就成为决定超声波评价应力精度的关键。

发明内容

为解决这一问题，本发明利用压敏传感器实现超声波探头与试样间耦合压力的控制，通过数显方式显示超声波探头与试样间耦合压力，在此基础上设计一种便携式的超声波探头压力调控装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种便携式的超声波探头压力调控装置，包括夹持机构、探头调节机构和压力传感机构；其中夹持机构包括一个探头夹持座，在探头夹持座的轴向上下两端各设有一个工件夹持机构，在工件夹持机构之间通过探头调节机构连接有超声波探头机构；所述超声波探头机构包括一个探头罩，所述探头罩包括一个用于安装超声波探头的探头固定位，在探头罩的顶端中部对应探头固定位的背部位置设置有芯片槽；

在所述探头夹持座的中部对应超声波探头机构的位置还设置有一个导杆，导杆穿过探头夹持座自由移动；所述导杆上设置有一个支撑部，所述导杆通过支撑部将一个压缩弹簧顶压在芯片槽内，通过移动导杆，使得压缩弹簧被放松或者压缩；

在所述探头夹持座背部对应导杆的安装位置还设置有至少一个导轨孔，所述导轨孔呈一个以导杆的轴线为圆心的圆弧形，在所述探头罩上设置有一个与导轨孔对应的销钉，所述销钉穿过导轨孔，通过销钉沿导轨孔作弧形移动，驱动探头罩旋转；

所述压力传感机构包括一个安装在芯片槽内的压敏传感器，以及与压敏传感器连接的压力传感显示模块。

作为本发明的进一步创新，所述工件夹持机构包括一个活动夹板和一个固定夹板，所述活动夹板和探头夹持座固定连接，所述活动夹板和固定夹板之间通过螺钉连接，通过旋转螺钉改变活动夹板和固定夹板的间距。

下作为本发明的进一步创新，所述下端工件夹持机构的活动夹板A与固定夹板A的接触面为光滑圆弧面，所述上端工件夹持机构的活动夹板B与固定夹板B的接触面为平面。

作为本发明的进一步创新，所述固定夹板与探头夹持座为一体结构。

作为本发明的进一步创新，所述探头罩内部对应探头固定位的底端设有耦合剂储存槽，在探头夹持座的的顶部设置有一个耦合剂输送孔，耦合剂输送孔与耦合剂储存槽之间通过软管连接，

作为本发明的进一步创新，所述导杆与探头夹持座之间通过螺纹固定连接。

作为本发明的进一步创新，所述导轨孔的数量为偶数，导轨孔两两成对设置，导轨孔的弧度为90°，导轨孔的顶部端点与导杆轴心之间的连线与探头夹持座的纵轴平行。

作为本发明的进一步创新，所述压缩弹簧与压敏传感器的接触端设置有一个压片，所述压片与压敏传感器表面接触。

一种便携式的超声波探头压力调控装置的使用方法，包括如下步骤：

步骤1：将超声波探头安装在探头罩内部，将试样通过工件夹持机构夹持在探头夹持座上，使得试样与探头罩内的超声波探头位置相对应位置；

步骤2：在探头罩内填入耦合剂，以保证超声波探头与试样的耦合良好；

步骤3：启动压敏传感器的工作电路，推动导杆，使得压缩弹簧将探头罩紧顶在试样上，经压敏传感器，由压力传感显示模块获得超声波探头与试样间耦合压力数值；

步骤4：通过调节导杆改变超声波探头与试样间的压力，将超声波探头压紧到试样上；当压力传感显示模块中压力数值增幅变小并趋于稳定时，表示已经超声波探头已经压紧到试样上，停止调整导杆，并使得压力恒定，待超声波探头的超声波信号稳定后，进行静载拉伸试验；

步骤5：通过推动销钉，使得销钉沿导轨孔移动，通过移动的销钉改变探头罩内超声波探头相对于试样的角度，改变对试样不同位置的检测，获得0°、90°及其中间任意角度时的实验数据。。

本发明的有益效果是：

1、通过本装置不仅可以保证超声波探头与试样间耦合压力的恒定(即超声波信号稳定)，而且可以避免超声波信号采集过程中不断添加耦合剂对超声波信号的影响。

2、耦合剂可以自动输送和存储，保证在试验过程中超声波探头与试样的良好耦合以及便于自动添加耦合剂。

3、通过螺钉连接的活动式夹持机构具有较大的夹持区间，可以方便的实现试样的紧固与放松。

4、本发明的试件长度会发生变化，探头与试样会产生相对滑动，对超声波信号采集产生一定的影响，其中光滑面的活动夹板A内侧贴有增加摩擦力的橡胶垫，下方的活动夹板B的接触面加工成圆弧状可以减小试样与紧固端的摩擦阻力。

5、固定夹板与探头夹持座的一体结构可以保证一定的强度。

6、对称的导杆结构可以提高结构的强度，保证探头罩旋转时的稳定性。

7、探头罩内部的耦合剂储存槽紧靠超声波探头，保证良好的耦合效果。

附图说明

图1是本发明的一种便携式的超声波探头压力调控方法与装置的立体图；

图2是本发明的一种便携式的超声波探头压力调控方法与装置的剖视图；

图3是所述探头夹持座1俯视图；

图4是所述探头罩2的俯视图；

图5是所述压力传感模块8电路构建框图；

图6是所述压力传感模块8程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1～4所示，一种便携式的超声波探头压力调控装置，包括夹持机构、探头调节机构和压力传感机构；其中夹持机构包括一个探头夹持座1，在探头夹持座1的轴向上下两端各设有一个工件夹持机构，在工件夹持机构之间通过探头调节机构连接有超声波探头机构；

所述工件夹持机构包括一个活动夹板和一个固定夹板，所述活动夹板和探头夹持座1固定连接，所述活动夹板和固定夹板之间通过螺钉连接，通过旋转螺钉11改变活动夹板和固定夹板的间距，以满足不同宽度试样的夹持，在试样拉伸过程中，试件长度会发生变化，探头与试样会产生相对滑动，对超声波信号采集产生一定的影响，所述底部工件夹持机构5的活动夹板A与固定夹板A的接触面为光滑圆弧面，用于减少与试样之间的摩擦阻力，所述顶部工件夹持机构4的活动夹板B与固定夹板B的接触面为平面，并贴有增加摩擦力的橡胶垫。

所述超声波探头机构包括一个探头罩2，所述探头罩2包括一个用于安装超声波探头的探头固定位，在探头罩2的顶端中部对应探头固定位的背部位置设置有芯片槽，芯片槽的深度为3mm左右，用于固定压敏传感器，所述探头罩2内部对应探头固定位的底端设有耦合剂储存槽10，在探头夹持座1的的顶部设置有一个耦合剂输送孔9，耦合剂输送孔9与耦合剂储存槽10之间通过软管连接，通过上述结构实现耦合剂的存储，保证在试验过程中超声波探头与试样的良好耦合以及便于自动添加耦合剂；

在所述探头夹持座1的中部对应超声波探头机构的位置还设置有一个导杆6，导杆6结构如图2所示，导杆6穿过探头夹持座1，与探头夹持座1顶端中心的螺纹圆孔相匹配；所述导杆6上设置有一个支撑部，在支撑部上设置有一个圆形的压片，在压片与支撑部之间还设置有一个舒张弹簧3，在舒张弹簧3的顶压下，圆片压紧在压敏传感器上；

在探头夹持座1上还设置有一个压力传感模块8，在压力传感模块8内设置有与压敏传感器连接的压力传感显示模块8；压力传感显示模块8主要由薄膜式压敏传感器、放大滤波电路、A/D转换器、LCD数字显示屏组成，压敏传感器粘贴在探头罩2表面芯片槽内部，传感器的导线通过探头夹持座1上方的通孔连接到压力传感模块8内部电路板上；电阻变化引起的电压变化与压强变化成线性关系，压片的面积为定值，与压力成线性关系。压敏传感器的输出信号经过差动放大电路，放大滤波电路，将微弱的噪声信号经过放大和滤波，满足A/D转换器的要求，将模拟信号转换成所需的数字信号由单片机采集存储到地址单元，采集数据经由单片机代换处理，存储到50H整数部分和51H小数部分，将结果转换成压力数值，调用LCD液晶显示程序，显示的数值即为耦合压力。

在所述探头夹持座1背部对应导杆6的安装位置还设置有两个呈中心对称的导轨孔，所述导轨孔呈一个以导杆6的轴线为圆心的圆弧形，在所述探头罩2上设置有一个与导轨孔对应的销钉7，销钉7为钉状机构，其尺寸与探头罩2顶端表面的销钉7槽孔径相匹配，通过探头夹持座1上方的通孔插入探头罩2，用以固定探头罩2和便于超声波探头角度的选择；

试验时，如图5、图6所示，将超声波探头安装在探头罩2内部，将探头罩2通过螺栓紧固端固定在试样上。将软管通过探头夹持座1底部的耦合剂输送孔9，与探头罩2内部的耦合剂储存槽10相连，通过外部耦合剂压力容器“挤压”使耦合剂进入并充满存储槽，以保证超声波探头与试样间实现良好耦合。启动压力传感模块8程序，初始化程序，顺时针旋转导杆6，使弹簧压片将探头罩2紧顶在试样上，经压力传感模块8显示超声波探头与试样间耦合压力数值，通过超声波信号采集仪器观察超声波信号，调节(顺/逆时针旋转)导杆6实现超声波探头与试样间耦合压力的调控，当压力传感显示模块输出的数据为160N时，停止调整导杆，并使得压力恒定压力；

其中，导杆每旋转θ角度，施加的压力(其实施加的压力倒不是重点)为

$F=k\frac{\mathrm{\θ}\·h}{2\mathrm{\π}}$

在中，k为弹簧弹力系数，h为导杆螺纹螺距；待超声波信号稳定，进行静载拉伸试验，改变对试样不同位置的检测，获得0°、90°及其中间任意角度时的实验数据。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (9)

1.一种便携式的超声波探头压力调控装置，其特征是：包括夹持机构、探头调节机构和压力传感机构；其中夹持机构包括一个探头夹持座，在探头夹持座的轴向上下两端各设有一个工件夹持机构，在工件夹持机构之间通过探头调节机构连接有超声波探头机构；所述超声波探头机构包括一个探头罩，所述探头罩包括一个用于安装超声波探头的探头固定位，在探头罩的顶端中部对应探头固定位的背部位置设置有芯片槽；

在所述探头夹持座的中部对应超声波探头机构的位置还设置有一个导杆，导杆穿过探头夹持座自由移动；所述导杆上设置有一个支撑部，所述导杆通过支撑部将一个压缩弹簧顶压在芯片槽内，通过移动导杆，使得压缩弹簧被放松或者压缩；

在所述探头夹持座的背部对应导杆的安装位置还设置有至少一个导轨孔，所述导轨孔呈一个以导杆的轴线为圆心的圆弧形，在所述探头罩上设置有一个与导轨孔对应的销钉，所述销钉穿过导轨孔，通过销钉沿导轨孔作弧形移动，驱动探头罩旋转；

所述压力传感机构包括一个安装在芯片槽内的压敏传感器，以及与压敏传感器连接的压力传感显示模块。

2.如权利要求1所述的一种便携式的超声波探头压力调控装置，其特征是：所述工件夹持机构包括一个活动夹板和一个固定夹板，所述活动夹板和探头夹持座固定连接，所述活动夹板和固定夹板之间通过螺钉连接，通过旋转螺钉改变活动夹板和固定夹板的间距。

3.如权利要求2所述的一种便携式的超声波探头压力调控装置，其特征是：所述下端工件夹持机构的活动夹板A与固定夹板A的接触面为光滑圆弧面，所述上端工件夹持机构的活动夹板B与固定夹板B的接触面为平面。

4.如权利要求2所述的一种便携式的超声波探头压力调控装置，其特征是：所述固定夹板与探头夹持座为一体结构。

5.如权利要求1所述的一种便携式的超声波探头压力调控装置，其特征是：所述探头罩内部对应探头固定位的底端设有耦合剂储存槽，在探头夹持座的顶部设置有一个耦合剂输送孔，耦合剂输送孔与耦合剂储存槽之间通过软管连接。

6.如权利要求1所述的一种便携式的超声波探头压力调控装置，其特征是：所述导杆与探头夹持座之间通过螺纹固定连接。

7.如权利要求1所述的一种便携式的超声波探头压力调控装置，其特征是：所述导轨孔的数量为偶数，导轨孔两两成对设置，导轨孔的弧度为90°，导轨孔的顶部端点与导杆轴心之间的连线与探头夹持座的纵轴平行。

8.如权利要求1所述的一种便携式的超声波探头压力调控装置，其特征是：所述压缩弹簧与压敏传感器的接触端设置有一个压片，所述压片与压敏传感器表面接触。

9.一种如权利要求1所述的一种便携式的超声波探头压力调控装置的使用方法，其特征是：包括如下步骤：

步骤1：将超声波探头安装在探头罩内部，将试样通过工件夹持机构夹持在探头夹持座上，使得试样与探头罩内的超声波探头位置相对应位置；

步骤2：在探头罩内填入耦合剂，以保证超声波探头与试样的耦合良好；

步骤3：启动压敏传感器的工作电路，推动导杆，使得压缩弹簧将探头罩紧顶在试样上，经压敏传感器，由压力传感显示模块获得超声波探头与试样间耦合压力数值；

步骤4：通过调节导杆改变超声波探头与试样间的压力，将超声波探头压紧到试样上；当压力传感显示模块中压力数值增幅变小并趋于稳定时，表示超声波探头已经压紧到试样上，停止调整导杆，并保持压力恒定，待超声波探头的超声波信号稳定后，进行静载拉伸试验；

步骤5：通过推动销钉，使得销钉沿导轨孔移动，通过移动的销钉改变探头罩内超声波探头相对于试样的角度，改变对试样不同位置的检测，获得0°、90°及其中间任意角度时的实验数据。