CN107688050A - 一种空气耦合超声相控阵检测装置 - Google Patents

Abstract

一种空气耦合超声相控阵检测装置，发射信号由超声波发射接收器发送到空耦超声波探头，探头激发出的超声波以一定角度入射到被检测试件内部；包含有试件内部缺陷信息的回波信号被超声波探头接收并传输至信号接收器，信号经过前置放大器放大进入数据处理单元，经过延时叠加和成像处理，完成某一角度的扫描结果成像。不用移动探头，通过不同的发射脉冲设置即可完成多个角度及深度方向上的扫描，获取被检测试件内容大范围的检测结果。因为采用空气耦合超声探头，工作时无需接触检测表面，延长了探头的使用寿命；通过前期对发射波形进行参数设置，可以优化控制焦柱长度、焦点尺寸和声束方向，在分辨力、信噪比、缺陷检出率等方面具有一定的优越性。

Description

一种空气耦合超声相控阵检测装置

技术领域

本发明涉及超声波无损检测技术领域，具体涉及一种空气耦合超声相控阵检测装置。

背景技术

在超声波检测中，利用耦合剂或液态介质作为传播介质的检测方法占主导地位。虽然电磁超声波传感器和激光超声波可以用来作为非接触测试的方法，但与常规超声技术相比，波束和焦点都难以控制，且需要特殊设备满足声波激励和接收带来的问题。同时还需要使用遮光眼镜等安全措施防止激光超声和电磁超声对人体造成伤害，限制了其应用范围。

非接触空气耦合超声检测技术具有非接触、非破坏、非浸入及安全无害的特点，具有很好的应用前景。它可以实现真正的非接触检测，不存在换能器的磨损，可进行原位快速扫描。但由于换能器材料与空气声阻抗不匹配，空气耦合超声波换能器具有效率低、频带窄、脉冲余振长等缺点，因此，空气耦合超声检测方法参数，如灵敏度、信噪比和分辨率均低于常规超声检测方法。要实现非接触式空气耦合超声检测系统的实际应用，必须提高换能器效率等参数，来满足超声波能够通过空气进入检测工件和通过空气接收足够强度信号的检测要求。

相控阵技术的主要特点是多晶片探头中各晶片的激励，振幅和延时均由计算机控制，压电复合晶片受激励后能产生超声聚焦波束声束参数如角度、焦距和焦点尺寸等均可通过软件调整。扫描声束是聚焦的，能以镜面反射方式检出不同方位的缺陷。在反射波的接收过程中，按一定规则和时序控制接收单元的接收并进行信号合成，再将合成结果以适当形式显示。

空气耦合超声相控阵技术的一些主要优点上：

1.非接触性。采用空气耦合超声探头，工作时无需接触检测表面，不需要耦合剂，大大延长了探头的使用寿命。

2.灵活性好。用一个相控阵探头就能涵盖多种应用，而普通超声探头应用单一有限。

3.电子配置。通过文件装载和校准就能进行配置，通过预置文件就能完成不同参数调整。

4.探头小巧。可对某些特殊检测环境及对象进行检测。

5.速度快。相控阵技术可进行多角度及深度的扫描，比通常的单探头扫描速度大幅提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种空气耦合超声相控阵检测装置，扫查过程无需人工操作，具有非接触、非破坏、非浸入、全智能、缺陷扫查类型多、检测效率高等优点。

为了解决背景技术所存在的问题，本发明是采用以下技术方案：一种空气耦合超声相控阵检测装置，它涉及超声波无损检测技术领域。该装置包括超声波发射接收器、前置放大器、信号采集单元、数据处理单元、显示装置、多路转换器、空气耦合相控阵探头及连接线等。超声波发射接收器主要负责发射电脉冲和接收回波信号转换后的电信号；前置放大器主要负责对回波信号的放大处理；信号采集单元负责将模拟信号变换为数字信号；数据处理单元负责发射信号的参数设置及回波信号的叠加处理等；显示装置负责显示处理后的回波信号；多路转换器负责将单通道的发射信号转换为多个通道的发射信号；空气耦合相控阵探头负责发射和接收超声波。

作为本发明的进一步改进；所述的空气耦合超声相控阵检测装置，因为采用相控阵技术，按一定的规则和时序用电子系统控制激发各个单元，生成可控的声束角度和聚焦深度，使阵列中各单元发射的超声波叠加形成一个新的波阵面。同样，在反射波的接收过程中，按一定规则和时序控制接收单元的接收并进行信号合成，扫描角度和深度可以由操作者定义，扫描速度大幅提高；

作为本发明的进一步改进；所述的空气耦合超声相控阵检测装置，采用空气耦合超声探头，工作时无需接触检测表面，不需要耦合剂，大大延长了探头的使用寿命。

作为本发明的进一步改进；所述的空气耦合超声相控阵检测装置，扫描过程可以实现不移动探头或尽量少移动探头，因此不需要复杂的扫查装置，甚至无需更换探头；

作为本发明的进一步改进；通过前期对发射波形进行参数设置，可以优化控制焦柱长度、焦点尺寸和声束方向，在分辨力、信噪比、缺陷检出率等方面具有一定的优越性。

本发明的检测原理具体如下，在发射过程中，超声波发射接收器将触发信号传送至多路转换器，后者将信号变换成特定的高压电脉冲，脉冲宽度预先设定，而时间延迟由聚焦深度决定；每个晶片只接收一个电脉冲，所产生的超声波束有一定角度，并聚焦在一定深度，该声束遇到缺陷即反射回来，接收回波信号后，数据处理单元按照各针对相对聚焦点的距离对回波信号做延时叠加，并将这些信号汇合一起，形成一个脉冲信号，并将结果显示在显示单元上。

采用上述技术方案后，本发明具有以下有益效果：

可以用单探头在固定位置检出不同位置和任意方向的缺陷；提高了超声检测结果的信噪比和定量能力；可以对非接触有特殊要求的部件进行检测；缩短在用设备维修检测时间，提高生产效率；具有非接触、扫查范围广、检测效率高等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的装置检测的结构模块示意图；

图2为本发明所提供的装置中探头工作原理示意图；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面以一侧钢轨四对空气耦合超声换能器为例进行说明。

请参阅图1，本具体实施方式采用以下技术方案：一种空气耦合超声相控阵检测装置，它包含超声波发射接收器1、前置放大器2、显示装置3、多路转换器4、空气耦合相控阵探头5，信号采集处理单元6等。超声波发射接收器1主要负责发射电脉冲和接收回波信号转换后的电信号；前置放大器2主要负责对回波信号的放大处理；信号采集单元负责将模拟信号变换为数字信号；数据处理单元6负责发射信号的参数设置及回波信号的叠加处理等；显示装置3负责显示处理后的回波信号；多路转换器4负责将单通道的发射信号转换为多个通道的发射信号；空气耦合相控阵探头5负责发射和接收超声波。7为被检测试件，8为试件内部的缺陷，探头和试件之间是空气，无需耦合剂。

请参阅图1和图2，图2为本发明所提供的装置中探头工作原理示意图，空气耦合相控阵探头5中包含多个晶片9，通过控制激发每一个晶片的脉冲信号，可以控制每个晶片激发超声波的时间，经过这样的时延，当多路晶片均发射超声波后，会形成可控方向的超声波波束10，从而形成某个方向上的波阵面11。

一种空气耦合超声相控阵检测装置工作过程如下：开始检测前，通过超声波发射接收器及信号采集及处理单元设置每一通道的发射频率、采样频率、电压能量等参数，完成设置后，开始检测过程；发射信号由超声波发射接收器发送到空耦或接触式超声波探头，探头激发出的超声波以一定角度入射到被检测试件内部；超声波信号在被检测试件内部发生折射和反射，最终包含有试件内部缺陷信息的回波信号被超声波探头接收并传输至信号接收器，信号经过前置放大器放大被信号采集单元转换为数字信号，进入数据处理单元，经过延时叠加和成像处理，完成某一角度的扫描结果成像。不用移动探头，通过不同的发射脉冲设置即可完成多个角度及深度方向上的扫描，获取被检测试件内容大范围的检测结果。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (3)

1.一种空气耦合超声相控阵检测装置，其特征在于采用空气耦合超声相控阵探头，非接触空气耦合超声检测技术具有非接触、非破坏、非浸入及安全无害的特点，可以实现真正的非接触检测，不存在换能器的磨损，可进行原位快速扫描。

2.根据权利要求1所述的一种空气耦合超声相控阵检测装置，其特征在于它采用相控阵技术，相控阵技术的主要特点是多晶片探头中各晶片的激励，振幅和延时均由计算机控制，压电复合晶片受激励后能产生超声聚焦波束声束参数如角度、焦距和焦点尺寸等均可通过软件调整。扫描声束是聚焦的，能以镜面反射方式检出不同方位的缺陷。在反射波的接收过程中，按一定规则和时序控制接收单元的接收并进行信号合成，再将合成结果以适当形式显示。

3.根据权利要求1所述的一种空气耦合超声相控阵检测装置，其特征在于通过前期对发射波形进行参数设置，可以优化控制焦柱长度、焦点尺寸和声束方向，在分辨力、信噪比、缺陷检出率等方面具有一定的优越性。