CN108732246B - 一种用于超声导波检测焊缝的收发一体式阵列传感器的设计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于超声导波检测焊缝的收发一体式阵列传感器及其检测方法，属于无损检测技术领域。具体涉及一种采用超声导波对接焊缝缺陷检测的收发一体式阵列传感器的设计，由聚酰亚胺薄膜，镀铜电极，和单位压电晶片组成，所述聚酰亚胺薄膜分割成多个并排的区域，每一个区域上均表贴两个有一定间隔且相对放置的T型镀铜电极，单位压电晶片电极两端分处在所述两个相对放置的T型镀铜电极之上。仅需一个传感器就可以完成全部的检测过程，同时可以随意设定接收和发射晶片组合，方便不同位置晶片发射出信号和所接收到信号的比较，方便实验，利于操作。

Description

一种用于超声导波检测焊缝的收发一体式阵列传感器的设计

技术领域

本发明涉及一种焊缝的无损检测装置，具体涉及一种采用超声导波对接焊缝缺陷检测的收发一体式阵列传感器的设计，属于无损检测技术领域。

背景技术

2013年，严有琪、郭子青、许桢英等人在授权公告号为CN203396753U的专利中提出了一种用于超声导波检测焊缝的可调式探头，它由压电陶瓷片和金属外壳组成，在检测过程中固定在焊缝上，仅作为发射或接收传感器使用。该传感器虽然既可作为发射探头也可作为接收探头使用，但不能同时发射和接收，这导致在一次检测中必须使用两个一个传感器同时进行焊缝检测的信号接收和发射，增加了设备的复杂性。同时，该传感器仅有一块压电陶瓷组成，与焊缝接触有限，产生的信号会被弱化，削弱了检测的准确性。

因此，本发明 提出一种收发一体式阵列传感器，检测中仅需要一个该传感器装备即可完成焊缝的缺陷检测。同时它的使用具有很大的灵活性：可以随意设定接收和发射晶片组合，方便不同位置晶片发射出信号和所接收到信号的比较，方便实验，利于操作。

发明内容

本设计目的是提供一种检测方便、易于操作、便于携带和简化检测设备的装置，适用于不同宽度焊缝检测的收发一体式阵列传感器。

本发明装置的目的通过以下技术方案予以实现：

一种用于超声导波检测焊缝的收发一体式阵列传感器，包括聚酰亚胺薄膜1，镀铜电极2，和单位压电晶片3；所述聚酰亚胺薄膜1分割成多个并排的区域，每一个区域上均表贴两个有一定间隔且相对放置的T型镀铜电极2，单位压电晶片3电极两端分处在所述两个相对放置的T型镀铜电极2之上。

进一步，所述单位压电晶片3电场方向为长度方向，极化方向为宽度方向，内部所产生的粒子振动方向为宽度方向，所激发出波信号方向沿长度方向。

进一步，所述单位压电晶片3电极两端和T型镀铜电极2焊接连接。

进一步，可通过外部信号随意指定任一单位压电晶片3作为发射晶片或接收晶片。

进一步，可在一次检测中同时使用多个发射晶片或多个接收晶片对信号进行对比整合。

本检测方法的技术方案包括以下步骤：

将该传感器放置在涂抹过耦合剂的焊缝前端，其排列方向垂直于焊缝长度方向，并确定发射晶片和接收晶片；

发射晶片并联接入激励信号，接收晶片经过信号放大后接入示波器；

经检测到有效信号后，提取每个接收晶片获取到的缺陷回波信号和端面回波信号所对应的时间，计算得出每个晶片得到的缺陷距离，如有差异，取均值；

将上一步得到的结果与传统焊缝检测传感器进行比较；

根据不同实验方案，适当增加晶片的数量，并根据不同的研究目的，合理调配发射和接收传感器。

进一步，确定的发射晶片和接收晶片采用对称式，中间为发射晶片，两边各有数量相同的接收晶片。

本发明具有以下技术效果：本设计简化了焊缝检测的传感器设备，仅需一个传感器就可以完成全部的检测过程。同时它的使用具有很大的灵活性：可以随意设定接收和发射晶片组合，方便不同位置晶片发射出信号和所接收到信号的比较。

附图说明

图1为压电晶片单元振动模式图；

图2为阵列一体式传感器平铺图；

图3为检测中传感器在焊缝中的排布图；

图4为检测示例中2号和3号晶片接收到的信号图，1为缺陷回波，2为端面回波；

图5为检测示例中4号和5号晶片接收到的信号图，1为缺陷回波，2为端面回波。

图中，1为聚酰亚胺薄膜部分，2为镀铜电极部分，3为压电晶片部分。

具体实施方式

以下通过具体实施方式，对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，本设计中采用的压电陶瓷片的振动模式。在其宽度方向进行极化，长度方向施加电场，这种方式可以产生沿着水平方向传播的横波，应用于焊缝检测中。

如图2所示，本文中设计的阵列式传感器主要分为三个部分：1为聚酰亚胺薄膜部分， 2为镀铜电极部分，3为压电晶片部分。在本设计中，聚酰亚胺薄膜1主要作为压电晶片3的载体，其性能绝缘，并具有一定的柔韧性，可以达到阵列式传感器与焊缝密切接触的要求；每个压电晶片3长度方向的两端都具有一个镀铜电极2，且互为并联关系，这能帮助在检测时选择哪些晶片为接收端哪些晶片为发射端。

如图3所示，为该传感器在检测中的排布方式。压电晶片的长度方向与待检测焊缝的长度方向平行。为几个压电晶片编号为1、2、3、4、5。以1号晶片为发射端，其他为接收端为例：

在1号晶片两端施加信号电压，信号源为5周期的汉宁窗调制波，其中心频率为200kHz。其余晶片电极两端连接信号放大器，再接入示波器。在检测模型中，焊缝尺寸为10*600*3，预先设置的一孔洞缺陷距离焊缝传感器端450mm。

由于该检测方式为对称式，即1号晶片处在2号和3号晶片中心，同时也处在4号和5号晶片中心，因此2号和3号晶片接收的信号一致，4号和5号晶片接收的信号一致。因此，将2号和3号接收到的信号简称为中央信号，如图4所示：1为缺陷回波，2为端面回波；4号和5号信号成为旁侧信号，如图5所示：1为缺陷回波，2为端面回波。

由于中央信号在距离发射端1号晶片更近的位置接收，因此中央信号的源信号远远大于外侧信号。但经比较，其二者的缺陷回波和端面回波并无太大差别，因此检测信号并不会因接收端位置不同而产生影响。

计算信号中缺陷的距离：

设焊缝长度为l，发射端发射信号直至端面产生回波的时间为t，发射端发射信号直至缺陷产生回波的时间为t₁，而缺陷距离传感器端端面的距离为所求d为：

d＝lt₁/t

本例中，针对两个不同的信号：中央信号和外侧信号求两个不同的d₁和d₂，并取平均值与真值比较。

在中央信号中，端面回波最大值对应的时间t为0.440μs，缺陷回波最大值对应的时间 t₁为0.337μs，则经过计算缺陷距离传感器端端面的距离d＝459.545mm，相对误差为2.12％。

在旁侧信号中，端面回波最大值对应时间t同为0.440μs，缺陷回波最大值对应的时间 t₁也为0.337μs，计算出缺陷距离也并无差异。之所以会发生这样的情况主要是由于焊缝长度过长，而2、3号传感器距离4、5号的距离很小，传播路径的夹角近似为0。仅在本例中存在。当需要检测的焊缝长度较小或者接收端为不同的组合时，最后结果会产生微小的差异。

综上，本发明公开了一种用于超声导波检测焊缝的收发一体式阵列传感器及其检测方法，具体涉及一种采用超声导波对接焊缝缺陷检测的收发一体式阵列传感器的设计，属于无损检测技术领域。由聚酰亚胺薄膜，镀铜电极，和单位压电晶片组成，仅需一个传感器就可以完成全部的检测过程，同时可以随意设定接收和发射晶片组合，方便不同位置晶片发射出信号和所接收到信号的比较，方便实验，利于操作。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (2)

1.一种用于超声导波检测焊缝的收发一体式阵列传感器，其特征在于，包括聚酰亚胺薄膜(1)，镀铜电极(2)，和单位压电晶片(3)；

所述聚酰亚胺薄膜(1)分割成多个并排的区域，每一个区域上均表贴两个有一定间隔且相对放置的T型镀铜电极(2)，单位压电晶片(3)电极两端分处在所述两个相对放置的T型镀铜电极(2)之上；

所述单位压电晶片(3)电场方向为长度方向，极化方向为宽度方向，内部所产生的粒子振动方向为宽度方向，所激发出波信号方向沿长度方向；

所述单位压电晶片(3)电极两端和T型镀铜电极(2)焊接连接；

通过外部信号随意指定任一单位压电晶片(3)作为发射晶片或接收晶片；

在一次检测中同时使用多个发射晶片或多个接收晶片对信号进行对比整合。

2.根据权利要求1所述的一种用于超声导波检测焊缝的收发一体式阵列传感器的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

将该传感器放置在涂抹过耦合剂的焊缝前端，其排列方向垂直于焊缝长度方向，并确定发射晶片和接收晶片；

发射晶片并联接入激励信号，接收晶片经过信号放大后接入示波器；

经检测到有效信号后，提取每个接收晶片获取到的缺陷回波信号和端面回波信号所对应的时间，计算得出每个晶片得到的缺陷距离，如有差异，取均值；

将上一步得到的结果与传统焊缝检测传感器进行比较；

根据不同实验方案，适当增加晶片的数量，并根据不同的研究目的，合理调配发射和接收晶片；

确定的发射晶片和接收晶片采用对称式，中间为发射晶片，两边各有数量相同的接收晶片。

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