CN110361454B - 一种螺栓探头及其单晶片尺寸设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种螺栓探头及其单晶片尺寸设计方法，所述方法包括：根据待检测螺栓的直径确定圆形晶片的外径并进一步计算出单晶片的外弧长；然后计算出圆形晶片的发射声场的近场区长度和未扩散区长度；之后再通过单晶片长度的最大值计算公式计算出单晶片的最大长度；最后通过单晶片的最大长度计算出圆形晶片的最大内径，并进一步计算出单晶片的最大内弧长。本发明设计的探头晶片可以在检测过程中使得螺纹倾斜面产生的螺纹反射信号不被激发晶片接收到，也就不会产生螺纹反射信号，避免干扰对检测结果的分析与判断，使检测结果更加可靠。
Description
技术领域
本发明涉及超声检测技术领域，特别涉及一种螺栓探头及其单晶片尺寸设计方法。
背景技术
螺栓是工业装备中的标准配件之一，作为各种设备的连接件，具有施工简单、受力性能好、可拆换、耐疲劳以及在动力荷载作用下不致松动等优点，其往往在复杂的应力、高温高压、周期振动等各种恶劣工况下工作，很容易产生疲劳裂纹。为了确保工业生产安全，我们必须尽可能早的发现裂纹缺陷，以便及时更换。因此如何能检测更小裂纹缺陷，更快更方便的发现缺陷，一直是螺栓检测的重点难点。
在实际的检测过程中，一般用螺栓探头采用超声波检测技术对螺栓进行检测，但是由于螺栓上的含有螺牙纹，该结构会产生大量的超声反射信号，干扰检测效果，制约着螺栓检测技术的普及。
因而现有技术还有待改进和提高。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种螺栓探头及其单晶片尺寸设计方法，能够设计出一种有效检测螺栓缺陷、避免螺纹信号干扰的螺栓探头。
为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：
一种螺栓探头的单晶片尺寸设计方法，包括如下步骤：
根据待检测螺栓的直径确定圆形晶片的外径并进一步计算出单晶片的外弧长，其中，所述圆形晶片由多个晶片组组成，每个晶片组均包括若干个单晶片；
计算出晶片组的发射声场的近场区长度；
通过晶片组的发射声场的近场区长度计算出晶片组的发射声场的未扩散区长度；
通过单晶片长度的最大值计算公式计算出单晶片的最大长度；
通过单晶片的最大长度计算出圆形晶片的最小内径，并进一步计算出单晶片的最小内弧长。
优选的，所述的螺栓探头的单晶片尺寸设计方法中，所述圆形晶片的外径比待检测螺栓的直径小3mm-4mm。
优选的，所述的螺栓探头的单晶片尺寸设计方法中，所述待检测螺栓的螺纹倾斜面夹角为60°。
优选的，所述的螺栓探头的单晶片尺寸设计方法中，所述单晶片的外弧长计算公式为a1＝πD/n，其中，D为圆形晶片的外径，a1为单晶片的外弧长，n为各个晶片组的单晶片数量之和。
优选的，所述的螺栓探头的单晶片尺寸设计方法中，所述晶片组的发射声场的近场区长度的计算公式为：
N＝A/πλ，其中，N为圆形晶片的发射声场的近场区长度，A为一个晶片组的的面积，λ为超声波的波长。
优选的，所述的螺栓探头的单晶片尺寸设计方法中，所述晶片发射声场的未扩散区长度计算公式为：
b＝1.64N，其中，b为晶片组的发射声场的未扩散区长度，N为晶片组的发射声场的近场区长度。
优选的，所述的螺栓探头的单晶片尺寸设计方法中，所述单晶片长度的最大值计算公式为：
优选的，所述的螺栓探头的单晶片尺寸设计方法中，所述圆形晶片的最小内径的计算公式为d＝D-s，其中，d为圆形晶片的最小内径，D为圆形晶片的外径，s为单晶片长度的最大值。
优选的，所述的螺栓探头的单晶片尺寸设计方法中，所述单晶片的最大内弧长的计算公式为a2＝πd/n，其中，a2为单晶片的最小内弧长，d为圆形晶片的最小内径，n为各个晶片组的单晶片数量之和。
一种螺栓探头，所述螺栓探头包括若干个探头晶片，所述探头晶片的尺寸采用如上所述的螺栓探头的单晶片尺寸设计方法设计。
相较于现有技术，本发明提供的螺栓探头及其单晶片尺寸设计方法中，所述方法包括：根据待检测螺栓的直径确定圆形晶片的外径并进一步计算出单晶片的外弧长，所述圆形晶片由多个晶片组组成，每个晶片组均包括若干个单晶片；然后计算出晶片组的发射声场的近场区长度和未扩散区长度；之后再通过单晶片长度的最大值计算公式计算出单晶片的最大长度；最后通过单晶片的最大长度计算出圆形晶片的最小内径，并进一步计算出单晶片的最小内弧长。本发明设计的探头晶片可以在检测过程中使得螺纹倾斜面产生的螺纹反射信号不被激发晶片接收到，也就不会产生螺纹反射信号，避免干扰对检测结果的分析与判断，使检测结果更加可靠。
附图说明
图1为本发明提供的螺栓探头的单晶片尺寸设计方法一实施方式的流程图。
图2为本发明中待检测螺栓一实施方式的示意图。
图3为本发明提供的螺栓探头一实施方式的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供一种螺栓探头及其单晶片尺寸设计方法，能够设计出一种有效检测螺栓缺陷、避免螺纹信号干扰的螺栓探头。
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，本发明提供的一种螺栓探头的单晶片尺寸设计方法，包括如下步骤：
S100、根据待检测螺栓的直径确定圆形晶片的外径并进一步计算出单晶片的外弧长，其中，所述圆形晶片由多个晶片组组成，每个晶片组均包括若干个单晶片。
具体来说，在进行设计时，须首先确定待检测螺栓的直径，然后再确定圆形晶片的外径，其中，本发明中的圆形晶片由多个晶片组组成，每个晶片组均包括若干个单晶片，每个晶片组中的单晶片数量相同，在具体实施时，各个晶片组的单晶片数量可以为8，16等等，晶片组的数量可以为4,8等等，为了方便说明，以下以图3中的64单晶片组成的圆形晶片为例来进行详细说明。
请参阅图3，在一个具体实施例中，所述圆形晶片由64个单晶片组成(8个晶片组，每个晶片组的单晶片数量为8个)，换而言之，以圆形晶片圆心为坐标，向外均分64等分，每一等分即为一个单晶片，参阅图3所示，故可推知，单晶片的长度即为圆形晶片的内外径之差，所以在知道了圆形晶片的外径以及单晶片的长度后，即可得到圆形晶片的内径，优选的，单晶片之间的间距一般为0.1mm，当然在实际使用时，此间距还可设置为其他数字，本发明对此不做限定。
进一步来说，在具体工作时，64个晶片依次编号为1-64号，以每8个晶片分为一组依次进行激发超声波，当1－8号晶片开始激发超声波后，2-9号晶片为一组进行激发，以此类推在圆周方向上循环发射超声波信号，则该种聚焦法则在不需要移动或者旋转螺栓探头的前提下，控制超声波信号在螺栓紧固件圆周方向上360°的覆盖并且形成柱面导波信号；柱面导波信号在螺栓紧固件内部传播距离长，可100％覆盖整个螺栓紧固件的结构，达到一次性全检的目的。
进一步的，为了达到最优的检测效果，本发明将圆形晶片的外径设置为比待检测螺栓的直径小3mm-4mm，在此直径下，可达到最佳的检测效果。故在通过待检测螺栓的直径可获取圆形晶片的外径，然后可进一步的获取所述单晶片的外弧长，具体实施时，所述单晶片的外弧长计算公式为a1＝πD/n，其中，D为圆形晶片的外径，a1为单晶片的外弧长，n为各个晶片组的单晶片数量之和，本实施例中，n为64，需要说明的是，本发明采用的计算公式为理论计算公式，以单晶片之间的间距为0来进行计算，本发明中待检测螺栓的螺纹倾斜面夹角为60°。
S200、计算出晶片组的发射声场的近场区长度。
具体来说，波源附近由于波的干涉而出现一系列声压极大值极小值的区域，称为超声场的近场区，近场区可以理解为探头盲区，其中，所述晶片组的发射声场的近场区长度的计算公式为：
N＝A/πλ，其中，N为圆形晶片的发射声场的近场区长度，A为一个晶片组的面积，λ为超声波的波长，在本实施例中，A等于8个单晶片的面积之和，单晶片的面积可通过其长度乘其外弧长来近似得到，当然，在实际使用时，还应考虑单晶片之间的间隙，单个间隙的面积可由单晶片的长度乘以单晶片之间的间距得到。
S300、通过晶片组的发射声场的近场区长度计算出晶片组的发射声场的未扩散区长度。
具体来说，在晶片工作时，声束在传播过程中首先要行走一段距离b，该距离指晶片发射声场中的未扩散区，当声束在b距离以内时不发生扩散，以垂直于晶片的方向传播，且由于晶片与螺栓的位置关系，声束不会与螺纹发生反射。当声束行走距离超过b时，即进入扩散区时，声束会产生扩散，传播方向由原来的垂直于晶片转变为向外扩散。该扩散角度α使得原本不与螺纹倾斜面接触的声束信号产生反射，通过反射路径至探头晶片，被探头晶片接收后形成螺纹反射波信号。其中，所述晶片发射声场的未扩散区长度计算公式为：
b＝1.64N，其中，b为晶片组的发射声场的未扩散区长度，N为晶片组的发射声场的近场区长度。
S400、通过单晶片长度的最大值计算公式计算出单晶片的最大长度。
具体来说，声束初期扩散角度α在一定范围内较小，约为0°-3°，可以忽略不计。因此在实际计算中以声束垂直入射至螺纹倾斜面为准。同时由于待检测螺栓的螺纹倾斜面标准夹角为60°，请参阅图2，经过简单几何分析可知图2中C为60°，因此，声束在F点经反射到达螺栓端面后，所形成的距离为s,
换而言之，当单晶片长度小于距离s时，由于长度不够，其是不能接收到反射回来的螺纹反射信号的，所以本发明在设计时，为了避免接收螺纹反射信号，将单晶片长度的最大值设置为s，即所述单晶片长度的最大值计算公式为：
S500、通过单晶片的最大长度计算出圆形晶片的做小内径，并进一步计算出单晶片的最小内弧长。
具体来说，所述圆形晶片的最小内径的计算公式为d＝D-s，其中，d为圆形晶片的最小内径，D为圆形晶片的外径，s为单晶片长度的最大值；所述单晶片的最小内弧长的计算公式为a2＝πd/64，其中，a2为单晶片的最小内弧长，d为圆形晶片的最小内径，在计算出了单晶片的外弧长、内弧长以及单晶片长度后，即可设计出避免螺纹反射信号产生的单晶片，进一步设计出可以避免螺纹反射信号的螺栓探头，从而保证检测结果的准确性。
基于上述螺栓探头的单晶片尺寸设计方法，本发明还相应的提供一种螺栓探头，所述螺栓探头包括若干个个探头晶片，所述探头晶片的尺寸采用如上所述的螺栓探头的单晶片尺寸设计方法设计，由于上文已对螺栓探头的单晶片尺寸设计方法进行详细描述，在此不再赘述。
综上所述，本发明提供的螺栓探头及其单晶片尺寸设计方法中，所述方法包括：根据待检测螺栓的直径确定圆形晶片的外径并进一步计算出单晶片的外弧长，所述圆形晶片由多个晶片组组成，每个晶片组均包括若干个单晶片；然后计算出晶片组的发射声场的近场区长度和未扩散区长度；之后再通过单晶片长度的最大值计算公式计算出单晶片的最大长度；最后通过单晶片的最大长度计算出圆形晶片的最小内径，并进一步计算出单晶片的最小内弧长。本发明设计的探头晶片可以在检测过程中使得螺纹倾斜面产生的螺纹反射信号不被激发晶片接收到，也就不会产生螺纹反射信号，避免干扰对检测结果的分析与判断，使检测结果更加可靠。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种螺栓探头的单晶片尺寸设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
根据待检测螺栓的直径确定圆形晶片的外径并进一步计算出单晶片的外弧长，其中，所述圆形晶片由多个晶片组组成，每个晶片组均包括若干个单晶片；
计算出晶片组的发射声场的近场区长度；
通过晶片组的发射声场的近场区长度计算出晶片组的发射声场的未扩散区长度；
通过单晶片长度的最大值计算公式计算出单晶片的最大长度；
通过单晶片的最大长度计算出圆形晶片的最小内径，并进一步计算出单晶片的最小内弧长。
2.根据权利要求1所述的螺栓探头的单晶片尺寸设计方法，其特征在于，所述圆形晶片的外径比待检测螺栓的直径小3mm-4mm。
3.根据权利要求1所述的螺栓探头的单晶片尺寸设计方法，其特征在于，所述待检测螺栓的螺纹倾斜面夹角为60°。
4.根据权利要求1所述的螺栓探头的单晶片尺寸设计方法，其特征在于，所述单晶片的外弧长计算公式为a1＝πD/n，其中，D为圆形晶片的外径，a1为单晶片的外弧长，n为各个晶片组的单晶片数量之和。
5.根据权利要求1所述的螺栓探头的单晶片尺寸设计方法，其特征在于，所述晶片组的发射声场的近场区长度的计算公式为：
N＝A/πλ，其中，N为晶片组的发射声场的近场区长度，A为一个晶片组的面积，λ为超声波的波长。
6.根据权利要求1所述的螺栓探头的单晶片尺寸设计方法，其特征在于，所述晶片发射声场的未扩散区长度计算公式为：
b＝1.64N，其中，b为晶片组的发射声场的未扩散区长度，N为晶片组的发射声场的近场区长度。
7.根据权利要求1所述的螺栓探头的单晶片尺寸设计方法，其特征在于，所述单晶片长度的最大值计算公式为：
8.根据权利要求1所述的螺栓探头的单晶片尺寸设计方法，其特征在于，所述圆形晶片的最小内径的计算公式为d＝D-s，其中，d为圆形晶片的最小内径，D为圆形晶片的外径，s为单晶片长度的最大值。
9.根据权利要求1所述的螺栓探头的单晶片尺寸设计方法，其特征在于，所述单晶片的最小内弧长的计算公式为a2＝πd/n，其中，a2为单晶片的最小内弧长，d为圆形晶片的最小内径，n为各个晶片组的单晶片数量之和。
10.一种螺栓探头，其特征在于，所述螺栓探头包括若干个个探头晶片，所述探头晶片的尺寸采用如权利要求1-9任意一项所述的螺栓探头的单晶片尺寸设计方法设计。
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