CN110441393A - 一种超声检测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超声检测装置，该超声检测装置上设置有波导管，可代替机械手检测系统到达不容易到达的复杂曲面复合材料工件表面检测质量，且可以向该装置内泵入耦合液体，耦合液体进入波导管内，并喷射到工件表面，超声波可以在波导管内传播，从而到达工件表面，穿透工件检测工件质量；另外还利用该超声检测装置提出了一种检测复杂曲面检测工件质量的方法，在工件的两侧分别设置一个超声检测装置，在一侧或两侧的超声检测装置上连接波导管，以便超声波能传输到工件表面或从工件表面接收到超声波，从而可以对复杂曲面复合材料工件质量进行检测。

Description

一种超声检测装置及方法
技术领域
本发明属于无损超声检测技术领域，特别是指一种超声检测装置及方法。
背景技术
随着材料科学与制造技术的日趋成熟，越来越多的复杂形廓的构件，尤其是具有强度高、刚度大、耐高温高压、抗疲劳和耐腐蚀性等优点的复合材料构件，被应用于航空航天、军工、汽车等领域，复合材料的工装用量和应用水平已成为现代航空装备先进性的重要标志之一。
由于复合材料结构制造工艺复杂，在制造加工和使用过程中，不可避免的存在裂纹、孔洞、分层等缺陷，这将对工件质量产生直接影响。在航空航天领域，为了保证复合材料结构的质量以及应用安全，在复合材料结构的应用-服役过程中，需要对复合材料结构进行全面且可靠的无损检测。
在复合材料工件检测方面，由于超声波在复合材料中衰减大，一般采用超声透射检测法。针对简单形廓工件，如平面、回转体，开放曲面构件等的超声自动检测比较容易实现，对于复杂曲面形廓工件(如含有沟、角等的特殊构件)的自动检测实现起来比较困难，因为没有足够的空间机械手无法进入此类构件的表面对工件进行检测。
专利名称为超声波导管，专利号CN107708581A的专利公开了一种用于将超声能量和治疗化合物送至治疗位点的超声导管，看来超声导管可以传播超声波，将超声波送至机械手难以到达的工件表面，对工件质量进行检测。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种超声检测装置，并利用该超声检测装置提出一种检测复杂曲面复合材料工件质量的方法，使复杂曲面复合材料工件质量得以检测。
一种超声检测装置，包括超声换能器3，其上设置有台阶31，包括沿着连接方向中空设置的
液体储存仓12，其侧面设置有与其中空主体相通的液体入口123，所述超声换能器3的头部穿过所述液体储存仓12的一端，且所述台阶31压在所述液体储存仓12的该端上；
超声换能器压盖16，一端设置有压盖圆形槽161，所述超声换能器3的尾部穿过所述超声换能器压盖16，所述台阶31设置在所述压盖圆形槽161内；
超声换能器支架13，套设在所述超声换能器3的尾部，与所述超声换能器压盖16和所述液体储存仓12固连；
喷头11，一端设有喷嘴111，另一端与所述液体储存仓12的另一端固连并连通；
波导管15，与所述喷嘴111固连。
由上，通过液体入口向液体储存仓12泵入耦合液体，超声换能器压盖16将液体储存仓12上的通孔压住，使超声换能器支架13和液体储存仓12互不相通，液体储存仓12、喷头11和波导管15依次连通，耦合液体通过波导管的另一端口喷射到达被检工件表面，从而可以检测常规多自由度检测系统，如机械手超声检测系统难以检测的复杂曲面复合材料工件的质量。
较佳的，还包括于所述液体储存仓12内套设在所述超声换能器3的头部的液体扰流套14，其上设置一圈连通所述液体储存仓12和所述喷头11的液体通孔141。
由上，将液体储存仓12内套设在所述超声换能器3的头部，其上并设有液体通孔141，液体储存仓12内的耦合液体通过液体通孔141进入喷头11内，从而使耦合液体的流态为层流状态，减少超声波在波导管内的衰减。
较佳的，所述液体储存仓12上设置第一圆形槽121，在所述第一圆形槽121的端面设置与所述第一圆形槽121同心且直径大于且深度小于所述第一圆形槽121的第二圆形槽122，在所述第一圆形槽121的底部设置有一通孔123；所述超声换能器3无间隙的穿过所述通孔123；
靠近所述喷头11设置的所述液体扰流套14的端部外侧设置有一圈侧翼，所述侧翼上设置一圈所述液体通孔141，且所述侧翼置于所述第二圆形槽122里。
由上，液体扰流套14的侧翼设置在第二圆形槽122里，其竖直方向的位移由第二圆形槽122限制，其横向位移由第二圆形槽122和喷头11限制，使超声换能器3的位置相对固定，且其上设置有液体通孔141。
较佳的，所述波导管15的弯曲度不大于90度。
由上，所述波导管15的弯曲度不大于90度，减少超声波在波导管内部的反射次数，进而减少超声波的衰减。
一种利用以上所述的超声检测装置的超声检测方法，其包括：
步骤1，将两个未安装有波导管15的超声检测装置分设在被检工件的两侧；
步骤2，将所述波导管15与置于所述被检工件一侧或两侧的喷嘴111固连，所述波导管15被安装在所述被检工件一侧时，保证所述波导管15的朝向所述被检工件表面设置的端口和未安装有所述波导管15的喷嘴111均与所述被检工件表面垂直，且两者中心线重合；所述波导管15被安装在所述被检工件两侧时，保证两个朝向所述被检工件表面设置的所述波导管15端口均与所述被检工件表面垂直且两者中心线重合；
步骤3，向所述被检工件两侧的两个液体入口124里泵入耦合液体，使耦合液体从所述被检工件两侧的两个所述波导管15的朝向所述被检工件表面设置的端口，或从所述被检工件一侧的所述波导管15的朝向所述被检工件表面设置的端口和所述被检工件另一侧的喷嘴111喷射到所述被检工件表面；
步骤4，同时启动所述被检工件两侧的两个所述超声检测装置上的超声换能器，通过脉冲收发仪显示发射和接收的超声波信号，查看被检工件质量。
由上，利用两个所述的超声检测装置分设在被检工件的两侧，波导管安装在一侧或两侧的超声检测装置上，耦合液体通过液体入口进入液体储存仓的第一圆形槽内，然后通过与喷头固连的波导管朝向被检工件表面设置的端口喷射到工件表面，超声波在耦合液体里传播到被检工件表面，从而可以发射和接收超声波，根据接收到的超声波信号情况判断被检工件质量，该方法操作简单，检测结果可靠，波导管轻便也可重复使用，较好的解决了无法检测复杂曲面复合材料工件质量的难题。
附图说明
图1为一种超声检测装置的内部结构示意图；
图2为一种超声检测装置的外部结构示意图；
图3为波导管的结构示意图之一；
图4为波导管的结构示意图之二；
图5为波导管的结构示意图之三；
图6为波导管的结构示意图之四；
图7为波导管的结构示意图之五；
图8为一种超声检测方法的原理示意图之一；
图9为一种超声检测方法的原理示意图之二；
图10为一种超声检测方法的原理示意图之三；
图11为用图1所述的超声检测装置检测工件的结构示意图。
具体实施方式
图1和图2为一种超声检测装置，其包括依次通过螺栓螺母连接且沿着连接的方向均中空设置的波导管15、喷头11、液体储存仓12、超声换能器压盖16、超声换能器支架13；超声换能器3上的台阶31一端压在液体储存仓12的端面上，另一端压在超声换能器压盖16上的圆形槽内，这样超声换能器3在超声检测装置里的前后位置被限制，使超声换能器3在超声检测装置里不能前后移动，另外超声换能器压盖16将超声换能器的台阶31紧紧压在液体储存仓12的端面上，台阶31堵住了液体储存仓12的通孔123，使液体储存仓12与超声换能器支撑架不相通；液体储存仓12、喷头11和波导管15依次连通；液体扰流套14设置在液体储存仓12内并套在超声换能器3头部外侧；液体扰流套14上设置有液体储存仓12和喷头11连通的液体通孔，液体储存仓12的侧面上设置与其中空部分连通的液体入口，喷头11的端部设置有喷嘴，波导管15与喷嘴螺纹连接，这样耦合液体通过液体入口进入液体储存仓12内，然后通过液体通孔进入喷头内，通过喷头上的喷嘴进入波导管15内，从波导管15的另一端喷射到被检工件表面。
具体的：
喷头11，为中空结构，其上设置有底座，由底座向外延伸出圆锥形的喷头主体，在该喷头主体的端部设置有喷嘴111，波导管15的一端通过螺纹与喷嘴111连接，方便拆卸安装。
液体储存仓12，其上设置第一圆形槽121，在第一圆形槽121的端面设置与第一圆形槽121同心、直径大于且深度小于第一圆形槽121的第二圆形槽122，液体扰流套14放置在第二圆形槽122里；在第一圆形槽121的底部设置一圆形通孔123，以便于超声换能器3穿过该通孔123，并由液体储存仓12支撑；在液体储存仓12的一侧设置有与第一圆形槽121相通的液体入口124，耦合液体通过液体入口124泵入第一圆形槽121里，由于超声换能器3上的台阶31将通孔123堵住，耦合液体不能进入超声换能器支架13的空腔里。
超声换能器支架13，其上设置有贯穿两相对端面的通孔。
液体扰流套14，为中空圆柱，朝向喷头11的那端在其外侧设置一圈侧翼，该侧翼上设置一圈贯穿侧翼厚度的液体通孔141，液体储存仓12里的耦合液体，通过液体扰流套14上的液体通孔141流向喷头11里，然后流进波导管15里，这样波导管15里的流体的流态是不含紊流现象的层流状态，减少超声波在波导管中的传播衰减。
波导管15是一种中空的金属或非金属导管，波导管15内壁应足够光滑，以便使在波导管里的液体中传输的超声波保持全反射状态，以确保波导管流体传递声波能量的损失达到最小；另外波导管15的曲率不应过大，一般波导管15的弯曲度不超过90度，以便减少超声波在波导管内的反射次数，进而减少超声波的衰减；根据不同被检工件安装位置不同，波导管需要经过弯曲一次或两次才能到达被检工件表面，如图3至7中的各种形状，波导管15结构设计简单、轻巧便于携带、利于保存且可重复利用。
安装时，首先将超声换能器3的头部穿过液体储存仓12底部上的通孔123，使超声换能器3上的台阶31压在液体储存仓12的端面上；接着将超声换能器3的尾部穿过超声换能器压盖16，使超声换能器3上的台阶31置于超声换能器压盖16上的压盖圆形槽161内，将液体储存仓12与超声换能器压盖16通过螺栓固连，超声换能器3的位置被限定；然后超声换能器3的尾部穿过超声换能器支架13上的通孔内，通过螺栓固连超声换能器支架13和超声换能器压盖16，从而超声换能器压盖16由超声换能器支架13支撑；将液体扰流套14套在超声换能器3的头部，其侧翼放置在液体储存仓12的第二圆形槽122里，喷头11的底座与液体储存仓12通过螺栓固连，液体扰流套14的位置被第二圆形槽122和喷头11的端面限定。
对复合材料工件的质量检测需要用超声透射检测法来检测，因为超声波在复合材料中衰减大，特别是有质量问题的工件，超声波在复合材料中衰减更大，用反射检测法收不到信号。
超声透射检测法的检测原理如图8至10所示，超声发射换能器6和超声接收换能器7分设在被检工件5的两侧，且两超声换能器均与工件5表面垂直，发射的超声波a穿过工件5后部分或全部被超声接收换能器7接收，接收到的超声波为b，其中d为发射的超声波信号，e为接收到的超声波信号，在工件内没有质量缺陷时，发射的超声波信号d几乎等于接收到的超声波信号e；在工件内有小的质量缺陷51时，发射的超声波a在遇到质量缺陷51时会产生反射超声波c，致使超声接收换能器7接收的超声波b减少，从信号上可以反映出来，如图10所示，超声接收换能器7接收的超声波信号e明显弱于超声发射换能器6发射的超声波信号d；在工件5内存在较大的质量缺陷52时，超声发射换能器6发射的超声波被工件内的质量缺陷52全部发射出来，超声接收换能器7完全接收不到超声波，如图11所示，超声接收换能器7接收到的超声波信号为零。
一种超声检测方法，其利用以上所述的超声检测装置对复合材料工件和其他材料的工件进行质量检测，如图11所示。用该超声检测装置检测工件表面和内部质量时，需要两个超声检测装置分设工件两侧，一个用于发射超声波，另一个用于接收超声波，波导管15可根据被检工件的安装情况设置在一侧或两侧的喷头11的喷嘴111上，检测时波导管15朝向工件表面设置的端口与工件表面垂直。如果波导管只在一侧设置，则被检工件一侧的波导管15朝向工件表面设置的端口和被检工件另一侧的喷头的喷嘴11都与工件表面垂直，且两者中心线重合；如果波导管15在工件的两侧都有设置，则两个波导管朝向工件表面的端口均与工件表面垂直，且两个端口的中心线重合，这样有了波导管辅助传输超声波到被检工件表面，一些复杂曲面复合材料工件质量就可以检测。
对工件质量检测时，首先两个未连接波导管15的超声检测装置分设在被检工件的两侧，一侧或两侧的喷头11的喷嘴111上固定波导管15，波导管15被安装在所述被检工件一侧时，保证所述波导管15的朝向所述被检工件表面设置的端口和未安装有所述波导管15的喷嘴111均与所述被检工件表面垂直，且两者中心线重合；所述波导管15被安装在所述被检工件两侧时，保证两个朝向所述被检工件表面设置的所述波导管15端口均与所述被检工件表面垂直且两者中心线重合；向两个液体入口124里泵入耦合液体，使耦合液体从波导管15的端口和未连接波导管的喷嘴喷射到被检工件表面；同时启动两个超声检测装置上的超声换能器，开始检测被检工件质量。
本发明提出了借助设计的中空波导管进行复杂曲面工件的超声无损检测方法，经过研究和试验验证发现，该技术方案可行、实施方法简单和检测结果可靠、可重复，解决了复杂构件的超声检测难题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种超声检测装置，包括超声换能器(3)，其上设置有台阶(31)，其特征在于，包括沿着连接方向中空设置的
液体储存仓(12)，其侧面设置有与其中空主体相通的液体入口(123)，所述超声换能器(3)的头部穿过所述液体储存仓(12)的一端，且所述台阶(31)压在所述液体储存仓(12)的该端上；
超声换能器压盖(16)，一端设置有压盖圆形槽(161)，所述超声换能器(3)的尾部穿过所述超声换能器压盖(16)，所述台阶(31)设置在所述压盖圆形槽(161)内；
超声换能器支架(13)，套设在所述超声换能器(3)的尾部，且所述超声换能器支架(13)与所述超声换能器压盖(16)和所述液体储存仓(12)固连；
喷头(11)，一端设有喷嘴(111)，另一端与所述液体储存仓(12)的另一端固连并连通；
波导管(15)，与所述喷嘴(111)固连。
2.根据权利要求1所述的超声检测装置，其特征在于，还包括于所述液体储存仓(12)内套设在所述超声换能器(3)的头部的液体扰流套(14)，其上设置一圈连通所述液体储存仓(12)和所述喷头(11)的液体通孔(141)。
3.根据权利要求2所述的超声检测装置，其特征在于，所述液体储存仓(12)上设置第一圆形槽(121)，在所述第一圆形槽(121)的端面设置与所述第一圆形槽(121)同心直径大于且深度小于所述第一圆形槽(121)的第二圆形槽(122)，在所述第一圆形槽(121)的底部设置有一通孔(123)；所述超声换能器(3)穿过所述通孔(123)；
靠近所述喷头(11)设置的所述液体扰流套(14)的端部外侧设置有一圈侧翼，所述侧翼上设置一圈所述液体通孔(141)，且所述侧翼置于所述第二圆形槽(122)里。
4.根据权利要求1所述的超声检测装置，其特征在于，所述波导管(15)的弯曲度不大于90度。
5.一种利用权利要求1至4任一所述的超声检测装置的超声检测方法，其特征在于，其包括：
步骤1，将两个未安装有波导管(15)的超声检测装置分设在被检工件的两侧；
步骤2，将所述波导管(15)与置于所述被检工件一侧或两侧的喷嘴(111)固连，所述波导管(15)被安装在所述被检工件一侧时，保证所述波导管(15)的朝向所述被检工件表面设置的端口和未安装有所述波导管(15)的喷嘴(111)均与所述被检工件表面垂直，且两者中心线重合；所述波导管(15)被安装在所述被检工件两侧时，保证两个朝向所述被检工件表面设置的所述波导管(15)端口均与所述被检工件表面垂直且两者中心线重合；
步骤3，向所述被检工件两侧的两个液体入口(124)里泵入耦合液体，使耦合液体从所述被检工件两侧的两个所述波导管(15)的朝向所述被检工件表面设置的端口，或从所述被检工件一侧的所述波导管(15)的朝向所述被检工件表面设置的端口和所述被检工件另一侧的喷嘴(111)喷出到所述被检工件表面；
步骤4，同时启动所述被检工件两侧的两个所述超声检测装置上的超声换能器，通过脉冲收发仪显示发射和接收的超声波信号，查看被检工件质量。
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