CN110487912A - 一种用于管内无损检测的自聚焦相控阵超声检测探头 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供一种用于管内无损检测的自聚焦相控阵超声检测探头，包括：多通道同轴电缆、探头壳体和换能器，多通道同轴电缆用于传输信号；换能器用于根据激励信号驱动预设个数的自聚焦阵元以不同时序发射超声波，在待检测管子的周向和轴向上均形成聚焦声束，并接收反射的回波信号，将回波信号转换为电信号，以对所述待检测管子进行成像与检测。本发明实施例提供的一种用于管内无损检测的自聚焦相控阵超声检测探头，由于超声波在管壁周向和轴向上同时形成狭窄、聚焦的聚焦超声波束，能量比较集中，对管子内部的缺陷较敏感，有较高的灵敏度，解决了目前国内还没有成熟的专门针对管内检查的高灵敏度、高分辨率的相控阵超声检测探头的问题。

Description

一种用于管内无损检测的自聚焦相控阵超声检测探头
技术领域
本发明涉及无损检测技术领域，尤其涉及一种用于管内无损检测的自聚焦相控阵超声检测探头。
背景技术
管子被广泛地应用于电力、石油、化工等工业领域。为了避免管子在服役期间，发生泄露甚至爆炸等严重事故，通常需要定期使用无损检测技术对管子进行在役检查，提前发现存在隐患的管子，将其封堵或者更换，以保证设备或系统的安全可靠运行。
但在特殊工况下，由于安全因素或者空间限制，检测人员无法接近管子外侧，而目前现有的管内检查的方法灵敏度和分辨率不高。
相控阵超声技术的发展使得管内高分辨率高灵敏度检查成为可能。目前，国内外还没有成熟的专门针对管内检查的高灵敏度、高分辨率的相控阵超声检测探头。
发明内容
针对上述问题，本发明实施例提供一种用于管内无损检测的自聚焦相控阵超声检测探头。
本发明实施例提供一种用于管内无损检测的自聚焦相控阵超声检测探头，包括：多通道同轴电缆、探头壳体和换能器，其中，所述换能器贴装在所述探头壳体外表面，且所述换能器一端与所述多通道同轴电缆连接，所述换能器由多个自聚焦阵元按照预设规则排列组成；
所述多通道同轴电缆用于传输激励电信号；
所述换能器用于根据所述激励电信号驱动预设个数的自聚焦阵元以不同时序发射超声波，在待检测管子的周向和轴向两个方向上均形成聚焦超声波束，并接收所述待检测管子反射的超声回波信号，将所述超声回波信号转换为回波电信号；
所述多通道同轴电缆接收所述回波电信号，以使得根据所述回波电信号对所述待检测管子进行成像和检测。
优选地，还包括：凸缘，所述凸缘位于所述探头壳体的一端，用于保护所述换能器，减小磨损。
优选地，所述多通道同轴电缆包括若干微同轴电缆，每一微同轴电缆分别与每一自聚焦阵元连接，相应地，所述激励电信号包括所述预设个数的激励子信号；
对于当前激励电信号，获取所述预设个数当前微同轴电缆，对于任一当前微同轴电缆，所述任一当前微同轴电缆传输一个激励子信号，对于与所述任一当前微同轴电缆连接的当前自聚焦阵元，所述任一当前微同轴电缆连接的当前自聚焦阵元在所述激励子信号的驱动下发射超声波，所述任一当前微同轴电缆连接的当前自聚焦阵元发射的超声波在所述待检测管子的轴向上聚焦，形成轴向聚焦超声波束；
所有的当前自聚焦阵元以不同时序发射的超声波在所述待检测管子的周向上聚焦，形成周向聚焦超声波束。
优选地，所有自聚焦阵元沿周向360度均匀布置在所述探头壳体外表面。
优选地，对于所述当前激励电信号，所述当前激励电信号对应的当前自聚焦阵元编号为ni～nj，对于所述当前激励电信号的下一次激励电信号，下一次激励电信号对应的自聚焦阵元编号为ni+1～nj+1，其中，所有的自聚焦阵元按照顺时针或逆时针的方向依次编号。
优选地，所述每一微同轴电缆分别与每一自聚焦阵元连接，具体为：
每一微同轴电缆与每一自聚焦阵元焊接。
优选地，所有自聚焦阵元的个数大于或等于4，所述预设个数不大于所有自聚焦阵元总数的1/6。
优选地，所述探头外形上的最大长度小于所述待检测管子最小曲率半径，使所述探头顺利通过所述待检测管子的弯道。
优选地，所述探头的发射中心频率为0.5MHz-15MHz，带宽为50％-100％。
优选地，所述探头与所述多通道同轴电缆具有防水能力和承压能力。
本发明实施例提供的一种用于管内无损检测的自聚焦相控阵超声检测探头，由于待检测管子中的超声波为狭窄、聚焦的聚焦超声波束，声束能量比较集中，对待检测管子内部的缺陷比较敏感，具有较高的灵敏度，改善了传统探头在近场范围内声束宽、聚焦能力差的问题，增强了探头对待检测管子表面以及内部的缺陷的识别能力和分辨率。解决了目前国内还没有成熟的专门针对管内检查的高灵敏度、高分辨率的相控阵超声检测探头的问题。
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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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为本发明实施例提供的一种用于管内无损检测的自聚焦相控阵超声检测探头的结构示意图；
图2为本发明实施例中微同轴电缆和自聚焦阵元连接的结构示意图；
图3为本发明实施例中换向器在待检测管子的周向上产生聚焦超声波束的示意图；
图4为本发明实施例中换能器在待检测管子的轴向上产生聚焦超声波束的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了解决现有技术中管内检测灵敏度和分辨率不高的问题，本发明实施例中采用相控阵超声技术，相控阵超声技术使得管内高分辨率高灵敏度的检测成为可能，相控阵超声由于其灵活的聚焦法则和成像算法，近年来得到广泛的关注，一个相控阵列由有限个有限个阵元组成，每个阵元可以相对独立地产生超声波和接收超声回波信号。通过对不同的阵元进行延时激励，可以形成聚焦和偏转的波束。目前，国内外还没有成熟的专门针对管内检查的高灵敏度、高分辨率的相控阵超声检测探头。
为了使本发明实施例更加清楚明白，先对本发明实施例中附图出现的标记进行说明：
1，多通道同轴电缆；2，探头壳体；3，换能器；4，自聚焦阵元；5，待检测管子；6，凸缘；7，微同轴电缆；8，聚焦超声波束；9，所有的当前自聚焦阵元；10，焦点。
图1为本发明实施例提供的一种用于管内无损检测的自聚焦相控阵超声检测探头的结构示意图，如图1所示，该探头包括：多通道同轴电缆1、探头壳体2和换能器3，其中，所述换能器3贴装在所述探头壳体2外表面，且所述换能器3一端与所述多通道同轴电缆1连接，所述换能器3由多个自聚焦阵元4按照预设规则排列组成；
所述多通道同轴1电缆用于传输激励电信号；
所述换能器3用于根据所述激励电信号驱动预设个数的自聚焦阵元以不同时序发射超声波，在待检测管子5的周向和轴向两个方向上均形成聚焦超声波束，并接收所述待检测管子反射的超声回波信号，将所述超声回波信号转换为回波电信号；
所述多通道同轴电缆接收所述回波电信号，以使得根据所述回波电信号对所述待检测管子5进行成像和检测。
具体地，本发明实施例中探头由多通道同轴电缆、探头壳体和换能器组成，每个模块之间的连接关系为：多通道同轴电缆与探头壳体的一端连接，换能器装贴在探头壳体的外表面，并且换能器的一端与多通道同轴电缆之间连接，方便换能器与多通道同轴电缆进行通信，换能器是由多个自聚焦阵元按照预设规则排列组成。
本发明实施例中以对检测尺寸为Ф19×3mm的待检测管子为例进行说明，在对待检测管子进行检测的时候，该探头放在待检测管子的内部，沿着待检测管子轴线方向运动，探头壳体为圆柱形，探头壳体外形为回转体，探头壳体直径不小于换能器的直径，是换能器的载体，该探头外形为圆柱体，也可以为其它形状，探头的最大直径一般不小于待检测管子内径的70％，本发明实施例中探头的最大直径不小于9.1mm，探头的长度与待检测管子的最小曲率半径弯道处相匹配，使探头能顺利通过弯道。
在该探头实际检测的过程中，多通道同轴电缆向换能器传输激励电信号，该激励电信号驱动预设个数的自聚焦阵元，预设个数的自聚焦阵元在激励电信号的驱动下，自聚焦阵元中的压电材料将电能转化为振动的机械能，进而使自聚焦阵元振动，自聚焦阵元产生超声波。
自聚焦阵元与普通阵元的区别在于，自聚焦阵元产生的超声波场本身就具有聚焦能力，而普通郑源没有聚焦能力，因此，单个自聚焦阵元就能产生聚焦超声波束，即单个自聚焦阵元在待检测管子的轴向上聚焦，形成聚焦超声波束。
本发明实施例中，由于自聚焦阵元按照预设规则进行排列，这种排列结构使得多个自聚焦阵元产生的超声波在待检测管子的周向上聚焦，形成聚焦超声波束。
待检测管子周向和轴向形成的聚焦超声波束，由于超声波在空气中会有较大的衰减，因此，探头和待检测管子之间的孔隙一般都填充耦合剂，以使得聚焦超声波在耦合剂中传输后，进入待检测管子中。
待检测管子反射超声回波信号，自聚焦阵元接收到该超声回波信号，并将超声回波信号转换为回波电信号，回波电信号进入多通道同轴电缆中，并将回波电信号传输到相控阵超声仪器进行成像和分析，本发明实施例中，相控超声仪器为多浦乐公司Phascan Pro相控阵检测仪。
探头在待检测管子内充满水的情况下工作，在待检测管子的长度较长的情况下，待检测管子中流动的水需要有一定的压力才能驱动探头向前移动，故探头和多通道同轴电缆都需要具有防水功能，且有一定的抗拉强度，因此，探头和多通道同轴电缆都具有防水能力和承压能力。
本发明实施例提供的一种用于管内无损检测的自聚焦相控阵超声检测探头，由于待检测管子中的超声波为狭窄、聚焦的聚焦超声波束，声束能量比较集中，对待检测管子内部的缺陷比较敏感，具有较高的灵敏度，改善了传统探头在近场范围内声束宽、聚焦能力差的问题，增强了探头对待检测管子表面以及内部的缺陷的识别能力和分辨率。
在上述实施例的基础上，优选地，还包括：凸缘6，所述凸缘位于所述探头壳体的一端，用于保护所述换能器，减小磨损。
探头前端有不锈钢制的凸缘，凸缘直径略大于换能器的直径，保护换能器不受待检测管子中的毛刺或异物的伤害。
在上述实施例的基础上，优选地，所述多通道同轴电缆包括若干微同轴电缆7，每一微同轴电缆分别与每一自聚焦阵元连接，相应地，所述激励电信号包括所述预设个数的激励子信号；
对于当前激励电信号，获取所述预设个数当前微同轴电缆，对于任一当前微同轴电缆，所述任一当前微同轴电缆传输一个激励子信号，对于与所述任一当前微同轴电缆连接的当前自聚焦阵元，所述任一当前微同轴电缆连接的当前自聚焦阵元在所述激励子信号的驱动下发射超声波，所述任一当前微同轴电缆连接的当前自聚焦阵元发射的超声波在所述待检测管子的轴向上聚焦，形成轴向聚焦超声波束8；
所有的当前自聚焦阵元9以不同时序发射的超声波在所述待检测管子的周向上聚焦，形成周向聚焦超声波束。
图2为本发明实施例中微同轴电缆和自聚焦阵元连接的结构示意图，如图2所示，多通道同轴电缆由多条微同轴电缆组成，每一条微同轴电缆连接一个自聚焦阵元。多通道同轴电缆与探头壳体之间连接牢固，优选焊接的连接方式。每一条微同轴电缆与相应的自聚焦阵元之间连接牢固，优选焊接的连接方式。
图3为本发明实施例中换向器在待检测管子的周向上产生聚焦超声波束的示意图，如图3所示，本发明实施例中换能器中自聚焦阵元的个数应该大于或等于4，本发明实施例中，换能器由64个自聚焦阵元组成，每个自聚焦阵元可以单独地激发和接收超声波信号，这64个自聚焦阵元沿着周向360度均匀地布置在探头壳体外表面，形成一个圆。
本发明实施例中，预设个数为8，当前激励电信号是由8根微同轴电缆传输的，从所有的微同轴电缆中获取传输当前激励电信号的8根微同轴电缆，这8根微同轴电缆被称为当前微同轴电缆，每个当前微同轴电缆将激励子信号传输给与其连接的自聚焦阵元，也就是图3中编号为1-8自聚焦阵元，将1-8自聚焦阵元均称为当前自聚焦阵元，8个当前自聚焦阵元分别发射的超声波，这些超声波在待检测管子的周向形成了聚焦超声波束，聚焦超声波束的焦点为10。
图4为本发明实施例中换能器在待检测管子的轴向上产生聚焦超声波束的示意图，如图4所示，由于自聚焦阵元本身具有聚焦能了，因此，每个当前自聚焦阵元产生的超声波在待检测管子的轴向上聚焦，形成聚焦超声波束。
在上述实施例的基础上，优选地，对于所述当前激励电信号，所述当前激励电信号对应的当前自聚焦阵元编号为ni～nj，对于所述当前激励电信号的下一次激励电信号，下一次激励电信号对应的自聚焦阵元编号为ni+1～nj+1，其中，所有的自聚焦阵元按照顺时针或逆时针的方向依次编号。
具体地，本发明实施例中，所有的自聚焦阵元按照顺时针的顺序依次编号，对于当前激励电信号，当前自聚焦阵元的编号为1-8，当下一次激励电信号来临时，下一次激励电信号驱动的自聚焦阵元的编号为2-9，以此类推。
在上述实施例的基础上，优选地，所述预设个数不大于所有自聚焦阵元总数的1/6。
具体地，本发明实施例中每次激励电信号驱动的自聚焦阵元的总数不大于所有自聚焦阵元总数的1/6，本发明实施例中所有自聚焦阵元的总数为64，也就是说预设个数不大于10，本发明实施例中预测个数的取值为8。
在上述实施例的基础上，优选地，所述探头外形上的最大长度小于所述待检测管子最小曲率半径，使所述探头顺利通过所述待检测管子的弯道。
具体地，本发明实施例中，探头长度要小于待检测管子最小曲率半径，是的该探头能够顺利通过待检测管子的弯道。
在上述实施例的基础上，优选地，所述每一微同轴电缆分别与每一自聚焦阵元连接，具体为：
每一微同轴电缆与每一自聚焦阵元焊接。
具体地，为了使微同轴电缆和自聚焦阵元的连接更加牢固，微同轴电缆和自聚焦阵元之间通过焊接的方式固定。
在上述实施例的基础上，优选地，所有自聚焦阵元的个数大于等于4。
具体地，自聚焦阵元的个数最少为4个。
在上述实施例的基础上，优选地，所述探头的发射中心频率为0.5MHz,-15MHz，带宽为50％-100％。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
综上，本发明实施例提供的一种用于管内无损检测的自聚焦相控阵超声检测探头结构简单，能够灵活地放置在管子内部，实时、有效地检查待检测管子。探头能够在难以从外部接近的管子在役检查中发挥作用，自聚焦相控阵超声探头形成的聚焦超声波束在周向和轴向上都具有良好的分辨力，可以提高对于缺陷的检出能力和定量能力，预防管子的破损事故，为管子的安全健康运行提供保障。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于管内无损检测的自聚焦相控阵超声检测探头，其特征在于，包括：多通道同轴电缆、探头壳体和换能器，其中，所述换能器贴装在所述探头壳体外表面，且所述换能器一端与所述多通道同轴电缆连接，所述换能器由多个自聚焦阵元按照预设规则排列组成；
所述多通道同轴电缆用于传输激励电信号；
所述换能器用于根据所述激励电信号驱动预设个数的自聚焦阵元以不同时序发射超声波，在待检测管子的周向和轴向两个方向上均形成聚焦超声波束，并接收所述待检测管子反射的超声回波信号，将所述超声回波信号转换为回波电信号；
所述多通道同轴电缆接收所述回波电信号，以使得根据所述回波电信号对所述待检测管子进行成像和检测。
2.根据权利要求1所述探头，其特征在于，还包括：凸缘，所述凸缘位于所述探头壳体的一端，用于保护所述换能器，减小磨损。
3.根据权利要求1所述探头，其特征在于，所述多通道同轴电缆包括若干微同轴电缆，每一微同轴电缆分别与每一自聚焦阵元连接，相应地，所述激励电信号包括所述预设个数的激励子信号；
对于当前激励电信号，获取所述预设个数当前微同轴电缆，对于任一当前微同轴电缆，所述任一当前微同轴电缆传输一个激励子信号，对于与所述任一当前微同轴电缆连接的当前自聚焦阵元，所述任一当前微同轴电缆连接的当前自聚焦阵元在所述激励子信号的驱动下发射超声波，所述任一当前微同轴电缆连接的当前自聚焦阵元发射的超声波在所述待检测管子的轴向上聚焦，形成轴向聚焦超声波束；
所有的当前自聚焦阵元以不同时序发射的超声波在所述待检测管子的周向上聚焦，形成周向聚焦超声波束。
4.根据权利要求3所述探头，其特征在于，所有自聚焦阵元沿周向360度均匀布置在所述探头壳体外表面。
5.根据权利要求3所述探头，其特征在于，对于所述当前激励电信号，所述当前激励电信号对应的当前自聚焦阵元编号为ni～nj，对于所述当前激励电信号的下一次激励电信号，下一次激励电信号对应的自聚焦阵元编号为ni+1～nj+1，其中，所有的自聚焦阵元按照顺时针或逆时针的方向依次编号。
6.根据权利要求3所述探头，其特征在于，所述每一微同轴电缆分别与每一自聚焦阵元连接，具体为：
每一微同轴电缆与每一自聚焦阵元焊接。
7.根据权利要求1所述探头，其特征在于，所有自聚焦阵元的个数大于或等于4，所述预设个数不大于所有自聚焦阵元总数的1/6。
8.根据权利要求1所述探头，其特征在于，所述探头外形上的最大长度小于所述待检测管子最小曲率半径，使所述探头顺利通过所述待检测管子的弯道。
9.根据权利要求1所述探头，其特征在于，所述探头的发射中心频率为0.5MHz-15MHz，带宽为50％-100％。
10.根据权利要求1所述探头，其特征在于：所述探头与所述多通道同轴电缆具有防水能力和承压能力。
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