CN111077225A - 一种用于聚焦超声探头实际工作中聚焦直径的测量方法 - Google Patents
一种用于聚焦超声探头实际工作中聚焦直径的测量方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111077225A CN111077225A CN201911283086.2A CN201911283086A CN111077225A CN 111077225 A CN111077225 A CN 111077225A CN 201911283086 A CN201911283086 A CN 201911283086A CN 111077225 A CN111077225 A CN 111077225A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- focusing
- steel
- ultrasonic probe
- interface
- diameter
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
- G01N29/30—Arrangements for calibrating or comparing, e.g. with standard objects
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
- G01N29/26—Arrangements for orientation or scanning by relative movement of the head and the sensor
- G01N29/265—Arrangements for orientation or scanning by relative movement of the head and the sensor by moving the sensor relative to a stationary material
Abstract
本发明公开了一种用于聚焦超声探头实际工作中聚焦直径的测量方法，该方法实现了对于不同工况下聚焦超声探头聚焦直径的测量。该方法通过测量一个边界明显的界面，一边为钢‑空气接触，一边为钢‑空气‑钢接触，并在该界面上施加一定的载荷，移动聚焦超声探头，使得聚焦超声探头经过接触边缘区域，根据聚焦超声探头移动过程中超声反射率的变化情况，从而判断聚焦超声探头聚焦直径的大小。本发明能够测量聚焦超声探头在特定工况下对应的聚焦直径，显著提高了利用聚焦超声探头进行试验的准确性。
Description
技术领域
本发明属于无损探伤技术领域，具体涉及一种用于聚焦超声探头实际工作中聚焦直径的测量方法。
背景技术
无损检测由于具有不影响或不损害被测试件性能的特点，广泛应用到现代工业中，超声检测是一种常用的无损检测方法，为适应不同的测试环境，现有的超声探头种类繁多。由于聚焦超声探头能够将声束聚焦到一个很小的区域，因此聚焦超声探头常用于检测微小缺陷或者具有微小变化的测试环境中。而探头聚焦直径是判断探头能否胜任某种特定测试环境的一个重要参数，聚焦直径主要由探头中心频率、介质类型、环境温度等因素影响，测试工况不同，探头聚焦直径也会发生变化，因此获得特定工况下聚焦超声探头聚焦直径是十分必要的。然而，由于聚焦超声探头聚焦直径小且测量困难，大多数学者在应用聚焦超声探头时都是通过理论计算得到的探头聚焦直径进行后续试验研究，由于理论计算与实际情况下存在一定差距，再加上聚焦直径本来就小，从而造成试验结果误差相对较大。因此，获得特定试验工况下探头真实聚焦直径能够显著提高试验精度，使得试验结果更具有参考价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于聚焦超声探头实际工作中聚焦直径的测量方法，该方法通过测量一个边界明显的界面，本发明本例中一边为钢和空气接触，一边为钢-空气-钢接触，并在该界面上施加一定的载荷，移动聚焦超声探头，使得聚焦超声探头经过接触边缘区域，根据聚焦超声探头移动过程中超声反射率的变化情况，从而判断探头聚焦直径的大小。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种用于聚焦超声探头实际工作中聚焦直径的测量方法，包括以下步骤：
(1)聚焦超声探头选择、安装及调节
任意选择一种聚焦超声探头型号，聚焦超声探头在介质中由于透镜聚焦并不是聚焦成一个点，而是形成一定长度的聚焦焦柱，根据点聚焦超声探头相关理论，焦柱直径计算如下：
式中，c表示超声波在水中的传播速度，Φ表示焦柱直径，Lj表示焦柱长度，D表示晶片直径，F表示焦距；
将聚焦超声探头放在试块上方，通过多自由度调节平台调节聚焦超声探头位置，先通过理论公式计算大概聚焦位置，然后通过多自由度平台调节聚焦超声探头上下距离以及角度，使得聚焦超声探头聚焦在接触界面处；
(2)聚焦直径试验测量与超声反射回波信号的采集
利用多自由度调节平台移动聚焦超声探头，使其经过两个反射率发生明显变化的界面，选择钢-空气界面或钢-空气-钢界面，根据实际情况每次移动合适的距离，测量并记录边界附近界面的超声反射回波；测量过程中，首先需要保证聚焦超声探头的聚焦位置位于钢-空气界面或者钢-空气-钢的界面上；
(3)聚焦超声探头聚焦直径的获得
在实际情况下，由于聚焦超声探头聚焦区域的存在及其平均作用，在分界面附近必然存在过渡区域；在过渡区域内，聚焦区域一部分在钢-空气界面上，反射率较大，而另一部分在钢-空气-钢界面上，反射率较小，而聚焦区域完全在钢-空气界面和完全在钢-空气-钢界面时，反射率基本保持不变，因此聚焦超声探头聚焦区域直径等于聚焦超声探头刚刚由钢-空气界面进入钢-空气-钢界面到刚刚完全出钢-空气-钢界面，也就是经过过渡区域聚焦超声探头所移动的距离；设n为过渡区域总测量点数，且包括两个边界点，dis为测量点间距，则聚焦区域直径为：
Φ＝(n-1)·dis (2)。
本发明进一步的改进在于，步骤(1)中聚焦超声探头与试件之间的介质是水，所测的是聚焦超声探头经过水的聚焦直径。
本发明进一步的改进在于，步骤(1)中为了使聚焦超声探头聚焦焦柱位于界面上，先通过理论公式计算大概聚焦位置，粗调多自由度调节平台使得聚焦超声探头聚焦于该位置，观察反射回波，然后通过多自由度调节平台对聚焦超声探头上下距离以及角度进行微调，最终使得聚焦超声探头位于合适的位置。
本发明进一步的改进在于，步骤(2)中为了保证试验测量精度，降低试验随机误差，根据实际情况对每个测量点记录反射回波多次然后取平均值，在进行反射率的计算。
本发明进一步的改进在于，步骤(2)中，利用多自由度调节平台移动聚焦超声探头，使聚焦超声探头经过的界面是由钢-空气界面经过接触边缘区域完全进入钢-空气-钢界面，或者通过钢-水界面和钢-水-钢界面。
本发明进一步的改进在于，步骤(3)中，聚焦超声探头聚焦直径的获得是通过聚焦超声探头经过过渡区域所移动的距离得到的，而聚焦超声探头在过渡区域的距离是通过聚焦超声探头聚焦区域在钢-空气界面上与钢-空气-钢界面上的反射率的差异规律得到的。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明为特定工况下聚焦超声探头聚焦直径的测量提供了切实可行的实验手段。本发明更是具备了以下特点：第一，本发明中用于安装调节聚焦超声探头的多自由度调节平台精度高，测量结果准确；第二，本发明测量中，聚焦超声探头与试件之间的介质是水，所测的是聚焦超声探头经过水的聚焦直径，但本发明不仅仅适用于这一种特定工况，还可以用相同方法测量聚焦超声探头在不同介质中的聚焦直径，应用范围广；第三，本发明测量方法中聚焦直径的测量是通过移动聚焦超声探头使其由钢-空气界面经过钢-空气-钢界面的过程中反射率的变化规律得到的，不仅仅局限于这一种情况，还可以通过其他界面类型如钢-水界面和钢-水-钢界面等等，只要是聚焦超声探头反射率会发生显著变化的两种不同类型界面都可以，因此应用该方法很容易实现聚焦超声探头直径的测量；第四，本发明中，所测的反射波信号采用每个测量点记录反射波多次取平均值，显著提高了测量精度，测量结果更加可靠、准确，更加具有参考价值。
附图说明
图1为本发明本例中点聚焦超声探头聚焦状态示意图；
图2为本发明本例中聚焦超声探头聚焦直径测量原理示意图；
图3为本发明本例中单个测量点重复测量100组的反射波形图；
图4为本发明本例中测量过程中探头经过过渡区域示意图；
图5为本发明本例中聚焦试验实测反射率变化测试结果图。
具体实施方式
以下参照附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供的一种用于聚焦超声探头实际工作中聚焦直径的测量方法，包括以下步骤：
(1)聚焦超声探头选择、安装及调节
任意选择一种聚焦超声探头型号，聚焦超声探头在介质中由于透镜聚焦并不是聚焦成一个点，而是形成一定长度的聚焦焦柱，根据点聚焦超声探头相关理论，焦点直径计算如下：
将聚焦超声探头安装在轴承座上，通过多自由度调节平台调节聚焦超声探头位置，先通过理论公式计算大概聚焦位置，然后通过多自由度平台调节聚焦超声探头上下距离以及角度，使得聚焦超声探头聚焦在接触界面处。
(2)聚焦直径试验测量与超声反射回波信号的采集
利用多自由度调节平台移动聚焦超声探头，使其经过两个反射率会发生明显变化的界面，本发明本例中选择钢-空气界面与钢-空气-钢界面，根据实际情况每次移动合适的距离，测量并记录边界附近界面的超声反射回波。测量过程中，首先需要保证聚焦超声探头的聚焦位置位于钢-空气界面或者钢-空气-钢的界面上。为保证测量精度，每个测量点记录发射波信号多次取平均值。
(3)聚焦超声探头聚焦直径的获得
在实际情况下，由于聚焦超声探头聚焦区域的存在及其平均作用，在分界面附近必然存在过渡区域。在过渡区域内，聚焦区域一部分在钢-空气界面上，反射率较大，而另一部分在钢-空气-钢界面上，反射率较小，而聚焦区域完全在钢-空气界面和完全在钢-空气-钢界面时，反射率基本保持不变，因此聚焦超声探头聚焦区域直径恰好等于聚焦超声探头刚刚由钢-空气界面进入钢-空气-钢界面到刚刚完全出钢-空气-钢界面，也就是经过过渡区域聚焦超声探头所移动的距离。设n为过渡区域总测量点数(包括两个边界点)，dis为测量点间距，则聚焦区域直径为：
Φ＝(n-1)·dis (2)
具体方式为：
参见图1所示为本发明本例中点聚焦超声探头聚焦状态示意图，聚焦超声探头在介质中由于透镜发生聚焦并不是聚焦成一个点，而是形成一定长度的聚焦焦柱，图中Φ表示焦柱直径，Lj表示焦柱长度，D表示晶片直径，F表示焦距，聚焦直径计算如下：
本发明中，实例所用的聚焦超声探头晶片直径为5mm,焦距F为25mm，超声波在水中的传播速度c为1480m/s，聚焦超声探头频率为50MHZ，因此在该状态下探头聚焦直径为：
参见图2所示为本发明本例中聚焦超声探头聚焦直径测量原理示意图。将浸式聚焦超声探头安装在轴承座上，先通过理论公式计算大概聚焦位置，然后通过多自由度调节平台调节聚焦超声探头上下距离以及角度，使得聚焦超声探头位于合适的位置。利用多自由度调节平台移动聚焦超声探头，使其由钢-空气界面经过接触边缘区域完全进入钢-空气-钢界面，根据实际情况每次移动适当的距离，测量并记录边界附近界面的超声反射回波。测量过程中，首先需要保证聚焦超声探头的聚焦位置位于钢-空气界面或者钢-空气-钢的界面上。为保证测量精度，每个测量点记录发射波信号多次取平均值，对反射信号进行处理得到反射率，根据聚焦超声探头移动过程中超声反射率的变化情况，从而判断聚焦超声探头聚焦直径的大小，
参见图3所示为本发明本例中单个测量点重复测量多组的反射波形图。为了保证测量精度，每个测量点记录反射波多次取平均值。
参见图4所示为本发明本例中测量过程中聚焦超声探头经过过渡区域示意图。由于聚焦超声探头聚焦区域的存在及其平均作用，在分界面附近必然存在过渡区域。在过渡区域内，聚焦区域一部分在钢-空气界面上，反射率较大，而另一部分在钢-空气-钢界面上，反射率较小。因此，过渡区域内的综合平均反射率应在两者之间。
参见图5所示为本发明本例中聚焦试验实测反射率变化测试结果图。聚焦超声探头聚焦区域从完全钢-空气界面反射到钢-空气-钢界面反射，所经过的过渡区域的大小刚好为聚焦区域的直径。设n为过渡区域总测量点数，dis为测量点间距，则聚焦区域直径为：
Φ＝n·dis (2)
如图中实际测量的超声反射率变化，可以看出过渡区域内超声反射率从刚开始的钢-空气界面的最大反射率开始连续变小，直到变为钢-空气-钢界面的最小反射率。其中共测量到17个点，故该聚焦超声探头在此工况下的实测聚焦直径为160μm，与理论计算142mm比较接近，但存在一定差距，这是由于工作环境等因素影响造成的，从而验证了本发明的准确性。
Claims (6)
1.一种用于聚焦超声探头实际工作中聚焦直径的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)聚焦超声探头选择、安装及调节
任意选择一种聚焦超声探头型号，聚焦超声探头在介质中由于透镜聚焦并不是聚焦成一个点，而是形成一定长度的聚焦焦柱，根据点聚焦超声探头相关理论，焦柱直径计算如下：
式中，c表示超声波在水中的传播速度，Φ表示焦柱直径，Lj表示焦柱长度，D表示晶片直径，F表示焦距；
将聚焦超声探头放在试块上方，通过多自由度调节平台调节聚焦超声探头位置，先通过理论公式计算大概聚焦位置，然后通过多自由度平台调节聚焦超声探头上下距离以及角度，使得聚焦超声探头聚焦在接触界面处；
(2)聚焦直径试验测量与超声反射回波信号的采集
利用多自由度调节平台移动聚焦超声探头，使其经过两个反射率发生明显变化的界面，选择钢-空气界面或钢-空气-钢界面，根据实际情况每次移动合适的距离，测量并记录边界附近界面的超声反射回波；测量过程中，首先需要保证聚焦超声探头的聚焦位置位于钢-空气界面或者钢-空气-钢的界面上；
(3)聚焦超声探头聚焦直径的获得
在实际情况下，由于聚焦超声探头聚焦区域的存在及其平均作用，在分界面附近必然存在过渡区域；在过渡区域内，聚焦区域一部分在钢-空气界面上，反射率较大，而另一部分在钢-空气-钢界面上，反射率较小，而聚焦区域完全在钢-空气界面和完全在钢-空气-钢界面时，反射率基本保持不变，因此聚焦超声探头聚焦区域直径等于聚焦超声探头刚刚由钢-空气界面进入钢-空气-钢界面到刚刚完全出钢-空气-钢界面，也就是经过过渡区域聚焦超声探头所移动的距离；设n为过渡区域总测量点数，且包括两个边界点，dis为测量点间距，则聚焦区域直径为：
Φ＝(n-1)·dis (2)。
2.根据权利要求1所述的一种用于聚焦超声探头实际工作中聚焦直径的测量方法，其特征在于，步骤(1)中聚焦超声探头与试件之间的介质是水，所测的是聚焦超声探头经过水的聚焦直径。
3.根据权利要求1所述的一种用于聚焦超声探头实际工作中聚焦直径的测量方法，其特征在于，步骤(1)中为了使聚焦超声探头聚焦焦柱位于界面上，先通过理论公式计算大概聚焦位置，粗调多自由度调节平台使得聚焦超声探头聚焦于该位置，观察反射回波，然后通过多自由度调节平台对聚焦超声探头上下距离以及角度进行微调，最终使得聚焦超声探头位于合适的位置。
4.根据权利要求1所述的一种用于聚焦超声探头实际工作中聚焦直径的测量方法，其特征在于，步骤(2)中为了保证试验测量精度，降低试验随机误差，根据实际情况对每个测量点记录反射回波多次然后取平均值，在进行反射率的计算。
5.根据权利要求1所述的一种用于聚焦超声探头实际工作中聚焦直径的测量方法，其特征在于，步骤(2)中，利用多自由度调节平台移动聚焦超声探头，使聚焦超声探头经过的界面是由钢-空气界面经过接触边缘区域完全进入钢-空气-钢界面，或者通过钢-水界面和钢-水-钢界面。
6.根据权利要求1所述的一种用于聚焦超声探头实际工作中聚焦直径的测量方法，其特征在于，步骤(3)中，聚焦超声探头聚焦直径的获得是通过聚焦超声探头经过过渡区域所移动的距离得到的，而聚焦超声探头在过渡区域的距离是通过聚焦超声探头聚焦区域在钢-空气界面上与钢-空气-钢界面上的反射率的差异规律得到的。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201911283086.2A CN111077225A (zh) | 2019-12-13 | 2019-12-13 | 一种用于聚焦超声探头实际工作中聚焦直径的测量方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201911283086.2A CN111077225A (zh) | 2019-12-13 | 2019-12-13 | 一种用于聚焦超声探头实际工作中聚焦直径的测量方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111077225A true CN111077225A (zh) | 2020-04-28 |
Family
ID=70314406
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201911283086.2A Withdrawn CN111077225A (zh) | 2019-12-13 | 2019-12-13 | 一种用于聚焦超声探头实际工作中聚焦直径的测量方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111077225A (zh) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06154219A (ja) * | 1992-11-25 | 1994-06-03 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 超音波機器の受信ビームプロフィールの測定方法およびその装置 |
| CN2202913Y (zh) * | 1994-01-11 | 1995-07-05 | 武汉工业大学 | 一种光斑直径测量装置 |
| JPH10213429A (ja) * | 1997-01-28 | 1998-08-11 | Nippon Panametorikusu Kk | 超音波点集束水浸探触子のビーム径測定用ターゲット及びそのビーム径測定方法及びそのビーム径測定装置 |
| CN101539542A (zh) * | 2008-03-21 | 2009-09-23 | 宝山钢铁股份有限公司 | 一种水浸聚焦探头性能测试装置及其测试方法 |
-
2019
- 2019-12-13 CN CN201911283086.2A patent/CN111077225A/zh not_active Withdrawn
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06154219A (ja) * | 1992-11-25 | 1994-06-03 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 超音波機器の受信ビームプロフィールの測定方法およびその装置 |
| CN2202913Y (zh) * | 1994-01-11 | 1995-07-05 | 武汉工业大学 | 一种光斑直径测量装置 |
| JPH10213429A (ja) * | 1997-01-28 | 1998-08-11 | Nippon Panametorikusu Kk | 超音波点集束水浸探触子のビーム径測定用ターゲット及びそのビーム径測定方法及びそのビーム径測定装置 |
| CN101539542A (zh) * | 2008-03-21 | 2009-09-23 | 宝山钢铁股份有限公司 | 一种水浸聚焦探头性能测试装置及其测试方法 |
Non-Patent Citations (6)
| Title |
|---|
| MITCHELL M.GOODSITT等: "An Automated Ultrasound Transducer Beam Profiling system", 《TECHNICAL NOTES》 * |
| 张志永编著: "《水浸聚焦超声波探伤原理》", 31 October 1985 * |
| 申巍等: "固体绝缘材料内部缺陷形貌的超声检测研究", 《高压电器》 * |
| 耿喆: "超声c扫描系统成像质量评价方法研究", 《万方数据》 * |
| 邹军: "水层对钢锻件水浸超声检测影响研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技I辑》 * |
| 黄隐等: "国内外超声探头性能测试标准的比较与分析", 《无损检测》 * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5497662A (en) | Method and apparatus for measuring and controlling refracted angle of ultrasonic waves | |
| US7900516B2 (en) | Ultrasonic flaw detection apparatus and ultrasonic flaw detection method | |
| Camacho et al. | Ultrasonic crack evaluation by phase coherence processing and TFM and its application to online monitoring in fatigue tests | |
| CA2608483A1 (en) | Ultrasonic inspection method | |
| CN103293225B (zh) | 锅炉水冷壁管氢损伤超声波检测与诊断方法 | |
| CN106840053B (zh) | 一种角焊缝焊脚尺寸及内部缺陷超声无损测量方法 | |
| CN111337171A (zh) | 一种应用于临界折射纵波应力检测的声时差测量方法 | |
| US8660804B2 (en) | Measuring method and system for components, in particular for pistons and piston engines | |
| JP4332531B2 (ja) | 膜厚較正曲線の取得方法 | |
| CN115540790A (zh) | 一种高精度超声厚度测量方法和装置 | |
| CN113311066A (zh) | 汽轮机转子轮缘反t型叶根槽相控阵超声纵波检测方法 | |
| US20020194916A1 (en) | Method for inspecting clad pipe | |
| CA2916312A1 (en) | Method and device for defect-size evaluation | |
| CN103075981A (zh) | 一种超声波测厚方法 | |
| JP3581333B2 (ja) | 超音波パルスのエコー高さを利用した配管内面腐食の形状寸法の推定方法 | |
| CN111077225A (zh) | 一种用于聚焦超声探头实际工作中聚焦直径的测量方法 | |
| JP4371364B2 (ja) | 厚肉構造物の自動超音波探傷装置および自動超音波探傷方法 | |
| CN216246171U (zh) | 一种基于超声波的涂层厚度测量装置 | |
| RU2231753C1 (ru) | Способ измерения толщины изделия с помощью ультразвуковых импульсов | |
| CN111060044B (zh) | 一种采用水浸式C-scan设备测量焊接型靶材厚度的方法 | |
| JP2008292385A (ja) | 超音波検査の感度補正方法 | |
| RU2714868C1 (ru) | Способ обнаружения питтинговой коррозии | |
| US6807860B1 (en) | Multiple alloy rotor transition zone measurement system and method | |
| Chen et al. | Thickness measurement optimisation for permanently installed inductively coupled ultrasonic transducer systems | |
| CN218937340U (zh) | 一种高精度超声厚度测量装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20200428 |
|
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |