CN111413412A - 一种超声波探头折射角的测量方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种超声波探头折射角的测量方法，包括步骤：S100、采用单探头检测模式，将待测探头朝向试块有刻度一侧并置于试块的矩形面的大致中心位置扫查，在找到最高反射波后保持探头与试块相对静止；S200、采用串列扫查模式，串列探头在试块的圆柱面上扫查，找到最高波，此时，串列探头的中心线对应的试块上的角度的刻度值，即为探头折射角的值。所述测量方法通过串列探头直接接受待测探头的直射波，并在试块上直接读出探头折射角的值，避免了常规方法中反射波达最高时探头位置偏差、波束经过反射体反射后易受干涉、反射体虚焦点位置、探头前沿和距离测量精度等多种因素的影响造成误差大的问题，提高了测量精度和便捷性。

Description

一种超声波探头折射角的测量方法
本申请要求于2019年01月04日提交中国专利局、申请号为201910008541.1、发明名称为“一种超声波探头折射角的测量方法”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本发明涉及无损检测领域的超声波检测技术，特别涉及一种超声波探头折射角的测量方法。
背景技术
在无损检测领域中，超声波检测占有很重要的地位，尤其是A型脉冲反射式超声波检测，超声波探头是进行超声波检测所使用的传感器，与检测仪器连接，超声波探头受检测仪器提供的电脉冲激励发射超声波，并可将接受到的超声波变成电信号反馈至检测仪器。而准确测量超声波探头的折射角，是正确实施检测工艺，保证缺陷检出率、正确定性和精确定量的前提，折射角为在超声波声场中，折射声束轴线与法线的夹角β。
当前普遍采用的测量超声波探头折射角的方法是探测标准试块(CSK-IA、ⅡW和ⅡW2等)中的标准反射体，具体测量方法为：探头放在标准试块的检测面(探头与试块的接触面)上，探头向标准试块上发射超声波，超声波进入标准试块后折射，折射的声束经标准试块的标准反射体反射，移动探头，当探头找到反射波幅最大值后在试块上去顶折射角或测量计算折射角。但是，在定位确定折射角时，探头的入射点(超声波探头发射的声束轴线与检测面的交点)标注的准确性会影响折射角的判断，探头侧面与试块侧面的平行度影响折射角的判断；在测量计算折射角时，折射角需要根据测量的数据计算得到，而探头前沿距离(入射点至探头前沿的距离，探头前沿为图中的探头的右端面)测量的误差、探头前沿到标准试块边缘的距离、探头检测面与试块检测面的平行度和反射体的虚焦点位置等都影响探头折射角计算的精度。
综上所述，提高超声波探头折射角的测量精度问题，提高折射角检测的便捷性，也是一项具有重要现实意义的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种超声波探头折射角的测量方法，以提高超声波探头折射角的测量精度和测量的便捷性。
为达到上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种超声波探头折射角的测量方法，包括步骤：
S100、采用单探头检测模式，将待测探头朝向半圆形的试块有刻度一侧并置于所述试块的矩形面的大致中心位置扫查，在找到最高反射波后保持待测探头与所述试块相对静止；
S200、采用串列扫查模式，将串列探头在试块的圆柱面上扫查，找到最高波后保持串列探头与试块相对静止，读取串列探头的中心线对应的试块上的角度标尺的刻度值，得到待测探头的折射角的值。优选地，在上述的超声波探头折射角的测量方法中，还包括步骤S300：依次重复所述步骤S100和所述步骤S200多次，得到多个折射角，求平均值，作为最终的折射角。
优选地，在上述的超声波探头折射角的测量方法中，在所述步骤S100中的移动待测探头至找到最高反射波后，先调整最高反射波的波幅高度至示波屏的70％～85％波高后，再保持待测探头和试块相对静止。
优选地，在上述的超声波探头折射角的测量方法中，在所述步骤S100中的保持待测探头和试块相对静止后，还可以进行待测探头的探头前沿距离测量并记录。
优选地，在上述的超声波探头折射角的测量方法中，所述试块的中心处靠近所述试块的半圆平面的位置设置有垂直于所述矩形面的径向切槽。
优选地，在上述的超声波探头折射角的测量方法中，所述试块的两侧半圆平面的圆弧边缘均标注有角度标尺；所述径向切槽的数量为两个，且对称布置于所述试块的两侧半圆平面内侧。
优选地，在上述的超声波探头折射角的测量方法中，所述径向切槽沿所述试块的轴向的深度为3mm～6mm，所述径向切槽沿所述试块的径向的深度为10mm～15mm，所述径向切槽的间隙宽度为0.3mm～0.6mm。
优选地，在上述的超声波探头折射角的测量方法中，所述角度标尺包括刻度线和角度值。
优选地，在上述的超声波探头折射角的测量方法中，所述角度值为数值5的奇数倍时，该角度值所对应的刻度线为中刻度线，所述角度值为数值5的偶数倍以及所述角度值为零时，该角度值所对应的所述刻度线为长刻度线，其余刻度线为短刻度线。
优选地，在上述的超声波探头折射角的测量方法中，所述待测探头为横波斜探头，所述串列探头为纵波直探头。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的超声波探头折射角的测量方法为：将待测探头放置于半圆形的试块的矩形面的靠近中心位置，移动待测探头，直至待测探头找到最高反射波后停止移动，待测探头的入射点位于试块的中心位置；再将与待测探头串列的串列探头在试块的圆柱面上探测，待串列探头找到最高波幅后停止移动，读取串列探头的中心线对应的试块上的角度标尺的刻度值，得到待测探头的折射角。由于采用的试块具有角度标尺，因此，通过串列探头接收待测探头的直射波声束并定位，直接读取角度标尺便可以得到折射角的值，可避免通常方法中反射波达最高时探头位置偏差、波束经过反射体反射后易受干涉、反射体虚焦点位置、探头前沿和距离测量精度等多种因素的影响造成误差大的问题，提高了测量精度和便捷性。
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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种超声波探头折射角的测量方法的原理示意图；
图2为本发明实施例提供的一种超声波探头折射角的测量方法所使用的试块的径向切槽处的径向截面示意图。
其中，1为试块、11为矩形面、12为半圆平面、13为圆柱面、14为径向切槽、2为待测探头、3为串列探头。
具体实施方式
本发明的核心是提供了一种超声波探头折射角的测量方法，提高了超声波探头折射角的测量精度，使探头折射角测量更便捷。
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，所描述的实施例仅仅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做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。
请参考图1和图2，本发明实施例提供了一种超声波探头折射角的测量方法，以下简称测量方法，步骤包括：
步骤S100，采用单探头检测模式，将待测探头朝向半圆形的试块有刻度一侧并置于所述试块的矩形面的大致中心位置扫查，在找到最高反射波后保持待测探头与所述试块相对静止；
步骤S200，采用串列扫查模式，将串列探头在试块的圆柱面上扫查，找到最高波后保持串列探头与试块相对静止，读取串列探头的中心线对应的试块上的角度标尺的刻度值，得到待测探头的折射角的值。该测量方法由于采用的半圆形的试块具有角度标尺，通过串列探头接收待测探头的直射波声束并定位，直接读取角度标尺便可以得到折射角的值不需要通过测量其它尺寸数据，再进行计算，既简化了测量程序，同时可避免通常方法中反射波达最高时探头位置偏差、波束经过反射体反射后易受干涉、反射体虚焦点位置、探头前沿和距离测量精度等多种因素的影响造成误差大的问题，提高了测量精度和便捷性。
进一步地，在本实施例中，测量方法还包括步骤S300：依次重复步骤S100和步骤S200多次，至少三次，得到多个折射角，对多个折射角求平均值，作为最终的折射角。
更进一步地，在本实施例中，在步骤S100中的移动待测探头至找到最高反射波后，先调整检测仪器，使最高反射波的波幅高度至超声波检测仪示波屏的70％～85％波高后，再保持待测探头和试块相对静止。通过调整波高，以便更加清楚地观察和测量。
在本实施例中，在步骤S100中的保持待测探头和试块相对静止后，还可进行待测探头的探头前沿距离测量，以便对待测探头的探头前沿距离进行校对。
如图1和图2所示，在本实施例中，半圆形的试块1具有圆柱面13、矩形面11和两侧半圆平面12，试块1的中心处靠近半圆平面12的位置还设置有垂直于矩形面11的径向切槽14。
在测量超声波探头折射角时，将待测探头2放置于试块1的矩形面11的大致中心位置，移动待测探头2，找到最高反射波后，保持待测探头2和试块1之间相对静止不动，此时，待测探头2的入射点位于试块1的中心位置，即位于径向切槽14处，再将与待测探头2串列的串列探头3在圆柱面13上移动，找到最高波幅后，则串列探头3的中心线对应的试块1上的角度标尺15的刻度值即为待测探头2的折射角。由于该试块1的中心处设置有径向切槽14，径向切槽14用于定位探头入射点，确定探头前沿距离，且通过径向切槽14减轻了试块1的半圆平面12对超声波的干涉，进一步提高了测量精度。
在本实施例中，试块1的半径为50mm～80mm，更优选为60mm，声程超出一般探头的近场区，避免测试结果受超声波近场区的影响。
进一步地，在本实施例中，试块1的厚度为20mm～30mm，更优选为25mm，由于厚度较薄，保证了试块1较小的重量。
如图2所示，在本实施例中，试块1的两侧半圆平面12的圆弧边缘均标注有角度标尺15；试块中心位置径向切槽14的数量为两个，且对称布置于试块1的两侧半圆平面12的内侧，即每个半圆平面12内侧均开设有径向切槽14，从而减轻了半圆平面12对超声波声束所形成的的侧壁干涉的影响。
进一步地，径向切槽14沿试块1的轴向的深度为3mm～6mm，更优选为5mm，径向切槽14沿试块1的径向的上下深度为10mm～15mm，径向切槽14的间隙宽度为0.3mm～0.6mm，更优选为0.5mm。径向切槽14的下部通过圆弧过渡，圆弧半径为0.5mm。
在本实施例中，角度标尺15包括刻度线152和角度值151，方便快速读取折射角的数值。当然，角度标尺15也可以只包括刻度线152，通过查数刻度线152的数量也能得到折射角的数值。
进一步地，在本实施例中，角度值151为数值5的奇数倍时，即角度值151为5、15、25、35、45、55等时，该角度值151所对应的刻度线152的长度为中刻度线，角度值151为数值5的偶数倍以及角度值151为零时，即角度值151为0、10、20、30、40、50、60等时，该角度值151所对应的刻度线152为长刻度线。其余刻度线152为短刻度线，且短刻度线的角度值不用标注出来，只标注长刻度线和中刻度线对应的角度值151。通过长刻度线、中刻度线和短刻度线能够便于识别，更清楚快速地读取折射角的数值。
在本实施例中，试块1的圆柱面13和矩形面11的粗糙度Ra≤3.2，试块1的半圆平面12的粗糙度Ra≤6.3。
进一步地，在本实施例中，为保证试块的性能均匀，试块1采用锻造件加工制作。
更进一步地，在本实施例中，试块1的材质或声速应与实际工程待检测件的材质相同或声速相同或相近。例如：被检测件为碳钢和低合金钢时，试块1的材质采用A3碳素结构钢；被检测件为高合金钢或奥氏体钢或其他有色金属材料时，试块1则选用与被检测件材料相同或声束相近的材料。
加工试块用的钢坯应经过无损检测，保证内部无分层、夹杂物、气孔、白点等影响超声波传输的缺陷。
以下通过几个具体实施例进行介绍：
实施例一
选一横波斜探头作为待测探头，其折射角为63.43°，选一晶片直径8mm的纵波直探头作为串列探头。
步骤S100，将检测仪器置于单探头检测模式，连接待测探头。按图1，将待测探头前部朝试块有角度标尺的一侧置于试块的矩形面上大致中心位置，移动探头，找到最高反射波后，将检测仪器示波屏中的波高调至80％波高，保持待测探头和试块之间相对静止不动。
步骤S200，再将检测仪器置于串列检测模式，将串列探头置于试块的圆柱面，沿圆柱面中间位置上下移动串列探头，找到最高波幅，此时串列探头的中心线对应的试块的角度标尺的刻度值即为待测探头的折射角。
目视观测串列探头中心线对应的刻度值为：折射角β＝61.3°，计算得K≈1.826；探头前沿距离＝10.2mm。
重复步骤S100和步骤S200，第二次测量值为：折射角β＝61.4°，计算得K≈1.834；探头前沿距离＝10.2mm。
重复步骤S100和步骤S200，第三次测量值为：折射角β＝61.3°，计算得K≈1.826；探头前沿距离＝10.1mm。
计算三次测量的平均值：折射角β＝61.3°，计算得K≈1.83；探头前沿距离＝10.2mm。
实施例二
选一纵波小角度探头作为待测探头，其折射角为8°，选一晶片直径8mm的纵波直探头作为探头。
按照上述实施例一步骤测量数据如下：
第一次测量折射角为：折射角β＝7.7°；
第二次测量折射角为：折射角β＝7.7°；
第三次测量折射角为：折射角β＝7.6°，计算得K≈7.7。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种超声波探头折射角的测量方法，其特征在于，包括步骤：
S100、采用单探头检测模式，将待测探头朝向半圆形的试块有刻度一侧并置于所述试块的矩形面的大致中心位置扫查，在找到最高反射波后保持待测探头与所述试块相对静止；
S200、采用串列扫查模式，将串列探头在试块的圆柱面上扫查，找到最高波后保持串列探头与试块相对静止，读取串列探头的中心线对应的试块上的角度标尺的刻度值，得到待测探头的折射角的值。
2.根据权利要求1所述的超声波探头折射角的测量方法，其特征在于，还包括步骤S300：依次重复所述步骤S100和所述步骤S200多次，得到多个折射角，求平均值，作为最终的折射角。
3.根据权利要求1或2任一项所述的超声波探头折射角的测量方法，其特征在于，在所述步骤S100中的移动待测探头至找到最高反射波后，先调整最高反射波的波幅高度至超声波检测仪示波屏的70％～85％波高后，再保持待测探头和试块相对静止。
4.根据权利要求3所述的超声波探头折射角的测量方法，其特征在于，在所述步骤S100中的保持待测探头和试块相对静止后，还进行待测探头的探头前沿距离测量并记录。
5.根据权利要求1所述的超声波探头折射角的测量方法，其特征在于，所述试块的中心处靠近所述试块的半圆平面的内侧设置有垂直于所述矩形面的径向切槽。
6.根据权利要求5所述的超声波探头折射角的测量方法，其特征在于，所述试块的两侧半圆平面的圆弧边缘均标注有角度标尺；所述径向切槽的数量为两个，且对称布置于所述试块的两侧半圆平面内侧。
7.根据权利要求6所述的超声波探头折射角的测量方法，其特征在于，所述径向切槽沿所述试块的轴向的深度为3mm～6mm，所述径向切槽沿所述试块的径向的深度为10mm～15mm，所述径向切槽的间隙宽度为0.3mm～0.6mm。
8.根据权利要求1所述的超声波探头折射角的测量方法，其特征在于，所述角度标尺包括刻度线和角度值。
9.根据权利要求8所述的超声波探头折射角的测量方法，其特征在于，所述角度值为数值5的奇数倍时，该角度值所对应的刻度线为中刻度线，所述角度值为数值5的偶数倍以及所述角度值为零时，该角度值所对应的所述刻度线为长刻度线，其余刻度线为短刻度线。
10.根据权利要求1所述的超声波探头折射角的测量方法，其特征在于，所述待测探头为横波斜探头，所述串列探头为纵波直探头。
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