CN111458411A - 一种多角度超声波监测固体缺陷的装置、系统和识别方法 - Google Patents

一种多角度超声波监测固体缺陷的装置、系统和识别方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及超声波检测技术领域，目的是提供一种多角度超声波监测固体缺陷的装置，本发明包括油浸在安装底座上的旋转块B、油浸在所述旋转块B内部的旋转块A，所述安装底座上设置有第一步进电机，所述第一步进电机的输出轴与所述旋转块B连接，所述旋转块B上设置有第二步进电机，所述第二步进电机的输出轴与所述旋转块A连接，所述旋转块A上还设置有压电换能器，还包括有控制单元和无线通讯模块，所述控制单元分别与所述第一步进电机、第二步进电机和压电换能器连接，所述控制单元通过所述无线通讯模块与用户端连接，本发明结构合理，实用性强，适合推广。

Description

一种多角度超声波监测固体缺陷的装置、系统和识别方法
技术领域
本发明涉及超声波监测领域，具体涉及一种多角度超声波监测固体缺陷的装置、系统和识别方法。
背景技术
大规模在役大型钢件长期受到拉压剪切力的影响，在结构件内部反复存在变化的应力，如若长期服役则会在结构件内部产生一系列缺陷(主要为裂纹)，这些裂纹对安全生产、运营关系甚大，严重威胁生命财产安全。传统的缺陷检测方法主要是人工作业，用涡流，超声波，X光等无损检测方法，这些方法较为单一，大部分为高空作业，其工况恶劣、现场准备工作复杂，对操作要求高，均不能实现对关键部位进行自动化实时监测，更没有长期可靠的数据进行分析，甚至在许多大型件监测领域还没有有效可靠的缺陷监测系统。
CN106568841A，重载荷行车大梁裂纹缺陷的监测方法，该发明公开了一种重载荷行车大梁裂纹缺陷的监测方法，本方法选择满足灵敏度要求的电磁超声表面波探头，并且呈相对或并排布置于行车大梁腹板位于柱肩梁的弧形部位；将探头电缆接插端与电磁超声波数据采集仪相联，进行现场回波数据采集，观察回波变化，以使行车大梁腹板的弧形表面结构回波刚刚消失的探头声束角度位置作为固定探头的位置；探头固定后，定期采集和保存每一探头的波形数据并比较，当发现明显的异常回波时，采取可靠方式进行回波性质确认；对于判定为裂纹缺陷的异常回波通过定期采集回波数据的方式确定其扩展状况，以判定行车大梁是否开裂。本方法克服了传统检测方式的缺陷，通过监测预报，及时发现安全隐患，避免事故带来的巨大损失。
因此,需要一款装置和检测方法，能够自动化的实时监测大型钢件关键部位的裂纹，易于安装、实现快速的缺陷定位，实现360度的全方位自动检测。
发明内容
本发明针对目前大型钢件关键部位裂纹缺陷监测扫描范围小，非定点检测，自动化程度低，无法三维成像、作业环境恶劣等问题，提出了一种三维扫描式超声波监测大型钢件裂纹缺陷的装置和方法；
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种多角度超声波监测固体缺陷的装置，包括油浸在安装底座上的旋转块B、油浸在所述旋转块B内部的旋转块A，所述安装底座上设置有第一步进电机，所述第一步进电机的输出轴与所述旋转块B连接，所述旋转块B上设置有第二步进电机，所述第二步进电机的输出轴与所述旋转块A连接，所述旋转块A上还设置有压电换能器，还包括有控制单元和无线通讯模块，所述控制单元分别与所述第一步进电机、第二步进电机和压电换能器连接，所述控制单元通过所述无线通讯模块与用户端连接。
优选的，所述旋转块A、所述旋转块B和所述安装底座均采用相同的固体材质制成，其中，所述旋转块A、所述旋转块B和所述安装底座之间填充有润滑油。
优选的，所述旋转块B的边缘设置有齿轮槽，所述第一步进电机的输出轴上设置有传动齿轮，所述传动齿轮与所述齿轮槽啮合。
优选的，所述第一步进电机上设置有第一角度编码器，所述第二步进电机设置有第二角度编码器，所述第一角度编码器获取所述旋转块B的旋转角度数据，所述第二角度编码器获取所述旋转块A的旋转角度数据，所述第一角度编码器和所述第二角度编码器均与所述控制单元连接，所述控制单元包括有分别与激励电路和采集电路连接的单片机，所述激励电路与所述采集电路均与所述压电换能器连接，所述采集电路包括有放大电路和AD采集电路，所述单片机通过AD采集电路与所述放大电路连接，所述放大电路与所述压电换能器连接。
优选的，所述安装底座上设置有环状磁铁，所述安装底座通过所述环状磁铁与待检测固体连接。
优选的，所述安装底座通过粘附环氧树脂胶与待监测固体连接。
一种多角度超声波监测固体缺陷的系统，包括有旋转机构、连接模块和用户处理端；
所述旋转机构上包括有压电超声波换能器、步进电机和角度编码器，所述连接模块包括有激励源电路、步进驱动电路、无线通讯模块和信号采集电路，所述用户处理端包括有无线接收模块和超声波数据分析系统；
用户在所述用户处理端输入指令，通过连接模块中的激励源电路和所述步进驱动电路驱动所述旋转机构上的步进电机工作，所述压电超声波换能器通过对待监测固体上进行超声波扫描，并将扫描后的超声波数据经由所述连接模块发送至所述用户处理端，通过超声波数据分析系统得到待监测固体上裂纹缺陷的位置信息。
一种多角度超声波监测固体缺陷的方法，包括以下步骤:
步骤1：在待监测固体上放置有旋转机构，用户通过在用户处理端上输入启动信号，所述用户处理端通过无线模块发送出指令给单片机；
步骤2：所述单片机控制所述旋转机构转动，所述单片机上的激励源电路驱动所述压电超声换能器工作，所述旋转机构上的压电超声换能器在转动的同时进行超声波的发射和超声波的回波采集；
步骤3：所述单片机上的信号采集电路接收超声波的回波信号并通过无线通讯模块发送至用户处理端，用户处理端通过对超声波分析系统进行处理，通过对超声波回波信号实现缺陷的三维还原，通过三维还原图得到缺陷的大小和位置数据，并启动缺陷预警系统。
优选的，根据步骤2中，所述单片机上还连接有角度信号读取电路、步进电机驱动电路和温度采集电路，所述旋转机构上的步进电机的输出端上设置有角度编码器，所述角度编码器与所述角度信号读取电路连接，所述步进电机驱动电路与所述步进电机连接并驱动所述步进电机工作，所述温度采集电路采集所述压电超声换能器上的温度值，所述单片机通过与无线通讯模块连接与用户处理端无线连接。
优选的，所述步骤2中，所述旋转机构包括有X轴转动机构和Z轴转动机构，所述X轴转动机构以X轴为旋转中心进行转动，所述Z轴转动机构以Z轴为旋转中心进行转动，所述压电超声换能器位于所述X轴转动机构上，所述压电超声换能器通过所述旋转机构在待监测固体上形成半球形的扫描区间。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1.体积小巧安装方便，一次定点安装即可实现长期在线监测裂纹发展情况，便于生产管理；
2.三维超声波扫描裂纹缺陷，扫描三维图形直观且方便故障诊断，扫描范围广深度深，智能识别裂纹大小和位置，自动实时监测，无线数据传输。
附图说明
图1为本发明的一种多角度超声波监测固体缺陷的方法的工作示意图；
图2为本发明的实施例中压电换能器发射超声波的示意图；
图3为本发明的实施例中位置深度为5mm的裂纹回波示意图；
图4为本发明的实施例中位置深度为40mm的裂纹回波示意图；
图5为本发明的实施例中装置的正视图；
图6为本发明的实施例中装置的剖视图；
图7为本发明的实施例中装置的俯视图；
图8为本发明的实施例中装置的主视图；。
图9为本发明的实施例中超声波发射路线的示意图。
附图标记说明:1、安装底座；2、旋转块A；3、旋转块B；4、第一步进电机；5、第二步进电机；6、第二角度编码器；7、磁铁；8、齿轮槽；9、传动齿轮；10、压电换能器。
具体实施方式
下面结合本发明的附图1～9，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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“逆时针”、“顺时针”“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1：
一种多角度超声波监测固体缺陷的装置，包括油浸在安装底座1上的旋转块B3、油浸在所述旋转块B3内部的旋转块A2，所述安装底座1上设置有第一步进电机4，所述第一步进电机4的输出轴与所述旋转块B3连接，所述旋转块B3上设置有第二步进电机，所述第二步进电机5的输出轴与所述旋转块A2连接，所述旋转块A2上还设置有压电换能器10，还包括有控制单元和无线通讯模块，所述控制单元分别与所述第一步进电机4、第二步进电机5和压电换能器10连接，所述控制单元通过所述无线通讯模块与用户端连接。
值得说明的是，请参照图5，所述旋转块A2、所述旋转块B3和所述安装底座1均采用相同的固体材质制成，其中，所述旋转块A2、所述旋转块B3和所述安装底座1之间填充有润滑油。
值得说明的是，请参照图6，所述旋转块B3的边缘设置有齿轮槽8，所述第一步进电机4的输出轴上设置有传动齿轮9，所述传动齿轮9与所述齿轮槽8啮合，请参照图7。
值得说明的是，所述第一步进电机4上设置有第一角度编码器，所述第二步进电机5设置有第二角度编码器6，所述第一角度编码器获取所述旋转块B3的旋转角度数据，所述第二角度编码器6获取所述旋转块A2的旋转角度数据，所述第一角度编码器和所述第二角度编码器6均与所述控制单元连接，所述控制单元包括有分别与激励电路和采集电路连接的单片机，所述激励电路与所述采集电路均与所述压电换能器10连接，所述采集电路包括有放大电路和AD采集电路，所述单片机通过AD采集电路与所述放大电路连接，所述放大电路与所述压电换能器10连接。
值得说明的是，请参照图7，所述安装底座上设置有环状磁铁，所述安装底座通过所述环状磁铁与待检测固体连接。
值得说明的是，请参照图8，所述安装底座通过粘附环氧树脂胶与待监测固体连接。
值得说明的是，简单处理安装位置使之较为平整无锈，将环氧树脂均匀涂抹于传感器底部，利用拨叉式磁体吸附机构牢固吸合在被测件表面。上电后输入扫描范围并使下位机与上位机通信握手，由单片机控制第一步进电机和第二步进电机的转动，同时读取角度信号α和β。单片机控制激励源发射激励，同时开始采集信号，每一对角度α和β位置对应一组超声波回波数据，该信号经带通滤波(中心频率与超声波频率一致，如2.5MHz)和程控放大，由AD采样电路读取至单片机，采样频率为25MHz。读取的温度信号用于修正声速，上述诸多数据预处理后先暂存到存储器中，紧接着下一次扫描，全部扫描完毕后用无线通讯模块将所有的数据上传至计算机，计算机将数据保存至数据库，再由波形分析软件调取数据并计算参数，建立扫描模型，最终识别裂纹的大小和位置，计算机可以绘制监测情况曲线，分析裂纹的发展情况。
实施例2：
一种多角度超声波监测固体缺陷的系统，包括有旋转机构、连接模块和用户处理端；
所述旋转机构上包括有压电超声波换能器、步进电机和角度编码器，所述连接模块包括有激励源电路、步进驱动电路、无线通讯模块和信号采集电路，所述用户处理端包括有无线接收模块和超声波数据分析系统；
用户在所述用户处理端输入指令，通过连接模块中的激励源电路和所述步进驱动电路驱动所述旋转机构上的步进电机工作，所述压电超声波换能器通过对待监测固体上进行超声波扫描，并将扫描后的超声波数据经由所述连接模块发送至所述用户处理端，通过超声波数据分析系统得到待监测固体上裂纹缺陷的位置信息。
实施例3:
一种多角度超声波监测固体缺陷的方法，包括以下步骤:
步骤1：在待监测固体上放置有旋转机构，用户通过在用户处理端上输入启动信号，所述用户处理端通过无线模块发送出指令给单片机；
步骤2：所述单片机控制所述旋转机构转动，所述单片机上的激励源电路驱动所述压电超声换能器工作，所述旋转机构上的压电超声换能器在转动的同时进行超声波的发射和超声波的回波采集；
步骤3：所述单片机上的信号采集电路接收超声波的回波信号并通过无线通讯模块发送至用户处理端，用户处理端通过对超声波分析系统进行处理，通过对超声波回波信号实现缺陷的三维还原，通过三维还原图得到缺陷的大小和位置数据，并启动缺陷预警系统。
值得说明的是，根据步骤2中，所述单片机上还连接有角度信号读取电路、步进电机驱动电路和温度采集电路，所述旋转机构上的步进电机的输出端上设置有角度编码器，所述角度编码器与所述角度信号读取电路连接，所述步进电机驱动电路与所述步进电机连接并驱动所述步进电机工作，所述温度采集电路采集所述压电超声换能器上的温度值，所述单片机通过与无线通讯模块连接与用户处理端无线连接。
值得说明的是，请参照图5，所述步骤2中，所述旋转机构包括有X轴转动机构和Z轴转动机构，所述X轴转动机构以X轴为旋转中心进行转动，所述Z轴转动机构以Z轴为旋转中心进行转动，所述压电超声换能器位于所述X轴转动机构上，所述压电超声换能器通过所述旋转机构在待监测固体上形成半球形的扫描区间，请参照图6。
值得说明的是，请参照图7，安装底座、旋转块A、旋转块B这三者必须用同一种材料，旋转块A、旋转块B和安装底座之间的安装间隙均由油填充。第一步进电机A驱动旋转块A以Y轴做旋转运动，带动旋转块A上的压电换能器转动，从而向不同角度方向发射超声波，运动角度由安装在步进电机轴上的角度编码器读取，实现对旋转角度的精确控制，旋转角度范围由旋转块A的材料声速和压电换能器中心离安装底座的距离h决定(比如：旋转块用有机玻璃，压电换能器中心离安装底座的距离40mm，旋转角度为正负60度)。第二步进电机B驱动旋转块B以X轴做旋转运动，总的旋转角度为360度。旋转运动均是实时的角度控制系统，第二步进电机B每递增一个角度(比如递增间隔为2度，则需要转180次)，对应的角度编码器就采集实时的旋转块B的角度信息β，第二步进电机B每递增一个角度停止后，第一步进电机A在每一个第二步进电机B对应的角度β下每隔一定角度旋转一次(比如递增间隔为1度，从正60度一直转到负60度，则需转120次)，对应的角度编码器就采集实时的旋转块A的角度信息α，旋转块A每旋转一个递增间隔角度，单片机就会发送激励指令让压电换能器产生超声波，并由压电换能器接收回波。
值得说明的是，请参照图9，根据超声波传播到两种介质的交界面时会发生反射与透射现象的基本原理。当超声波倾斜入射到交界面时，发生反射和折射，同时伴有波型转换现象。当超声波垂直入射到介质交界面时，发生垂直的反射和透射。设两相邻介质中，介质1中的声速大于介质2中的声速。纵波倾斜入射到两介质交界面时的入射角为。在第一介质中反射出的纵波和横波的反射角分别为和，在第二介质中折射的纵波和横波的折射角分别为和，入射角和反射角以及折射角的关系满足下式，即Snell定律：
Figure BDA0002502836950000081
式中，cL1为介质1中纵波声速，cS1为介质1中横波声速，cL2为介质2中纵波声速，cS2为介质2中横波声速。根据这一基本原理设计了二自由度可变入射角度的超声波传感器，如图1所示，超声波换能器能在X轴和Z轴这两个自由度上自由旋转，旋转机构由有机玻璃组成，机构之间通过油浸的方式耦合在一起，由于声速相似，超声波便能在旋转机构中按步进电机驱动的角度折射到被测体中，随着角度α和β的变化，超声波就历遍了传感器轴中心下方的半球体范围，实现了三维扫描，同时根据角度信号α和β、缺陷回波声时t、有机玻璃和被测件声速、有机玻璃中的补偿声时λ、传感器的几何尺寸等在极坐标下建立三维扫描图，由此来识别缺陷的大小和位置。其中，第一步进电机控制角度α的变化，第二步进电机控制角度β的变化，该旋转机构主要由扇形、柱形、底座、箱体有机玻璃机构组成，间隙均由油浸封装在一起，各段通过联轴器与微型步进电机相连，步进电机轴再与角度编码器相连，实现角度数据的读取。传感器底座通过环氧树脂牢固粘接在被测件上起到耦合作用，最后用磁体吸附式装置固定。根据声速温度表得到有机玻璃和被测件中的声速，则通过处理得到相邻回波信号之间的时间差，再根据有机玻璃中的补偿声时λ计算出超声波在被测件中的行程L。设被测件材料的声速为V，裂纹回波的时间间隔为ΔT，则ΔT：
Figure BDA0002502836950000082
由角度α和β一起建立三维模型，即：
Figure BDA0002502836950000083
其中V1为有机玻璃声速，V2，为被测件声速，
Figure BDA0002502836950000084
为传感器几何尺寸参数，由此得到半球内的离散化的扫描三维模型，即:
Figure BDA0002502836950000091
其中α0由临界角决定，β0为旋转一周360°。
值得说明的是，请参照图6，传感器通过拨叉磁体吸附式装置固定在关键部位，数据通过无线传输给计算机，该磁体吸附装置利用拨叉机构安装，吸力大且可靠性高，方便安装。传感器的配套电路系统有高频高压激励模块，程控放大电路和带通滤波器，有高速AD采集电路和角度编码器数据读取电路，同时具有修正声速的温度补偿电路和步进电机驱动电路，所述电路系统由arm单片机控制。
值得说明的是，如遇缺陷，则会产生如图9所示的回波，进行一次这样的三维扫描需要记录大量的回波信号(比如180X120＝21600个回波信号)，这些大量的回波信号构成了传感器监测范围内被测件内部缺陷裂纹的特征信号，其中裂纹回波的时间间隔是最为重要的特征信号，他表示激励波与裂纹回波的间隔时间，由单片机处理回波信号可以得到，没有缺陷裂纹的地方就不会，出现这个回波信号，即ΔT＝0。每一对α和β对应一个ΔT(比如180X120＝21600个ΔT)。
值得说明的是，只需要得到缺陷的量化点N的极坐标(r，β，θ)，然后在计算机内绘制相同球面极坐标下的空间曲面就能构建缺陷的空间三维模型(比如某处的缺陷可能由50个这样的量化的N点组成)。计算步骤如下：
首先，根据上述Snell定律得到
Figure BDA0002502836950000092
然后再根据三角函数和勾股定理推导出超声波触碰到缺陷后在被测件中的行程
Figure BDA0002502836950000093
于是得到极坐标中的r：
Figure BDA0002502836950000094
同时可以求出θ：
Figure BDA0002502836950000095
上述计算计算过程均由计算机程序自动计算生成并绘制三维图像，这些离散化的大量的点N共同构成了整个监测区域的缺陷形貌，这样就可以得到缺陷的面积和深度。
值得说明的是，请参照图1，单片机发送脉冲信号控制第一步进电机A和第二步进电机B，并读取相应的角度编码器使传感器旋转到初始位置，由单片机控制激励电路发射激励电压信号(比如1000伏)，超声波换能器将电信号转换为声波信号，超声波发射并斜入射进入被测件，如遇到缺陷则超声波散射回波信号，并由超声波换能器接收转变为电信号，经过放大滤波和AD采样，单片机接收到信号后计算激励波与回波的时间ΔT，并将ΔT和对应的α、β通过无线发送模块发送给计算机。在β不变的情况下，α每递增一个值(比如1度)，就执行上述的超声波发射和接收过程，当α完成一次扫面后β才递增一个值(比如2度)，完成所有扫面后最后给计算机发送结束指令，请参照图1。
值得说明的是，请参照图8，本申请中的有机玻璃油浸三维旋转机构的材料可以选用其他固体材料，但是其声速需要接近有机玻璃声速(比如纵波声速2000到3500m/s)且小于被测件声速(比如被测钢铁的声速为5900m/s)，安装底座与旋转块B之间以及旋转块B与旋转块A之间均必须要油浸，让油填满旋转机构的间隙，这样做的目的是让超声波在介质界面尽量减少散射和反着，增大透射率，使机构之间紧密的耦合在一起，这样超声波就可以根据扫描角度耦合到底座底面，进而再斜入射进被测件中。这里的油需要选用与旋转块A材料声速接近的不易挥发的洁净的油。
值得说明的是，这种长期监测的传感器一般每隔两天就扫描一次，每次的信号和在计算机中建立的模型都存贮在数据库中，裂纹预警包括裂纹面积深度预警和裂纹生长率预警，操作人员可以设置一个预警阈值，当每次的监测数据超过这个值时就进行报警，起到监测防控重大事故的作用，裂纹生长率是将每次的裂纹面积与上一次的裂纹面积做差得到ΔS，再绘制ΔS与时间的曲线，如果曲线的斜率发生较大变化(超过阈值)就表示该裂纹将出现较大的开裂可能，就需要报警。预警信号可以集中由计算机显示在屏幕上供操作人员监视。
值得说明的是，在实验室中用电火花加工了几种裂纹，并对钢件内部的这些裂纹进行了扫描，裂纹回波波形如图4所示，如图3所示，并对裂纹深度进行识别，结果如表一，表一是对不同深度的裂纹的实验结果表明，超声波经扫描探测到裂纹后在扫描范围内出现裂纹缺陷回波，而在无裂纹缺陷的空间范围内并未出现回波信号，说明该扫描方法能有效探测裂纹缺陷。通过计算机对回波数据的分析和建模，实现了对裂纹深度的准确识别。
表一
Figure BDA0002502836950000111
综上所述，本发明的实施原理为：具有压电超声波换能器，有机玻璃油浸式二自由度旋转机构、第一步进电机驱动器及角度编码器、第二步进电机驱动器及角度编码器、激励源及信号采集电路、无线数据传输模块、超声波信号智能分析软件、拨叉磁体式吸附安装机构，所述监测大型钢件裂纹缺陷的方法是全自动化的实时监测方法，其特征在于，所述传感器安装方便并能长期固定在大型钢件上进行实时监测，所述方法的扫描范围是以传感器轴心为中心的半球范围，能识别有效面积大于5X5平方毫米的裂纹缺陷，所述系统能无线传输数据，保存大量数据，能建立扫描三维图并对裂纹大小和位置进行判断，所述传感器通过拨叉磁体式吸附安装机构吸附在被测件上，再通过电磁铁增加吸力。所述传感器的超声波换能器能在X轴和Z轴这两个自由度上自由旋转，旋转机构由有机玻璃组成，机构之间通过油浸的方式耦合在一起，由于声速相似，超声波便能在旋转机构中按步进电机驱动的角度折射到被测体中探测裂纹。所述传感器中压电超声波换能器随着角度α和β的变化，超声波就历遍了传感器轴中心下方的半球体范围，实现了三维扫描，同时根据角度信号α和β、缺陷回波声时t、有机玻璃和被测件声速、有机玻璃中的补偿声时λ、传感器的几何尺寸等建立三维扫描图，由此来识别缺陷的大小和位置，所述传感器的配套电路系统有高频(频率接近压电超声波换能器的频率)高压激励信号，程控放大电路和带通滤波器，有高速AD采集电路和角度编码器数据读取电路，同时具有修正声速的温度补偿电路和带减速齿轮的微型步进电机及步进电机驱动电路。所述电路系统由arm单片机控制，通过无线传输模块与计算机通信，监测时间间隔和监测范围等可以由计算机发送指令无线控制，本发明结构合理，设计巧妙，适合推广。

Claims (10)

1.一种多角度超声波监测固体缺陷的装置，其特征在于，包括油浸在安装底座上的旋转块B、油浸在所述旋转块B内部的旋转块A，所述安装底座上设置有第一步进电机，所述第一步进电机的输出轴与所述旋转块B连接，所述旋转块B上设置有第二步进电机，所述第二步进电机的输出轴与所述旋转块A连接，所述旋转块A上还设置有压电换能器，还包括有控制单元和无线通讯模块，所述控制单元分别与所述第一步进电机、第二步进电机和压电换能器连接，所述控制单元通过所述无线通讯模块与用户端连接。
2.根据权利要求1所述的一种多角度超声波监测固体缺陷的装置，其特征在于,所述旋转块A、所述旋转块B和所述安装底座均采用相同的固体材质制成，其中，所述旋转块A、所述旋转块B和所述安装底座之间填充有润滑油。
3.根据权利要求2所述的一种多角度超声波监测固体缺陷的装置，其特征在于，所述旋转块B的边缘设置有齿轮槽，所述第一步进电机的输出轴上设置有传动齿轮，所述传动齿轮与所述齿轮槽啮合。
4.根据权利要求3所述的一种多角度超声波监测固体缺陷的装置，其特征在于，所述第一步进电机上设置有第一角度编码器，所述第二步进电机设置有第二角度编码器，所述第一角度编码器获取所述旋转块B的旋转角度数据，所述第二角度编码器获取所述旋转块A的旋转角度数据，所述第一角度编码器和所述第二角度编码器均与所述控制单元连接，所述控制单元包括有分别与激励电路和采集电路连接的单片机，所述激励电路与所述采集电路均与所述压电换能器连接，所述采集电路包括有放大电路和AD采集电路，所述单片机通过AD采集电路与所述放大电路连接，所述放大电路与所述压电换能器连接。
5.根据权利要求1所述的一种多角度超声波监测固体缺陷的装置，其特征在于，所述安装底座上设置有环状磁铁，所述安装底座通过所述环状磁铁与待检测固体连接。
6.根据权利要求5所述的一种多角度超声波监测固体缺陷的装置，其特征在于，所述安装底座通过粘附环氧树脂胶与待监测固体连接。
7.一种多角度超声波监测固体缺陷的系统，其特征在于，包括有旋转机构、连接模块和用户处理端；
所述旋转机构上包括有压电超声波换能器、步进电机和角度编码器，所述连接模块包括有激励源电路、步进驱动电路、无线通讯模块和信号采集电路，所述用户处理端包括有无线接收模块和超声波数据分析系统；
用户在所述用户处理端输入指令，通过连接模块中的激励源电路和所述步进驱动电路驱动所述旋转机构上的步进电机工作，所述压电超声波换能器通过对待监测固体上进行超声波扫描，并将扫描后的超声波数据经由所述连接模块发送至所述用户处理端，通过超声波数据分析系统得到待监测固体上裂纹缺陷的位置信息。
8.一种多角度超声波监测固体缺陷的方法，其特征在于，包括以下步骤:
步骤1：在待监测固体上放置有旋转机构，用户通过在用户处理端上输入启动信号，所述用户处理端通过无线模块发送出指令给单片机；
步骤2：所述单片机控制所述旋转机构转动，所述单片机上的激励源电路驱动所述压电超声换能器工作，所述旋转机构上的压电超声换能器在转动的同时进行超声波的发射和超声波的回波采集；
步骤3：所述单片机上的信号采集电路接收超声波的回波信号并通过无线通讯模块发送至用户处理端，用户处理端通过对超声波分析系统进行处理，通过对超声波回波信号实现缺陷的三维还原，通过三维还原图得到缺陷的大小和位置数据，并启动缺陷预警系统。
9.根据权利要求8所述的一种多角度超声波监测固体缺陷的方法，其特征在于，根据步骤2中，所述单片机上还连接有角度信号读取电路、步进电机驱动电路和温度采集电路，所述旋转机构上的步进电机的输出端上设置有角度编码器，所述角度编码器与所述角度信号读取电路连接，所述步进电机驱动电路与所述步进电机连接并驱动所述步进电机工作，所述温度采集电路采集所述压电超声换能器上的温度值，所述单片机通过与无线通讯模块连接与用户处理端无线连接。
10.根据权利要求8所述的一种多角度超声波监测固体缺陷的方法，其特征在于，所述步骤2中，所述旋转机构包括有X轴转动机构和Z轴转动机构，所述X轴转动机构以X轴为旋转中心进行转动，所述Z轴转动机构以Z轴为旋转中心进行转动，所述压电超声换能器位于所述X轴转动机构上，所述压电超声换能器通过所述旋转机构在待监测固体上形成半球形的扫描区间。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115272761A (zh) * 2022-07-26 2022-11-01 国网四川省电力公司电力科学研究院 基于协同表征双边自编码器的电网输电线路缺陷检测方法
CN116840917A (zh) * 2023-07-04 2023-10-03 内蒙古大学 多脉冲电火花源定向声波超前探测系统及超前地质预报方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB8317247D0 (en) * 1983-06-24 1983-07-27 Atomic Energy Authority Uk Ultrasonic scanning probe
KR20060020508A (ko) * 2004-08-31 2006-03-06 (주) 엠큐브테크놀로지 다수 개의 트랜스듀서를 가진 초음파 측정장치
CN204882466U (zh) * 2015-08-11 2015-12-16 北京新联铁科技股份有限公司 空心车轴探伤装置
US20180059061A1 (en) * 2016-08-31 2018-03-01 General Electric Company Methods, systems, and devices for solid axle testing
CN212364190U (zh) * 2020-05-21 2021-01-15 四川大学 一种多角度超声波监测固体缺陷的装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB8317247D0 (en) * 1983-06-24 1983-07-27 Atomic Energy Authority Uk Ultrasonic scanning probe
KR20060020508A (ko) * 2004-08-31 2006-03-06 (주) 엠큐브테크놀로지 다수 개의 트랜스듀서를 가진 초음파 측정장치
CN204882466U (zh) * 2015-08-11 2015-12-16 北京新联铁科技股份有限公司 空心车轴探伤装置
US20180059061A1 (en) * 2016-08-31 2018-03-01 General Electric Company Methods, systems, and devices for solid axle testing
CN212364190U (zh) * 2020-05-21 2021-01-15 四川大学 一种多角度超声波监测固体缺陷的装置

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DEPENG LIU ET AL: "A real time multi-angle adjustable phased high intensity focused ultrasound system", 《COGNITIVE SYSTEMS RESEARCH》, 20 August 2018 (2018-08-20), pages 610 - 614, XP085537876, DOI: 10.1016/j.cogsys.2018.08.015 *
朱国斌: "超声相控阵技术在电力工业无损检测中的应用", 《河南科技》, 28 February 2019 (2019-02-28), pages 76 - 78 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115272761A (zh) * 2022-07-26 2022-11-01 国网四川省电力公司电力科学研究院 基于协同表征双边自编码器的电网输电线路缺陷检测方法
CN116840917A (zh) * 2023-07-04 2023-10-03 内蒙古大学 多脉冲电火花源定向声波超前探测系统及超前地质预报方法

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