CN111595952A - 超声相控阵环阵探头及螺栓检测系统 - Google Patents

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李前
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Abstract

本发明提供了一种超声相控阵环阵探头，用于对螺栓进行缺陷检测，包括探头主体，所述探头主体包括多个沿周向呈环形阵列排布的阵元，所述阵元为由负电极层、压电晶片、正电极层及匹配层由上往下依次堆叠形成的叠层结构，且所述匹配层位于所述正电极层与所述螺栓的端面之间，所述螺栓的端部设置有一沉孔，所述探头主体的中心设置有一通孔，所述通孔与所述沉孔的形状相匹配。利用呈环形阵列排布的阵元能够一次检测覆盖整根螺栓，提升了检测的效率，且相控阵拥有聚焦功能，能够检测较长螺栓，保证远端缺陷不漏检。基于此，本申请还提供了一种螺栓检测系统，通过编码器记录数据，检测的每一根螺栓都可以保存一条数据，每一次检测均具有可追溯性。

Description

超声相控阵环阵探头及螺栓检测系统
技术领域
本发明涉及超声无损检测技术领域，尤其涉及一种超声相控阵环阵探头及螺栓检测系统。
背景技术
螺栓是工业装备中的标准配件之一，作为各种设备的连接件，具有施工简单、受力性能好、可拆换、耐疲劳以及在动力荷载作用下不致松动等优点，其往往在复杂的应力、高温高压、周期振动等各种恶劣工况下工作，很容易产生疲劳裂纹。
叶片螺栓是其他紧固件、连接件的一种，常用于叶片与风力发电机组轮毂的连接。具体的，在叶片根部的玻璃纤维增强结构的中部位置附近，多个螺栓套被均匀、预埋、固定在叶根相应的位置上，且预埋的螺栓套外缠绕有玻璃纤维单向粗纱，螺栓套之间的空隙处嵌入楔形条填充，叶片出模后，并通过叶片螺栓与所述螺栓套连接以将所述叶片紧固在风力发电机组的轮毂上，实现叶片与轮毂的可靠连接。该方式可以避免对叶根结构层的加工损伤，叶根结构受力合理。
然而，风电机组的叶片螺栓失效问题在国内外的风场时有发生，设备运行过程中发生螺栓断裂，威胁机组运行，严重者甚至造成风力发电机组叶片掉落折断损坏机组及周边人员设备。为了确保风力发电机组及人员安全，必须尽可能早的发现裂纹缺陷，以便及时更换。因此如何能检测更小裂纹缺陷，更快更方便的发现缺陷，一直是叶片螺栓检测的重点和难点。
针对螺栓超声检测，目前检测的主流还是采用常规的直探头与小角度纵波斜探头检测。针对螺栓内部裂纹等缺陷的检测通常采用常规超声设备配备纵波探头、折射角8.5°或者横波探头、K值为1.7这样两种组合进行超声检测，在检测过程中需要来回更换探头，检测过程繁琐，检测效率低且耗时较长。并且，螺栓紧固件多数几何形状为细长结构，采用常规超声设备检测时超声波的能量容易产生极大衰减，导致灵敏度下降，极易发生漏检等情况，造成安全隐患。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超声相控阵环阵探头及螺栓检测系统，能够一次性实现对螺栓的缺陷检测，检测效率高且检测效果好。
为了达到上述目的，本发明提供了一种超声相控阵环阵探头，用于对螺栓进行缺陷检测，包括：
包括探头主体，所述探头主体包括多个沿周向呈环形阵列排布的阵元，所述阵元为由负电极层、压电晶片、正电极层及匹配层由上往下依次堆叠形成的叠层结构，且所述匹配层位于所述正电极层与所述螺栓的端面之间，所述螺栓的端部设置有一沉孔，所述探头主体的中心设置有一通孔，所述通孔与所述沉孔的形状相匹配。
可选的，所述探头主体为圆柱形，所述超声相控阵环阵探头还包括内衬套及外衬套，所述外衬套套设在所述探头主体外，所述内衬套覆盖所述通孔的内壁，以使所述阵元夹设在所述外衬套及所述内衬套之间。
可选的，所述外衬套与所述内衬套之间还设置有背衬，所述背衬位于所述负电极层的上方。
可选的，所述超声相控阵环阵探头还包括外壳及内壳，所述外壳套设在所述外衬套外，所述内壳嵌套在所述内衬套内。
可选的，所述超声相控阵环阵探头还包括一接线插座，所述接线插座包括贯穿所述外壳的正极接线端子及负极接线端子，多个所述阵元的正电极层通过多根正极线缆与所述正极接线端子连接，多个所述阵元的负电极层通过多根负极电缆与所述负极接线端子连接。
可选的，所述接线插座外设置有护线套。
可选的，所述外壳的顶部还设置有用于密封所述探头主体的盖板。
可选的，所述阵元的数量为48个。
可选的，所述压电晶片为压电陶瓷片。
基于此，本申请还提供了一种螺栓检测系统，包括相控阵超声检测仪、螺栓、编码器及所述的超声相控阵环阵探头，所述超声相控阵环阵探头与所述螺栓的端面接触，所述超声相控阵环阵探头及所述编码器均与所述相控阵超声检测仪电连接，以使所述超声相控阵环阵探头与所述编码器同步运行，所述相控阵超声检测仪用于控制所述超声相控阵环阵探头发射及接收超声波，所述编码器用于记录所述螺栓的缺陷位置。
本发明提供了一种超声相控阵环阵探头及螺栓检测系统，与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：
1)定位准确方便，不需移动超声相控阵环阵探头，一次检测覆盖整根螺栓，检测效率大大提升；
2)超声相控阵拥有聚焦功能，及时检测较长螺栓，保证远端缺陷不漏检；
3)超声相控阵检测使用编码器记录数据，检测的每一根螺栓都可以保存一条数据，每一次检测均具有可追溯性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的超声相控阵环阵探头的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的阵元的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的螺栓检测系统的结构示意图；
其中，附图标记为：
1-相控阵超声检测仪；2-螺栓；3-编码器；4-超声相控阵环阵探头；
10-探头主体；20-通孔；30-内衬套；40-外衬套；50-外壳；51-内壳；61-正极接线端子；62-负极接线端子；70-护线套；80-盖板；
100-压电晶片；110-负电极层；120-正电极层；130-匹配层；140-背衬。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如图1-图2所示，本实施例提供了一种超声相控阵环阵探头，包括探头主体10，所述探头主体10包括多个沿周向呈环形阵列排布的阵元，所述阵元为由负电极层110、压电晶片100、正电极层120及匹配层130由上往下依次堆叠形成的叠层结构，且所述匹配层130位于所述正电极层120与所述螺栓之间，所述螺栓的端部设置有一沉孔，所述探头主体的中心设置有一通孔20，所述通孔20与所述沉孔的形状相匹配。
具体的，超声相控阵技术的基本思想来自于雷达电磁波相控阵技术。相控阵雷达是由许多辐射单元排成阵列组成，通过控制阵列天线中各单元的幅度和相位，调整电磁波的辐射方向，在一定空间范围内合成灵活快速的聚焦扫描的雷达波束。而超声相控阵是由多个独立的压电晶片组成阵列，按一定的规则和时序用电子系统控制激发各个晶片单元，来调节控制焦点的位置和聚焦的方向。从而实现超声波的波束扫描、偏转和聚焦，然后采用机械扫描和电子扫描相结合的方法来实现图像成像。本实施例中，所述超声相控阵环阵探头用于对螺栓表面的裂纹进行缺陷检测，所述超声相控阵环阵探头由多个独立的阵元组成环形阵列，由于环形阵列具有优越的轴向聚焦能力，通过按一定的规则和时序激发各个阵元，来调节控制焦点的位置和聚焦的方向，从而在不需要移动探头的前提下，一次检测覆盖整根螺栓，提高检测效率。本实施例中，检测频率优选为3.25MHz。
本实施例中，所述螺栓为叶片螺栓，所述叶片螺栓的两端均设置有外螺纹，所述沉孔的形状为六边形。所述叶片螺栓的产品规格为：M30*428；材质：B7，10.9级；螺孔中心对平面跳动度<0.02mm；螺栓直线度<0.05mm；机械性能按GB/T3098.1。
本实施例中，所述通孔20的形状为六边形，以便于对所述螺栓进行检测。所述通孔20的直径为11.5mm，需要对所述螺栓进行检测时，直接将所述超声相控阵环阵探头放置在螺栓的端面，使所述通孔20与所述螺栓端部的内六角沉孔对应即可。
请继续参照图1，所述探头主体10为圆柱形，所述超声相控阵环阵探头还包括内衬套30及外衬套40，所述外衬套40套设在所述探头主体10外，所述内衬套30覆盖所述通孔20的内壁，以使所述阵元夹设在所述外衬套40及所述内衬套30之间。本实施例中，所述内衬套30用于在检测过程中进行降噪，所述外衬套40用于保护压电晶片100。
本实施例中，所述超声相控阵环阵探头还包括外壳50及内壳51，所述外壳50套设在所述外衬套40外，所述内壳51嵌套在所述内衬套30内。本实施例中，所述外壳50及内壳51均用于固定阵元。
请继续参照图2，所述阵元为由负电极层110、压电晶片100、正电极层120及匹配层130由上往下依次堆叠形成的叠层结构。本实施例中，所述压电晶片100为具有压电特性的陶瓷片，通过磁控溅射工艺在所述压电晶片100的上下两个表面形成正电极层120及负电极层110，当电压作用于压电晶片100时，就会随电压和频率的变化产生机械变形。另一方面，当振动所述压电晶片100时，则会产生一个电荷。相当于施加一个电信号时，所述压电晶片100就会因弯曲振动发射出超声波。相反，当向所述压电晶片100施加超声振动时，就会产生一个电信号，从而实现对螺栓表面的缺陷进行检测。
所述匹配层130用于优化超声波能量的传输。当螺栓与压电晶片100的声阻抗特性相差较大时，则直接接触法探伤时透射系数很小，通过在压电晶片100与螺栓之间插入一匹配层130，可以使声阻抗特性逐渐变化，优化能量传输。同时，所述匹配层130还可以避免压电晶片100或正电极层120与螺栓直接接触而磨损，起保护作用。
请继续参照图2，所述外衬套40与所述内衬套30之间还设置有背衬140，所述背衬140位于所述负电极层110的上方。本实施例中，所述背衬140设置在所述压电晶片100的背面以阻尼压电晶片100的余振以及吸收所述压电晶片100背面辐射的声能。所述背衬140例如是金属-有机复合材料，通过浇筑工艺浇筑到所述外衬套40及所述内衬套30之间并固化形成。
本实施例中，所述阵元的数量为48个，所述通孔20的每个边对应有8个阵元，因此有足够的能量对整根螺栓进行检查，避免漏检现象的发生。同时，由于相控阵具有聚焦功能，可以在特定区域形成超声波聚焦，提高检测的灵敏度。当然，可以理解的是，所述阵元的数量可以大于48个，也可以小于48个，本申请对此不作任何限制，可根据待检测工件的长度以及检测灵敏度进行选择。
请继续参照图1，所述超声相控阵环阵探头还包括一接线插座，所述接线插座包括贯穿所述外壳50的正极接线端子61及负极接线端子62，多个所述阵元的正电极层120通过多根正极线缆与所述正极接线端子61连接，多个所述阵元的负电极层110通过多根负极电缆与所述负极接线端子62连接。所述正极接线端子61及负极接线端子62用于将所述正电极层120和所述负电极层110统一接线并引出，引出的线缆用于连接相控阵超声检测仪。
本实施例中，所述接线插座外设置有护线套70，所述护线套70用于保护线缆。
本实施例中，所述外壳50的顶部还设置有用于密封所述探头主体10的盖板80，所述盖板80用于保护所述探头主体10的内部元件。
具体制作所述超声相控阵环阵探头时，包括以下步骤：
将环形的负电极层110、压电晶片100、正电极层120及匹配层130制作成叠层结构；
然后将所述叠层结构放入夹具中，沿周向切割成48个阵元，在切割时需要控制切割深度，只切穿所述负电极层110及压电晶片100；
将每根正极线缆及每根负极线缆分别与各个正电极层120及各个负电极层110焊接；
将连接正极线缆和负极线缆后的叠层结构通过夹具定位装配到外衬套40和内衬套30之间，并通过胶粘剂粘接起来，安装好外壳50及内壳51；
安装正极接线端子61及负极接线端子62，并将所有所述正极线缆与所述正极接线端子61连接，将所有所述负极线缆与所述负极接线端子62连接；
在所述外衬套40和所述内衬套30之间浇筑背衬140，并安装盖板80及护线套70。
基于此，如图3所示，本申请还提供了一种螺栓检测系统，包括相控阵超声检测仪1、螺栓2、编码器3及所述的超声相控阵环阵探头4，所述超声相控阵环阵探头4与所述螺栓2的端面接触，所述超声相控阵环阵探头4及所述编码器3均与所述相控阵超声检测仪1电连接，以使所述超声相控阵环阵探头4与所述编码器3同步运行，所述相控阵超声检测仪1用于控制所述超声相控阵环阵探头4发射及接收超声波，所述编码器3用于记录所述螺栓2的缺陷位置。
具体的，将所述超声相控阵环阵探头4的正极接线端子和负极接线端子引出的引线与相控阵超声检测仪1连接，将所述螺栓2竖直放置，然后通过人手将所述超声相控阵环阵探头4压在所述螺栓2的端面上，使所述超声相控阵环阵探头4的通孔对准所述螺栓2的沉孔。在相控阵超声检测仪1上调节检测参数后对螺栓2实施检测。相控阵超声检测仪1控制所述超声相控阵环阵探头4的阵元按一定的时间法则发射出柱状超声波，柱状超声波沿着检测对象螺栓2的内六角孔传播，当检测到螺栓2螺纹及螺杆表面的裂纹缺陷时，产生反射波回波，并将波形和图像在相控阵超声波检测仪1屏幕上显示出来，同时编码器3记录该缺陷位置，实现对整根螺栓2的一次性检测。
综上，本实施例提供了一种超声相控阵环阵探头，用于对螺栓进行缺陷检测，包括探头主体，所述探头主体包括多个沿周向呈环形阵列排布的阵元，所述阵元为由负电极层、压电晶片、正电极层及匹配层由上往下依次堆叠形成的叠层结构，且所述匹配层位于所述正电极层与所述螺栓的端面之间，所述螺栓的端部设置有一沉孔，所述探头主体的中心设置有一通孔，所述通孔与所述沉孔的形状相匹配。利用呈环形阵列排布的阵元能够一次检测覆盖整根螺栓，提升了检测的效率，且相控阵拥有聚焦功能，能够检测较长螺栓，保证远端缺陷不漏检。基于此，本申请还提供了一种螺栓检测系统，通过编码器记录数据，检测的每一根螺栓都可以保存一条数据，每一次检测均具有可追溯性。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超声相控阵环阵探头，用于对螺栓进行缺陷检测，其特征在于，包括探头主体，所述探头主体包括多个沿周向呈环形阵列排布的阵元，所述阵元为由负电极层、压电晶片、正电极层及匹配层由上往下依次堆叠形成的叠层结构，且所述匹配层位于所述正电极层与所述螺栓的端面之间，所述螺栓的端部设置有一沉孔，所述探头主体的中心设置有一通孔，所述通孔与所述沉孔的形状相匹配。
2.如权利要求1所述的超声相控阵环阵探头，其特征在于，所述探头主体为圆柱形，所述超声相控阵环阵探头还包括内衬套及外衬套，所述外衬套套设在所述探头主体外，所述内衬套覆盖所述通孔的内壁，以使所述阵元夹设在所述外衬套及所述内衬套之间。
3.如权利要求2所述的超声相控阵环阵探头，其特征在于，所述外衬套与所述内衬套之间还设置有背衬，所述背衬位于所述负电极层的上方。
4.如权利要求2所述的超声相控阵环阵探头，其特征在于，所述超声相控阵环阵探头还包括外壳及内壳，所述外壳套设在所述外衬套外，所述内壳嵌套在所述内衬套内。
5.如权利要求4所述的超声相控阵环阵探头，其特征在于，所述超声相控阵环阵探头还包括一接线插座，所述接线插座包括贯穿所述外壳的正极接线端子及负极接线端子，多个所述阵元的正电极层通过多根正极线缆与所述正极接线端子连接，多个所述阵元的负电极层通过多根负极电缆与所述负极接线端子连接。
6.如权利要求5所述的超声相控阵环阵探头，其特征在于，所述接线插座外设置有护线套。
7.如权利要求4所述的超声相控阵环阵探头，其特征在于，所述外壳的顶部还设置有用于密封所述探头主体的盖板。
8.如权利要求1所述的超声相控阵环阵探头，其特征在于，所述阵元的数量为48个。
9.如权利要求1所述的超声相控阵环阵探头，其特征在于，所述压电晶片为压电陶瓷片。
10.一种螺栓检测系统，其特征在于，包括相控阵超声检测仪、螺栓、编码器及如权利要求1-9中任一项所述的超声相控阵环阵探头，所述超声相控阵环阵探头与所述螺栓的端面接触，所述超声相控阵环阵探头及所述编码器均与所述相控阵超声检测仪电连接，以使所述超声相控阵环阵探头与所述编码器同步运行，所述相控阵超声检测仪用于控制所述超声相控阵环阵探头发射及接收超声波，所述编码器用于记录所述螺栓的缺陷位置。
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