CN112433008A - 一种用于工业检测的双频相控阵超声探头 - Google Patents
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Abstract
一种用于工业检测的双频相控阵超声探头，包括高频晶片阵元、低频晶片阵元、隔声层、外壳、线缆、连接器；所述高频晶片阵元、低频晶片阵元、隔声层封装于外壳内，高频晶片阵元和低频晶片阵元的阵元排列方式为线性阵列或二维阵列，所述隔声层将高频晶片阵元和低频晶片阵元分隔开，并且其分隔面垂直于高频晶片阵元和低频晶片阵元的阵元面，所述高频晶片阵元和低频晶片阵元分别通过线缆与连接器连接。将高频信号和低频信号融合在一起，既提升了检测的覆盖范围，又减少了更换探头所需的额外成本和时间，有效地提高了检测效率。在特定的频率配置下，还可实现非线性超声检测，具有充分的灵活性和便捷性。
Description
技术领域
本发明属于无损检测输送领域，具体涉及一种用于工业检测的双频相控阵超声探头。
背景技术
随着技术水平的进步，相控阵技术近年得到了工业界广泛的应用和认可。相比于常规超声检测而言，相控阵技术可以使用多个晶片阵元组成一个与常规探头相当的“虚拟探头”，通过依次激励的形式实现电子扫查，从而代替机械扫查，实现检测效率的提升和检测系统复杂度的降低；将多个晶片阵元组成一个探头，结合延迟法则可以对声速角度的偏转控制，实现扇形扫查，同时叠加相应的聚焦法则，可以实现分区扫查、动态聚焦等功能，提高了检测的信噪比和检测灵敏度。基于相控阵的硬件基础，外加灵活多变的软件设置和算法支持，一套相控阵系统可实现常规超声探头组合难以比拟的技术优势和综合成本优势。相控阵检测技术的引入给工业界的无损检测带来了新的应用和解决方案，尤其是各种形式的探头配合与被检测对象想适应的软件算法、辅助工装等，极大地降低了检测实施的难度和成本，提高了技术本身的灵活性，因此这一技术也被广泛用于核电、钢铁、石化、航空航天、船舶、铁路等诸多领域。
尽管相控阵检测的技术优势明显，其也有一定的局限性：相控阵探头所发出的声场特性分布往往与探头自身的阵元尺寸、个数、频率等因素直接相关，而这些参数往往是固定的。不同的频率意味着相应的适用范围有所不同：低频往往具有较好的声穿透性，因此可以检测较厚的工件，但同时其近场盲区也较大，相应的横向分辨力、以及发现细小缺陷的能力也较差；高频则相反，即往往具有较高的横向分辨率，较强的缺陷检出能力，较小的表面盲区、以及较差的声穿透性。因此在通常的应用中，往往会针对工件的特点和要求选用不同的类型的探头，特殊情况下，例如分区检测，则会选用不同规格的探头对不同区域进行检测，实现更大的覆盖区间。这种情况下，通常需要同时配备高频与低频的探头，相应的采购成本会大大提升，检测中因更换探头进行二次扫查所带来的时间成本也是显而易见的。
发明内容
本发明针对上述问题，提供一种用于工业检测的双频相控阵超声探头。
本发明的目的可以通过下述技术方案来实现：一种用于工业检测的双频相控阵超声探头，包括高频晶片阵元、低频晶片阵元、隔声层、外壳、线缆、连接器；所述高频晶片阵元、低频晶片阵元、隔声层封装于外壳内，高频晶片阵元和低频晶片阵元的阵元排列方式为线性阵列或二维阵列，所述隔声层将高频晶片阵元和低频晶片阵元分隔开，并且其分隔面垂直于高频晶片阵元和低频晶片阵元的阵元面，所述高频晶片阵元和低频晶片阵元分别通过线缆与连接器连接。
进一步地，所述外壳呈长方体状。
更进一步地，当所述高频晶片阵元和低频晶片阵元的阵元排列方式为线性阵列时，高频晶片阵元和低频晶片阵元的宽度方向与外壳的宽度方向一致。
更进一步地，当所述高频晶片阵元和低频晶片阵元的阵元排列方式为线性阵列时，高频晶片阵元和低频晶片阵元的宽度方向与外壳的长度方向一致。
进一步地，所述高频晶片阵元和低频晶片阵元的阵元数均不低于8个。
进一步地，所述高频晶片阵元的中心频率高于低频晶片阵元的中心频率。
进一步地，所述高频晶片阵元的高频晶片的标称频率为低频晶片阵元的低频晶片的标称频率的整数倍。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
（1）含有高低两种检测频率，可以使两种频率下的阵元以脉冲回波的方式独立工作，分别利用高频探头分辨率高、灵敏度高、近场盲区小、覆盖范围小，低频探头分辨率低、灵敏度低、能量穿透性强、覆盖范围大的特点，实现对被检测工件内不同待检测区域的区别检测，提升单次检测的覆盖率；
（2）阵元排布形式可以为线性阵列形式，也可以为面型阵列形式，线性阵列可以用于实现阵元宽度截面内的扇形扫查、以及沿着阵元宽度方向的电子扫查，面型阵列可以用于实现工件内三维空间场内的声束控制；
（3）高频晶片阵元和低频晶片阵元可视作两个独立的探头，配合相控阵检测仪器实现各自的检测功能，也可看作相互关联的探头，实现一些特殊的相控阵检测，如非线性超声检测。
综上，本发明充分利用高频信号和低频信号的技术优势，构建了一种用于工业检测的双频相控阵超声探头，在保留相控阵技术优势的同时，又将两种不同的频率融合在一起，既提升了检测的覆盖范围，又减少了更换探头所需的额外成本和时间，有效地提高了检测效率。在特定的频率配置下，还可实现非线性超声检测，具有充分的灵活性和便捷性。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图。
图2为本发明实施例2的结构示意图。
图3为本发明实施例3的结构示意图。
图4为本发明实施例1进行相控阵检测的结构示意图。
图5为本发明实施例2进行相控阵检测的结构示意图。
图6为本发明实施例3进行相控阵检测的结构示意图。
图中部件标号如下：
1高频晶片阵元
2低频晶片阵元
3隔声层
4楔块。
具体实施方式
以下结合附图详细说明本发明的具体实施方式，使本领域的技术人员更清楚地理解如何实践本发明。尽管结合其优选的具体实施方案描述了本发明，但这些实施方案只是阐述，而不是限制本发明的范围。
一种用于工业检测的双频相控阵超声探头，包括高频晶片阵元、低频晶片阵元、隔声层、外壳、线缆、连接器。
所述高频晶片阵元、低频晶片阵元、隔声层封装于外壳内而整体构成探头主体。所述高频晶片阵元和低频晶片阵元的阵元排列方式均为线性阵列或二维阵列且阵元数均不低于8个，高频晶片阵元的中心频率高于低频晶片阵元的中心频率，所述隔声层将高频晶片阵元和低频晶片阵元分隔开，并且其分隔面垂直于高频晶片阵元和低频晶片阵元的阵元面，隔声层用于隔绝高频晶片阵元与低频晶片阵元之间的声干扰，所述高频晶片阵元和低频晶片阵元分别按照一定的线序通过线缆与连接器连接，所述连接器用于连接相应的相控阵仪器，实现对探头的驱动和信号接收。
其中，所述外壳上对应高频晶片阵元和低频晶片阵元的扫查面与被检测工件表面的几何外形或外接楔块的外形相匹配。
所述外壳呈长方体状，当高频晶片阵元和低频晶片阵元的阵元排列方式为线性阵列时，高频晶片阵元和低频晶片阵元的宽度方向可与外壳的宽度方向一致，见图1；高频晶片阵元和低频晶片阵元的宽度方向也可与外壳的长度方向一致，见图2；当高频晶片阵元和低频晶片阵元的阵元排列方式为二维阵列时，其结构见图3。
当高频晶片对应的标称频率为低频晶片对应的标称频率的整数倍时，本双频相控阵超声探头可用于非线性超声检测。
高频晶片阵元与低频晶片阵元可以看作一个独立的探头实现相控阵检测，也可在聚焦法则的作用下实现：高频晶片阵元发射声波信号，低频晶片阵元接收声波信号，或者，低频晶片阵元发射声波信号，高频晶片阵元接收声波信号。
实施例1
参见图1，双频相控阵超声探头的高频晶片阵元和低频晶片阵元前后分布，高频晶片阵元和低频晶片阵元的阵元排列方式均为线性阵列，并且高频晶片阵元和低频晶片阵元的宽度方向与外壳的宽度方向一致。其中，高频晶片阵元包含16个阵元，频率为5MHz，晶片间距为0.75mm，晶片长度为10mm；低频晶片阵元包含16个阵元，频率为2.25MHz，晶片间距为0.75mm，晶片长度为10mm。
楔块的材料选用有机玻璃，主声速偏角为60度横波。
分别对高频晶片阵元和低频晶片阵元设置对应的聚焦法则：高频晶片阵元的聚焦方式为等深聚焦，聚焦深度为2mm，角度覆盖范围为45~75度；低频晶片阵元的聚焦方式为等深聚焦，聚焦深度为10mm，角度覆盖范围为40~70度。
双频相控阵超声探头通过焊缝试块中的Φ2横通孔进行校准。
参见图4，对20mm厚的碳钢焊缝进行检测，可以实现单次扫查，覆盖整个焊缝区域，且兼顾近表面及焊根区域，无需更换探头进行二次设置与扫查。
实施例2
参见图2，双频相控阵超声探头的高频晶片阵元和低频晶片阵元左右分布，高频晶片阵元和低频晶片阵元的阵元排列方式均为线性阵列，并且高频晶片阵元和低频晶片阵元的宽度方向与外壳的长度方向一致。其中，高频晶片阵元包含64个阵元，频率为10MHz，晶片间距为0.75mm，晶片长度为12mm；低频晶片阵元包含64个阵元，频率为5MHz，晶片间距为0.75mm，晶片长度为12mm。
分别对高频晶片阵元和低频晶片阵元设置对应的聚焦法则：高频晶片阵元设置以16个阵元为1组进行电子扫查，单次步进为1，有效区域为1~64，有效覆盖范围为36.75mm，设置聚焦深度为工件表面下2mm，有效可检测范围为1.5~10mm；低频晶片阵元设置以16个阵元为1组进行电子扫查，单次步进为1，有效区域为1~64，有效覆盖范围为36.75mm，设置聚焦深度为工件表面下20mm，有效可检测范围为10~50mm；
双频相控阵超声探头利用钛合金试块进行校准，设定水距为50mm，利用Φ0.8mm的平底孔制备DAC曲线。
参见图5，对钛合金工件进行检测，可以实现单次扫查覆盖被检测工件中1.5~50mm，宽度覆盖范围为37mm，相应的检测灵敏度不低于AA级。
实施例3
参见图3，双频相控阵超声探头的高频晶片阵元和低频晶片阵元左右分布，高频晶片阵元和低频晶片阵元的阵元排列方式均为二维阵列，并且高频晶片阵元和低频晶片阵元的宽度方向与外壳的长度方向一致。其中，高频晶片阵元包含8*8个阵元，频率为10MHz，两个方向的晶片间距均为0.5mm；低频晶片阵元包含8*8个阵元，频率为5MHz，两个方向的晶片间距均为0.5mm。
选用平楔块进行耦合，平楔块的材料选用不锈钢，厚度为15mm。
参见图6，设置双频相控阵超声探头的扫查面距离工件表面5mm，扫查区域为8*8mm，以1*1mm为最小覆盖单元，选低频晶片阵元的低频晶片作为发射，设置发射聚焦长度，选高频晶片阵元的高频晶片作为接收，设置接收聚焦长度，如此，可以实现非线性扫查。类似地，通过聚焦法则的设定，可以实现工件内的体覆盖扫查，结合机械运动，可以实现对整个工件结构的非线性检测。
应当指出，对于经充分说明的本发明来说，还可具有多种变换及改型的实施方案，并不局限于上述实施方式的具体实施例。上述实施例仅仅作为本发明的说明，而不是对本发明的限制。总之，本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。
Claims (7)
1.一种用于工业检测的双频相控阵超声探头，其特征在于，包括高频晶片阵元、低频晶片阵元、隔声层、外壳、线缆、连接器；所述高频晶片阵元、低频晶片阵元、隔声层封装于外壳内，高频晶片阵元和低频晶片阵元的阵元排列方式为线性阵列或二维阵列，所述隔声层将高频晶片阵元和低频晶片阵元分隔开，并且其分隔面垂直于高频晶片阵元和低频晶片阵元的阵元面，所述高频晶片阵元和低频晶片阵元分别通过线缆与连接器连接。
2.根据权利要求1所述的用于工业检测的双频相控阵超声探头，其特征在于，所述外壳呈长方体状。
3.根据权利要求2所述的用于工业检测的双频相控阵超声探头，其特征在于，当所述高频晶片阵元和低频晶片阵元的阵元排列方式为线性阵列时，高频晶片阵元和低频晶片阵元的宽度方向与外壳的宽度方向一致。
4.根据权利要求2所述的用于工业检测的双频相控阵超声探头，其特征在于，当所述高频晶片阵元和低频晶片阵元的阵元排列方式为线性阵列时，高频晶片阵元和低频晶片阵元的宽度方向与外壳的长度方向一致。
5.根据权利要求1所述的用于工业检测的双频相控阵超声探头，其特征在于，所述高频晶片阵元和低频晶片阵元的阵元数均不低于8个。
6.根据权利要求1所述的用于工业检测的双频相控阵超声探头，其特征在于，所述高频晶片阵元的中心频率高于低频晶片阵元的中心频率。
7.根据权利要求1所述的用于工业检测的双频相控阵超声探头，其特征在于，所述高频晶片阵元的高频晶片的标称频率为低频晶片阵元的低频晶片的标称频率的整数倍。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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