CN112484836A - 一种超声探头装置及工件声速测量方法 - Google Patents

一种超声探头装置及工件声速测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种超声探头装置及工件声速测量方法，包括第一横波探头、第二横波探头及量尺；第一横波探头及第二横波探头均滑动设置在量尺上，第一横波探头与第二横波探头的入射角相同；第一横波探头和第二横波探头采用一发一收形式；本发明通过将第一横波探头与第二横波探头滑动设置在量尺上，通过量尺实现对两个横波探头的入射点之间间距的测量；利用其中一个横波探头向待测工件发射超声横波，利用另一个横波探头接收经待测工件反射的反射回波；通过两个横波探头的入射点之间间距及超声横波在待测工件中的传播时间，实现对待测工件中声速的检测，检测过程无需获取待测工件厚度，满足对未知厚度工件声速的检测，测量结果准确度较高。

Description

一种超声探头装置及工件声速测量方法
技术领域
本发明属于无损检测技术领域，特别涉及一种超声探头装置及工件声速测量方法。
背景技术
目前，常用的材料声速超声检测方法主要为脉冲反射法和共振法等；其中，脉冲反射法通过获取厚度已知的工件底面一次和二次反射波传播时间间隔，计算出材料中的纵波声速；共振法是当工件的厚度为在其中传播的超声波波长的二分之一或其整数倍时，入射波和反射波在工件内形成驻波，产生共振；根据共振频率、共振次数、工件厚度和声速之间的相互关系，计算出材料的纵波声速。
上述现有的两种声速测量方法均需要预先确定工件厚度，通过工件厚度和传播时间等参数计算出声速；而在实际测量过程中，由于服役状况、温度及成分差异等，实际工件的声速往往与实验室试块上测得的声速有偏差，测量实际工件的声速具有重要的现实意义；但实际工件由于其特殊结构，如管道或压力容器等，在测量材料声速时并不能确定知道其厚度，因此开发一种在未知工件厚度时，也能测量其材料声速的超声探头装置非常必要，也非常有应用需求。
针对以上情况，设计了一种可测量未知厚度材料声速的超声探头，实现了在未知厚度的实际工件上测量其声速，解决了未知厚度无法测量声速的难题，具有十分重要的现实意义。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种超声探头装置及工件声速测量方法，以解决现有技术中在工件厚度未知的情况下，无法测量工件材料声速的技术问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
本发明提供了一种超声探头装置，包括第一横波探头、第二横波探头及量尺；第一横波探头及第二横波探头均滑动设置在量尺上，第一横波探头与第二横波探头的入射角相同；第一横波探头和第二横波探头采用一发一收形式；其中，第一横波探头为发射探头，第二横波探头为接收探头，或反之亦可。
进一步的，第一横波探头的入射点或出射点与量尺的零刻度线竖向对齐。
进一步的，第二横波探头上设置有游标尺，第二横波探头的入射点或出射点与游标尺的零刻度线对齐；游标尺滑动设置在量尺上。
进一步的，游标尺设置有10个等分刻度，游标尺的每个刻度与量尺的最小刻度相差0.1mm。
进一步的，游标尺的最小刻度为0.9mm；量尺的最小刻度为1mm，量尺的长度为20-60mm。
进一步的，游标尺与第二横波探头之间采用连接件铰接。
进一步的，第一横波探头与第二横波探头的入射角为33°-40°。
本发明还提供了一种工件声速测量方法，利用所述的一种超声探头装置；具体包括以下步骤：
将第一横波探头和第二横波探头均设置在待测工件表面，利用第一横波探头向待测工件内部发射超声横波，超声横波经待测工件底面反射后形成反射回波；利用第二横波探头接收反射回波；
调节第二横波探头的位置，使第二横波探头接收的反射回波的最大值，测量得到该状态下第一横波探头的入射点与第二横波探头的入射点之间的距离l；
利用第一横波探头与第二横波探头的入射点之间的距离l及横波探头的入射角θw，计算得到待测工件的横波声速vs；
根据横波-纵波声速的关系，计算得到待测工件中的纵波声速vl。
进一步的，工件中的横波声速vl的表达式为：
Figure BDA0002790158540000021
其中，vw为横波探头的楔块中的纵波声速，t为超声横波在待测工件的传播时间；
工件中的纵波声速vl的表达式为：
Figure BDA0002790158540000031
其中，σ为待测工件的泊松比。
进一步的，待测工件的厚度未知，待测工件的表面均匀涂抹有超声耦合剂。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供了一种超声探头装置，通过将第一横波探头与第二横波探头滑动设置在量尺上，通过量尺实现对两个横波探头的入射点之间间距的测量；利用其中一个横波探头向待测工件发射超声横波，利用另一个横波探头接收经待测工件反射的反射回波；通过两个横波探头的入射点之间间距及超声横波在待测工件中的传播时间，实现对待测工件中声速的检测，检测过程无需获取待测工件厚度，满足对未知厚度工件声速的检测，测量结果准确度较高。
进一步的，通过将第一横波探头的入射点或出射点与量尺的零刻度线竖向对齐，确保了利用量尺对两个横波探头的入射点之间间距测量的准确性，有效提高了测量结果的准确性。
进一步的，通过在第二横波探头上设置游标尺，有效提高了两个横波探头的入射点之间间距测量的准确性，有效提高了测量结果的准确性。
进一步的，将游标尺的每个刻度与量尺的最小刻度相差0.1mm设置，使超声探头装置的检测精度小于0.01mm，测量结果精度较高。
进一步的，采用连接件将游标尺与第二横波探头铰接，游标尺能够绕连接件轴向转动，以适应待测工件表面的不平整或弧度要求，确保了探头与待测工件的良好耦合，提高了装置的使用范围。
进一步的，将两个横波探头的入射角设置为33°-40°，该角度范围横波探头发射的超声波的折射强度较高，有利于活动强度更大的反射回波，有效提高了装置测量结果精度。
本发明还提供了一种工件声速测量方法，利用其中一个横波探头向待测工件发射超声横波，利用另一个横波探头接收经待测工件反射的反射回波；通过两个横波探头的入射点之间间距及超声横波在待测工件中的传播时间，实现对待测工件中声速的检测，检测过程无需获取待测工件厚度，满足对未知厚度工件声速的检测，测量结果准确度较高。
进一步的，在厚度未知的待测工件表面涂抹超声耦合剂，有效保证了横波探头与待测工件的良好耦合，有效提高了反射回波的强度，提高了装置测量结果的精度。
附图说明
图1为本发明所述的超声探头装置的结构示意图；
图2为本发明所述的超声探头装置的工作原理示意图。
其中，1第一横波探头，2第二横波探头，3量尺，4游标尺，5连接件。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题，技术方案及有益效果更加清楚明白，以下具体实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如附图1-2所示，本发明提供了一种超声探头装置，包括第一横波探头1、第二横波探头2、量尺3、游标尺4及连接件5；第一横波探头1及第二横波探头2均滑动设置在量尺3上，第一横波探头1与第二横波探头2的入射角相同，且两个横波探头的入射角为固定值；量尺3用于测量第一横波探头1的入射点与第二横波探头2入射点之间距离；第一横波探头1和第二横波探头2采用一发一收形式；其中，第一横波探头1为发射探头，第二横波探头2为接收探头；或反之第一横波探头1为接收探头，第二横波探头2为发射探头。
第一横波探头1的入射点或出射点与量尺3的零刻度线竖向对齐，第二横波探头2上设置有游标尺4，第二横波探头2的入射点或出射点与游标尺4的零刻度线对齐，游标尺4滑动设置在量尺3上；游标尺4与第二横波探头2之间采用连接件5铰接，游标尺4能够绕连接件5的轴线方向转动。
量尺3的最小刻度为1mm，量尺3的长度为20-60mm；游标尺4设置有10个等分刻度，游标尺4的每个刻度与量尺3的最小刻度相差0.1mm；优选的，游标尺4的最小刻度为0.9mm。
本发明中，第一横波探头1和第二横波探头2的入射角可根据所需超声探头的折射角进行适应性调整；优选的，第一横波探头1和第二横波探头2的入射角均为33°-40°，通过将两个横波探头的入射角设置为33°-40°，该角度范围横波探头发射的超声波的折射强度较高，有利于活动强度更大的反射回波，有效提高了装置测量结果精度；第一横波探头1与第二横波探头2的结构相同，包括超声探头本体及楔块，楔块的一侧与超声探头本体贴合，另一侧通过耦合剂与待测工件耦合连接。
本发明所述的超声探头装置，通过将两个横波探头设置在量尺上，且能够沿量尺滑动，利用量尺实现对两个横波探头的入射点之间间距的测量；两个横波探头采用一发一收形式，且两个横波探头的入射角保持相同；利用其中一个横波探头向待测工件内部发射超声横波，超声横波经待测工件发射后，形成反射回波；利用两个横波探头的入射点间距及超声横波在待测工件中的传播时间，根据斯涅耳定律及三角函数关系，实现对待测工件声速的检测，检测过程无需获取待测工件厚度，满足对未知厚度工件的声速检测，克服了常用材料声速测量方法必须已知工件厚度的缺点，为工件的测厚提供了声速参考，实现了工件厚度及声速的准确测量。
本发明还提供了一种工件声速测量方法，具体包括以下步骤：
首先，将第一横波探头1和第二横波探头2均设置在待测工件6表面；其中，待测工件6的厚度未知，待测工件6的表面均匀涂抹有超声耦合剂；通过在待测工件6表面涂抹超声耦合剂，有效保证了横波探头与待测工件6的良好耦合；
利用第一横波探头1向待测工件6内部发射超声横波，超声横波经待测工件6底面反射后形成反射回波；利用第二横波探头2接收反射回波；
调节第二横波探头2的位置，使第二横波探头2接收到反射回波的最大值；利用量尺3及游标尺4测量得到该状态下第一横波探头1的入射点与第二横波探头2的出射点之间的距离l；
根据斯涅耳定律及三角函数关系，利用第一横波探头1的入射点与第二横波探头2的出射点之间的距离l及横波探头的入射角θw，计算得到待测工件的横波声速vs；
其中，工件中的横波声速vs的表达式为：
Figure BDA0002790158540000061
其中，vw为横波探头的楔块中的纵波声速，t为超声横波在待测工件的传播时间；
根据横波-纵波声速的关系，计算得到工件中的横波声速vl；
其中，工件中的横波声速vl的表达式为：
Figure BDA0002790158540000062
其中，σ为待测工件的泊松比。
本发明所述的工件声速测量方法，通过在厚度未知的待测工件表面涂抹超声耦合剂，将两个横波探头置于涂抹有超声耦合剂的待测工件表面，保持横波探头与待测工件表面的良好耦合；利用其中一个横波探头向待测工件内部发射超声横波，超声横波进入待测工件内部后，在待测工件的底面反射后，形成反射回波，反射回波返回待测工件表面时，被另一横波探头接收到；
在检测过程中，将第一横波探头固定在量尺的零刻度线处，并沿量尺来回移动第二横波探头，当超声横波经待测工件底部反射后的反射回波为最大值时，利用量尺及游标尺测量此时两个横波探头的入射点间距l；根据斯涅耳定律和三角函数关系，计算出工件中的横波声速vs；。
其中，工件中的横波声速vl的表达式为：
Figure BDA0002790158540000063
其中，vw为横波探头的楔块中的纵波声速，t为超声横波在待测工件的传播时间；
上述横波声速vs的表达式中，楔块中的纵波声速vw和横波探头的入射角θw为已知数值；第一横波探头和第二横波探头的入射点间距l可通过量尺及游标尺测量出；本发明由于采用了错位放大原理，有效提高了第一横波探头的入射点与第二横波探头的出射点之间距离测量结果的精度，其测量精度可达到0.1mm；超声横波在待测工件内的传播时间t可通过超声探伤仪或者示波器等测出。
测量出横波声速后，根据横波-纵波声速的关系，可计算出纵波声速vl，为纵波探头测厚提供声速参考。
本发明所述的超声探头及工件声速测量方法，将两个横波探头的入射角相同且为定值设置，两个横波探头通过量尺连接，并可沿量尺滑动；通过量尺可测量两个横波探头的入射点之间的间距；本发明通过一发一收两个横波探头，可测量出未知厚度工件的声速，克服了常用材料声速测量方法必须已知工件厚度的不足，为工件的测厚提供了声速参考，实现了工件厚度和声速的准确测量。
上述实施例仅仅是能够实现本发明技术方案的实施方式之一，本发明所要求保护的范围并不仅仅受本实施例的限制，还包括在本发明所公开的技术范围内，任何熟悉本技术领域的技术人员所容易想到的变化、替换及其他实施方式。

Claims (10)

1.一种超声探头装置，其特征在于，包括第一横波探头(1)、第二横波探头(2)及量尺(3)；第一横波探头(1)及第二横波探头(2)均滑动设置在量尺(3)上，第一横波探头(1)与第二横波探头(2)的入射角相同；第一横波探头(1)和第二横波探头(2)采用一发一收形式；其中，第一横波探头(1)为发射探头，第二横波探头(2)为接收探头，或反之亦可。
2.根据权利要求1所述的一种超声探头装置，其特征在于，第一横波探头(1)的入射点或出射点与量尺(3)的零刻度线竖向对齐。
3.根据权利要求1所述的一种超声探头装置，其特征在于，第二横波探头(2)上设置有游标尺(4)，第二横波探头(2)的入射点或出射点与游标尺(4)的零刻度线对齐；游标尺(4)滑动设置在量尺(3)上。
4.根据权利要求3所述的一种超声探头装置，其特征在于，游标尺(4)设置有10个等分刻度，游标尺(4)的每个刻度与量尺(3)的最小刻度相差0.1mm。
5.根据权利要求4所述的一种超声探头装置，其特征在于，游标尺(4)的最小刻度为0.9mm；量尺(3)的最小刻度为1mm，量尺(3)的长度为20-60mm。
6.根据权利要求3所述的一种超声探头装置，其特征在于，游标尺(4)与第二横波探头(2)之间采用连接件(5)铰接。
7.根据权利要求1所述的一种超声探头装置，其特征在于，第一横波探头(1)与第二横波探头(2)的入射角为33°-40°。
8.一种工件声速测量方法，其特征在于，利用权利要求1-7任意一项所述的一种超声探头装置；具体包括以下步骤：
将第一横波探头(1)和第二横波探头(2)均设置在待测工件(6)表面，利用第一横波探头(1)向待测工件(6)内部发射超声横波，超声横波经待测工件(6)底面反射后形成反射回波；利用第二横波探头(2)接收反射回波；
调节第二横波探头(2)的位置，使第二横波探头(2)接收的反射回波的最大值，测量得到该状态下第一横波探头(1)的入射点与第二横波探头(2)的入射点之间的距离l；
利用第一横波探头(1)与第二横波探头(2)的入射点之间的距离l及横波探头的入射角θw，计算得到待测工件(6)的横波声速vs；
根据横波-纵波声速的关系，计算得到待测工件中的纵波声速vl。
9.根据权利要求8所述的一种工件声速测量方法，其特征在于，工件中的横波声速vl的表达式为：
Figure FDA0002790158530000021
其中，vw为横波探头的楔块中的纵波声速，t为超声横波在待测工件的传播时间；
工件中的纵波声速vl的表达式为：
Figure FDA0002790158530000022
其中，σ为待测工件的泊松比。
10.根据权利要求9所述的一种工件声速测量方法，其特征在于，待测工件(6)的厚度未知，待测工件(6)的表面均匀涂抹有超声耦合剂。
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