CN115541707A - 一种超声干耦合滚轮探头及检测方法 - Google Patents

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CN115541707A CN202110741511.9A CN202110741511A CN115541707A CN 115541707 A CN115541707 A CN 115541707A CN 202110741511 A CN202110741511 A CN 202110741511A CN 115541707 A CN115541707 A CN 115541707A
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Abstract

本发明涉及一种超声干耦合滚轮探头及检测方法，属于无损检测技术领域，解决了现有技术中无法采用单侧单探头检测且无法检测纵向裂纹缺陷的问题。本发明提供了一种超声干耦合滚轮探头，包括平行且端部相邻设置的第一晶片和第二晶片；第一晶片设置有分层缺陷检测区域和裂纹缺陷检测区域；第一晶片的裂纹缺陷检测区域靠近被检件侧设有第一楔块，第二晶片靠近被检件侧设有第二楔块；第一晶片的分层缺陷检测区域的超声信号用于检测被检件的分层缺陷，第一晶片的裂纹缺陷检测区域和第二晶片的超声信号用于检测被检件的裂纹缺陷，实现了单次单侧单探头快速、准确地超声检测出复合材料天线罩分层和裂纹缺陷。

Description

一种超声干耦合滚轮探头及检测方法
技术领域
本发明涉及无损检测技术领域，尤其涉及一种超声干耦合滚轮探头及检测方法。
背景技术
天线罩在使用过程中会遭受高温、高速气流的冲刷，内部存在的缺陷会降低产品力学性能，甚至会造成材料断裂，造成重大事故。因此，必须采用有效的无损检测技术对复合材料天线罩内部质量进行检测。
目前，超声检测是复合材料最常用最有效的无损检测方法。现有技术中的大部分超声探头，在探头和被检件表面之间都需要使用液体耦合剂。但是，新型复合材料天线罩采用增强纤维、高温树脂基体、透波或隐身材料等通过编制、树脂传递模塑等工艺成型，该天线罩具有高孔隙率大等特点，对超声信号的衰减很大，常规超声探头无法穿透；而且此复合材料表面不允许接触液体耦合剂，无法用常规的液体耦合超声探头检测。
另外，此复合材料天线罩易产生平行于铺层方向的横向分层缺陷和垂直于铺层方向的纵向裂纹缺陷，现有技术的超声探头只能检测横向分层缺陷，并且通过双侧双探头检测分层缺陷，无法采用单侧单探头检测，更无法检测纵向裂纹缺陷。
因此，为提高检测效率，保证检测精度，目前亟需一种单侧单探头同时检测横向分层缺陷和纵向裂纹缺陷的超声探头，及检测方法。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种超声干耦合滚轮探头及检测方法，至少能解决以下技术问题之一：(1)复合材料天线罩孔隙率大，对超声信号的衰减很大，常规超声检测方法无法穿透复合材料天线罩；(2)复合材料天线罩材料表面不允许接触液体耦合剂，无法用常规的液体耦合超声检测；(3)复合材料天线罩材料易产生平行于铺层方向的分层和垂直于铺层方向的纵向裂纹，常规的超声检测探头只能通过双侧双探头检测分层缺陷，无法采用单侧单探头检测；(4)常规的超声探头无法检测纵向裂纹缺陷的问题。
发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一方面，本发明提供了一种超声干耦合滚轮探头，包括平行且端部相邻设置的第一晶片和第二晶片；
上述第一晶片设置有分层缺陷检测区域和裂纹缺陷检测区域；
上述第一晶片的裂纹缺陷检测区域靠近被检件侧设有第一楔块，上述第二晶片靠近被检件侧设有第二楔块；
上述第一晶片的分层缺陷检测区域的超声信号用于检测被检件的分层缺陷，上述第一晶片的裂纹缺陷检测区域和第二晶片的超声信号用于检测被检件的裂纹缺陷。
进一步地，上述第一晶片和第二晶片的长度比为2:1；
上述第一晶片的分层缺陷检测区域、裂纹缺陷检测区域与第二晶片的长度之比为1:1:1。
进一步地，上述第一晶片的中心频率大于第二晶片的中心频率。
进一步地，上述第一楔块和所述第二楔块呈轴对称分布，对称轴为第一晶片和第二晶片的分界线。
进一步地，上述第一楔块和第二楔块的截面均为直角三角形，第一楔块和第二楔块的第一直角边与对应晶片的楔块安装面连接；第一楔块和第二楔块的第二直角边与对应晶片的楔块安装面垂直；两直角三角形的斜边形成Λ字形。
进一步地，上述探头还包括两端封闭的筒体和筒体滚动连接结构，所述第一晶片和第二晶片设置在筒体内，筒体内填充有耦合剂；
筒体滚动时，第一晶片和第二晶片相对筒体轴向不动，筒体和被检件表面之间通过紧贴式滚动摩擦进行扫查。
进一步地，第一晶片的分层缺陷检测区域的被检件侧的耦合剂层的厚度，应满足：
Figure BDA0003141595710000031
其中，L耦合剂-耦合剂层的厚度，C耦合剂-耦合剂中的纵波声速，T被检件-被检件的厚度，C被检件-被检件中的纵波声速。
进一步地，上述第一楔块和上述第二楔块均满足以下公式：：
Figure BDA0003141595710000032
β+θ＝α 公式2
Figure BDA0003141595710000033
其中，C楔块材质为楔块中纵波声速；
C耦合剂为耦合剂中纵波声速；
C兰姆波为被检件中兰姆波声速，其中兰姆波为横向传播的声波；
θ为超声信号改变方向后的传播方向与原传播方向夹角；
α为楔块的斜边与对应晶片的楔块安装面的夹角；
β为超声信号改变方向后的传播方向与楔块的斜边垂直线的夹角。
另一方面，本发明还提供了一种天线罩的超声干耦合检测方法，包括分层缺陷检测和/或裂纹缺陷检测；
分层缺陷检测包括：第一晶片的分层缺陷检测区域发射超声波，超声波纵向传播至被检件，超声信号经被检件底面反射后，沿原路径返回被第一晶片接收；如果超声信号反应异常，则判断反映该位置被检件内部有横向分层缺陷；
裂纹缺陷检测包括：第一晶片的裂纹缺陷检测区域发射超声波，经第一楔块改变传播方向，进入被检件变为横波，经过被检件后沿对称路径，再经过第二楔块，变为原来的传播方向，被第二晶片接收；此时如有超声信号异常，反映被检件此位置内部有纵向裂纹缺陷。
进一步地，上述检测步骤包括：
步骤1：在对比试块内部设置人工模拟缺陷，且对比试块的材料、厚度和被检件相同；
步骤2：将超声仪的A通道设置为反射法模式，B通道设置为穿透法模式，且同步；将超声高干耦合滚轮探头端口连接超声仪；
步骤3：调节A通道和B通道的增益值，超声高干耦合滚轮探头置于无缺陷处，超声信号幅值均不小于100％；超声高干耦合滚轮探头置于人工模拟缺陷的中心位置时，超声反射信号的幅值不大于20％；
步骤4：对被检件进行扫查，扫查方式采用栅格式，扫查方向与探头滚轮直径的方向一致，扫查步进为超声高干耦合滚轮探头的第二晶片的一半；
步骤5：扫查时，A通道的超声信号的幅值不大于20％且为最低时，第一晶片分层缺陷区域的中心位置的下方为分层缺陷的位置，B通道的超声信号的幅值不大于20％且为最低时，第一晶片与第二晶片的边界线下方为纵向裂纹的位置。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
1、本发明的超声干耦合滚轮探头，通过平行且端部相邻设置第一晶片和第二晶片，其中，第一晶片包括分层缺陷检测区域和裂纹缺陷检测区域，第二晶片仅接收裂纹检测信号；第一晶片的分层缺陷检测区域的超声信号用于检测被检件的分层缺陷；第一晶片的裂纹缺陷检测区域和第二晶片靠近被检件侧对称设置有楔块，用于改变超声信号传播方向，从而使第一晶片的裂纹缺陷检测区域和第二晶片的超声信号用于检测被检件的裂纹缺陷。本发明首次实现了复合材料天线罩分层和裂纹缺陷的单次单侧单探头超声检测。
2、本发明的超声检测探头，通过发射超声波晶片前端粘接三角形楔块改变超声波信号传播方向，将纵波变成横波，用于检测纵向裂纹缺陷，填补了超声检测探头无法检测纵向裂纹的空白。
3、本发明的超声干耦合滚轮探头，通过采用中心频率不同的两块晶片，高频率晶片能保证检测分层缺陷时的高分辨力，低频率晶片能保证检测裂纹缺陷时的高灵敏度。
4、本发明的超声干耦合滚轮探头，通过对耦合剂厚度确定，保证检测时耦合剂的多次超声反射波在天线罩表面反射波之后，使耦合剂层的二次超声反射波不会影响被检件的超声反射信号，提高了检测的准确性。
5、本发明的超声干耦合滚轮探头及检测方法，通过校验超声仪灵敏度，保证了第一晶片和第二晶片对于分层和裂纹缺陷的检测灵敏度，进一步提高检测结果的准确性。
6、本发明的超声干耦合滚轮探头及检测方法，扫查时不需要在被检件表面使用任何液体耦合剂，避免耦合剂对复合材料内部造成不可逆的污染；对比例中可知，现有技术通过用水做耦合剂，对检测结果有一定的影响，使得检测误差在30％以上，本发明的检测误差不足10％，提高了检测准确度。
7、本发明的超声干耦合滚轮探头及检测方法，通过采用栅格式扫查方式，扫查方向与探头滚轮直径的方向一致，扫查步进为探头第二晶片尺寸的一般(如半径)，确保不会漏检，且同时检测分层缺陷和裂纹缺陷，大大提高了检测效率，节约时间成本。
8、本发明的超声干耦合滚轮探头及检测方法，通过实施例及对比例的实际检测，与现有技术相比，本发明的检测下限为4mm，比起现有装置检测下限为10mm，本发明提供的探头及其检测方法降低了检测下限。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例提供的超声干耦合滚轮探头结构剖面图；
图2为本发明实施例1提供的检测装置示意图；
图3为本发明的探头内楔块与晶片形成的锐角夹角的角度与超声波传播方向的关系示意图；
图4为本发明实施例的检测分层缺陷的超声波示意图；
图5为本发明实施例的检测裂纹缺陷的超声波示意图。
附图标记：
1-探头的B接口；2-探头的A接口；3-手柄；4-弹簧；5-第一晶片；6-第二晶片；7-第一楔块；8-第二楔块；9-轮盘；10-密封圈；11-轴承；12-轴；13-橡胶轮胎；14-耦合剂层厚度；15-超声仪B通道的接收端；16-超声仪A通道的发射端；17-探头连线；18-超声干耦合滚轮探头；19-多通道超声仪。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接，可以是机械连接，也可以是电连接可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
全文中描述使用的术语“表面”、“底面”、“在……上方”、“下”和“在……上”是相对于天线罩被检部分层状结构的相对位置，例如天线罩表面和底面的相对位置。可以理解的是天线罩被检部分是个层状结构，与它们在空间中的方位无关。
本发明通常的工作面可以为平面或曲面，可以倾斜，也可以水平。为了方便说明，本发明实施例放置在水平面上，并在水平面上使用，并以此限定“高低”和“上下”。
本发明公开了一种超声干耦合滚轮探头，如图1所示，包括平行且端部相邻设置第一晶片5和第二晶片6；其中，第一晶片包括分层缺陷检测区域和裂纹缺陷检测区域；上述第一晶片的裂纹缺陷检测区域设置第一楔块7，第二晶片设置第二楔块8；第一晶片的分层缺陷检测区域的超声信号用于检测被检件的分层缺陷，第一晶片的裂纹缺陷检测区域和第二晶片的超声信号用于检测被检件的裂纹缺陷。
现有的滚轮探头的晶片数量多为1个，也有多个的，但晶片的尺寸都相同，只能检测分层缺陷，不能检测裂纹缺陷。本发明采用平行且端部相邻设置的第一晶片、第二晶片，且第一晶片和第二晶片的尺寸不同，同时在第一晶片上设置分层缺陷检测区域和裂纹缺陷检测区域，第一晶片的分层缺陷检测区域的超声信号用于检测被检件的分层缺陷，第二晶片的区域设置为裂纹缺陷检测区域，第一晶片的裂纹缺陷检测区域和第二晶片的超声信号用于检测被检件的裂纹缺陷。本发明通过干耦合滚轮探头的第一晶片和第二晶片设在同一侧，且第一晶片具有检测分层缺陷的区域，通过晶片该区域发射和接收超声波信号的方式检测复合材料天线罩中的分层缺陷，能够实现单侧单探头超声检测检测分层缺陷，同时晶片靠近被检测件侧设置有楔块，在楔块的作用下能够实现单侧单探头检测纵向裂纹缺陷。
沿第一晶片和第二晶片平行设置的方向，分层缺陷检测区域和裂纹缺陷检测区域的长度之比为1:2。也就是说，裂纹缺陷检测区域位于第一晶片和第二晶片上，第一晶片的分层缺陷检测区域与部分裂纹缺陷检测区域位于同一晶片上，能够满足检测缺陷需要2个晶片配合检测的需要，同时能够提高检测的灵敏度。
为实现同时同侧(即单侧)、同探头检测分层缺陷和纵向裂纹缺陷，晶片设置方式为平行且端部相邻设置第一晶片和第二晶片；其中，第一晶片包括分层缺陷检测区域和裂纹缺陷检测区域；其中第一晶片的裂纹缺陷检测区域和第二晶片靠近被检件侧对称设置有楔块，即第一晶片的裂纹缺陷检测区域靠近被检件侧设置有第一楔块12，第二晶片的裂纹缺陷检测区域靠近被检件侧设置有第二楔块13，第一楔块12和第二楔块13的对称轴为第一晶片和第二晶片的分界线。
工作时，第一晶片的分层缺陷检测区域发射超声波，纵向传播至被检件，超声信号经被检件底面反射后，沿原路径返回被第一晶片接收。
第一晶片的裂纹缺陷检测区域发射超声波，经第一楔块改变传播方向，进入被检件变为横波，经过被检件后沿对称路径，在经过第二晶片前端的第二楔块，被第二晶片接收。
检测裂纹缺陷时，需使用第一晶片的右半部分即第一晶片的裂纹缺陷检测区域发射能量和第二晶片即第二晶片的裂纹缺陷检测区域接收能量，为保证发射和接收的声束尺寸一致，第一晶片的裂纹缺陷检测区域的长度等于第二晶片的长度，第一晶片左半部分尺寸等于右半部分尺寸，即第一晶片的分层缺陷检测区域和第一晶片的裂纹缺陷检测区域的尺寸相同。也就说，第二晶片的长度为第一晶片长度的一半。
具体地，上述第一晶片的分层缺陷检测区域、裂纹缺陷检测区域的长度之比为1:1；第一晶片的分层缺陷检测区域、裂纹缺陷检测区域与第二晶片的长度之比为1:1:1。
那么，沿第一晶片和第二晶片平行设置的方向，分层缺陷检测区域和裂纹缺陷检测区域的长度之比为1:2；第一晶片和第二晶片的长度之比为2:1。
为了能够实现单侧单探头检测纵向裂纹缺陷，具体地，第一晶片的裂纹缺陷检测区域靠近被检件侧设有第一楔块，第二晶片靠近被检件侧设有第二楔块；第一楔块和第二楔块呈轴对称分布，对称轴为第一晶片和第二晶片的分界线；第一楔块和第二楔块的横截面为直角三角形，其中一个直角边与晶片相连接，两块楔块的两个斜边相对分布。
为保证超声波的传播路径，两块楔块与晶片连接的一个直角边的边长与所连接区域的晶片边长等长，也就是楔块连接晶片的一个直角边的边长与第一晶片的分层缺陷检测区域和裂纹缺陷检测区域以及第二晶片的长度之比为1:1:1:1。
需要说明的是，声波在无损检测常用的超声频率下，不能在空气中有效传播。空气除了会使信号产生衰减，空气的声阻抗还与一般的被检材料极不匹配，甚至探头与被检件之间极窄的气隙都会影响超声波的有效传输，使常规检测不可能完成。
因此，上述晶片外部设置充满超声耦合剂的密封弹性介质。
具体地，液体耦合剂有着自己的声速，在分层缺陷检测过程中，在一段很短的距离内，超声信号经过耦合剂再进入被检件，但耦合剂与被检件边界也会有部分反射信号，这些二次反射信号如果在被检件底面反射信号前面被晶片接收，亦或者同时和被检件底面反射信号叠加，都将影响检测信号。所以，保证耦合剂层的厚度值可使耦合剂的二次超声反射波在被检件的表面反射波后面，不会影响检测信号，应满足超声耦合剂的厚度与耦合剂中纵波声速的比值大于被检件厚度与被检件中纵波声速的比值，具体地，干耦合超声探头的第一晶片分层缺陷检测区域耦合剂层厚度14满足公式：
Figure BDA0003141595710000101
其中，L耦合剂-耦合剂层的厚度，C耦合剂-耦合剂的声速，T被检件-被检件的厚度，C被检件-被检件的声速。
在检测纵向裂纹缺陷时，为保证超声波的传播路径，进入被检件变为横波，以及返回的声波信号能被第二晶片接收到，更优地，被第二晶片的中心位置接收，这需要楔块的尺寸、角度以及其材质相匹配。由于，楔块的横截面为直角三角形，那么，楔块的第一直角边与对应晶片的楔块安装面设为α，这个角度α与楔块的材质，以及如何将返回的超声信号落在第二晶片的中心位置，如图3所示，需要满足下述公式关系：
Figure BDA0003141595710000111
β+θ＝α 公式2
Figure BDA0003141595710000112
可根据公式1、2、3计算楔块的参数；其中；
C楔块材质为某种材质楔块中纵波声速；
C耦合剂为某种耦合剂中纵波声速；
C兰姆波为被检件中兰姆波声速，其中，兰姆波为横向传播的声波；
θ为超声信号改变方向后的传播方向与原传播方向夹角；
α为楔块的斜边与对应晶片的楔块安装面的夹角，即直角三角形的第一锐角；
β为超声信号改变方向后的传播方向与楔块斜边(即最长边)垂直线的夹角。
经实验研究，楔块材质密度小有利于楔块与晶片的连接，声速大有利于区分超声波进入被检件中的声速，优选地，楔块材质为铝，符合密度小、声速大的特点。
示例性地，楔块材质选择铝，耦合剂为水。金属铝中的纵波声速为6300m/s，水中的纵波声速为1500m/s，复合材料天线罩中的兰姆波声速与超声波频率、复合材料厚度等因素有关，无法确定精确数值，经实验测算，楔块的斜边和对应晶片的楔块安装面的夹角α(楔块的斜边和晶片形成锐角的角度)为35～55°，可以保证第二晶片接收到返回的超声信号；如将返回声波落在第二晶片的中心位置，那么，优选地，楔块与晶片形成锐角夹角的角度α为40°。
晶片与楔块位置确定下来，晶片与楔块的联动作用如下：第一晶片的分层缺陷检测区域发射超声波，超声波纵向传播至被检件，超声信号经被检件底面反射后，沿原路径返回被第一晶片接收，超声信号的异常反映此位置被检件内部有横向分层缺陷。
第一晶片的裂纹缺陷检测区域发射超声波，经第一楔块改变传播方向，进入被检件变为横波，经过被检件后沿对称路径，再经过第二楔块，变为原来的传播方向，被第二晶片接收；此时如有超声信号异常，反映被检件此位置内部有纵向裂纹缺陷。
需要说明的是，晶片中心是超声波声场中心，超声波能量最高，当晶片中心与缺陷中心位置重合时，能量被最大程度的阻挡，没有或只有很少的能量传播至被检件底面。例如：第一晶片与第二晶片的接触边界线下方为两个晶片声场交叉处，超声波能量最高，该位置中心与裂纹缺陷中心位置重合时，能量被最大程度的阻挡，超声信号幅值最低。
为区分两者信号强度，第一晶片与第二晶片的中心频率范围不同，第一晶片为高频率晶片，能保证检测分层缺陷时的高分辨力，第二晶片为低频率晶片，能保证检测裂纹缺陷时的高灵敏度。
在一种可能的设计中，晶片与被检件之间，通过滚轮探头实现检测，两端封闭的筒体和筒体滚动连接结构，上述晶片设置在筒体内，筒体内填充有耦合剂液体。具体地，筒体为密封弹性介质，检测时可将探头的弹性介质紧压至试样表面且无间隙接触。示例性地，弹性介质为橡胶轮胎。具体地，探头通过轴性连接实现滚动，示例性的，比如轴承，滚轮。
需要说明的是，弹性介质，例如橡胶轮胎，对超声波有一定的衰减作用，但橡胶轮胎保持厚度一致，在检测时，超声波在传播路径中通过橡胶轮胎时衰减一致，因此对检测结果没有影响。
具体地，筒体滚动时，第一晶片和第二晶片相对筒体轴向不动，且始终在被检件最近的位置，也就是说，晶片沿楔块方向与被检件表面垂直，这是为了保证声波垂直进入被检件。筒体和被检件表面之间通过紧贴式滚动摩擦进行扫查，这样使弹性介质和被检件无间隙接触，超声信号可以传播至被检件内部，达到干耦合的效果。
为保证探头紧压被检件表面，探头上端与手柄3之间安装弹性装置保证耦合压力，弹性装置最大压力≥25N。示例性地，弹性装置为弹簧。
干耦合滚轮探头通过轴承11使橡胶轮胎13在滚动时，橡胶轮胎和被检件表面之间通过紧贴式滚动摩擦进行扫查。其中，晶片方向及固定晶片的轴12的方向是不动的，且始终在被检件最近的位置，也就是说，晶片沿楔块方向与被检件表面垂直，这是为了保证声波垂直进入被检件。在轴承11和轮盘9之间设置机械密封圈10，用于防止液体耦合剂渗漏污染被检件。
另一方面，本发明还提供了一种利用上述超声干耦合滚轮探头对于天线罩的检测方法，如图4、图5所示。
超声干耦合滚轮探头的第一晶片分为等长的两部分：分层缺陷检测区域，裂纹缺陷检测区域，且第一晶片为高频率晶片，具有发射和接收双重功能，第一晶片的分层缺陷检测区域，发射超声波，纵向传播至被检件，超声信号经被检件底面反射后，沿原路径返回被第一晶片接收。第一晶片的裂纹缺陷检测区域，发射超声波，经晶片前端的第一楔块改变方向，在被检件中横向传播，超声信号经过被检件后，沿对称的路径经第二楔块改变成原传播方向，被探头的第二晶片接收。
第一晶片分层缺陷检测区域中心位置的下方为超声波声场中心，超声波能量最高，当第一晶片中心位置与缺陷中心位置重合时，能量被最大程度的阻挡，没有或只有很少的能量传播至被检件底面，也就是说，第一晶片接收到的信号强度最低时，说明第一晶片分层缺陷检测区域的中心位置正下方是分层缺陷的位置。
第一晶片与第二晶片的接触边界线下方为两个晶片声场交叉处，超声波能量最高，该位置中心与裂纹缺陷中心位置重合时，能量被最大程度的阻挡，超声信号幅值最低，因此，第二晶片接收到的信号强度最低时，说明第一晶片与第二晶片的接触边界线的正下方是裂纹缺陷的位置。
超声信号幅值通常反映在超声仪上，为了方便区分接收到的信号是分层缺陷亦或是裂纹缺陷，在一种可能的设计中，超声仪需要多通道，至少具有穿透法模式和反射法模式的两个通道。
具体地，第一晶片的分层缺陷检测区域经连线接入超声仪的反射法模式，将第一晶片的裂纹缺陷检测区域及第二晶片经连线接入超声仪的穿透法模式。为保证低频晶片的频率范围涵盖在接收范围内，多通道超声仪的接收频带下限不高于0.2MHz；为保证发射超声波能量充足，发射电压不低于方波400V。
这样，晶片与楔块及超声仪通道的联动作用如下：第一晶片具有发射接收功能，第一晶片的裂纹缺陷检测区域粘接三角形楔块；第二晶片只具有接收功能，前端同样粘接三角形楔块，且两块三角形楔块呈轴对称分布，这样是为了第一晶片的分层缺陷检测区域(左半部分)的晶片发射超声波，纵向传播至被检件，超声信号经被检件底面反射后，沿原路径返回被第一晶片接收，显示在超声仪的A通道上；第一晶片裂纹缺陷检测区域(右半部分)的晶片发射超声波，经第一晶片前端的三角形铝楔块改变方向，在被检件中横向传播，超声信号经过被检件后，沿对称的路径返回，经第二晶片粘接的楔块改变成原传播方向，被第二晶片接收，显示在超声仪的B通道上。
具体地，探头检测被检件缺陷与超声仪显示联动作用为：探头置于无缺陷处，A通道的底面超声反射信号和B通道的超声信号幅值显示均不小于100％；探头的第一晶片的分层缺陷检测区域(左半部分)的晶片中心与分层缺陷的中心位置重合，使A通道的底面超声反射信号的幅值显示不大于20％；第一晶片与第二晶片的接触边界线，与纵向裂纹缺陷的中心位置重合，使B通道的超声信号的幅值显示不大于20％。
更具体地，采用上述检测方法进行复合材料天线罩超声扫查时，扫查方式采用栅格式，保证扫查效率；扫查方向与探头滚轮直径的方向一致，便于滚动推进；扫查步进为第二晶片的半径，防止漏检。
为了便于具体实施本发明的超声干耦合滚轮探头及其对于天线罩的检测方法，本发明还提供了一种具体的复合材料天线罩的检测装置，包括多通道超声仪14和超声干耦合滚轮探头18；超声干耦合滚轮探头晶片包括第一晶片5、第二晶片6、第一楔块7、第二楔块8；如图1、图2所示。
第一晶片5的裂纹缺陷检测区域(右半部分)前端粘接第一楔块7，第二晶片6的前端粘接第二楔块8，两块楔块横截面为直角三角形，其中一条直角边粘接晶片，斜边相对，两块楔块呈轴对称分布。
具体地，第一晶片与第二晶片采用不同频率的压电晶片，第一晶片采用高频率晶片，能保证检测分层缺陷时的高分辨力；第二晶片采用低频率晶片，能保证检测裂纹缺陷时的高灵敏度。
第二晶片边长为第一晶片边长的一半。第一晶片的分层缺陷检测区域前端(左半部分)无楔块，发射超声波进入被检件，遇到横向分层缺陷原路反射回来，被其接收到，从而判断横向分层缺陷的位置。第一晶片的裂纹缺陷检测区域(右半部分)前端粘接第一楔块，当发射超声波时，经过第一楔块将改变方向变成横向传播进入被检件，当遇到纵向裂纹缺陷时，沿对称路径返回，并经过第二楔块，再次改变回原传播方向被第二晶片接收到，从而判断被检件纵向裂纹缺陷的位置。
为了使上述超声波路径准确发射准确接收，具体地，三角形楔块为横截面为直角三角形的楔块，楔块的厚度与晶片厚度一致，三角形楔块一个直角边边长与晶片粘接，楔块的斜边和对应晶片的楔块安装面的夹角α(楔块的斜边和晶片形成锐角的角度)其角度范围为35°～55°，当楔块的材质优选为金属铝时，三角形楔块与晶片夹角角度，优选地，α为40°，此时能保证超声波沿对称路径，且被第二晶片的中心位置接收。
更具体地，干耦合超声探头的第一晶片，第一晶片5为高分辨力高能型复合材料晶片，具有发射和接收超声波信号的功能，脉冲宽度≤2个周期，尺寸范围为15mm*15mm～20mm*20mm，中心频率范围为1MHz～5MHz；第二晶片6为接收型晶片，只有接收超声波信号的功能，边长为第一晶片边长的一半，中心频率范围为0.25MHz～1MHz。
多通道超声仪至少具有穿透15和反射16工作模式的两个通道。
具体地，多通道超声仪的接收频带下限不高于0.2MHz，发射电压不低于方波400V。将第一晶片的两半分别经连线接入超声仪的反射法模式，将第二晶片经连线接入超声仪的穿透法模式。
这样，晶片与楔块及超声仪通道的联动作用如下：第一晶片具有发射接收功能，第一晶片的分层缺陷检测区域(左半部分)发射超声波，纵向传播至被检件，超声信号经被检件底面反射后，沿原路径返回被第一晶片接收，显示在超声仪的A通道上；第一晶片的裂纹缺陷检测区域(右半部分)发射超声波，经第一晶片前端的三角形铝楔块改变方向，在被检件中横向传播，超声信号经过被检件后，沿对称的路径返回，经第二晶片前端的楔块改变成原传播方向，被第二晶片接收，显示在超声仪的B通道上。
干耦合滚轮探头的探头晶片外部设置充满超声耦合剂的密封弹性介质13，弹性介质保持厚度一致。检测时可将探头的弹性介质紧压至试样表面且无间隙接触。示例性地，弹性介质为橡胶轮胎，橡胶轮胎保持厚度一致。
为保证探头紧压被检件表面，探头上端与手柄3之间安装弹性装置保证耦合压力，弹性装置最大压力≥25N。示例性地，弹性装置为弹簧。
上述干耦合滚轮探头通过轴性连接实现滚动，示例性的，比如轴承，滚轮弹性介质和被检件表面之间通过紧贴式滚动摩擦进行扫查，这样可以保证超声信号的干耦合。
干耦合滚轮探头通过轴承11使橡胶轮胎13在滚动时，橡胶轮胎和被检件表面之间通过紧贴式滚动摩擦进行扫查。其中，晶片方向及固定晶片的轴12的方向是不动的，且始终在被检件最近的位置，也就是说，晶片沿楔块方向与被检件表面垂直，保证声波垂直进入被检件。在轴承11和轮盘9之间设置机械密封圈10，用于防止液体耦合剂渗漏污染被检件。
晶片和弹性介质之间的液体耦合剂，优选地，耦合剂为水；保证水层的厚度值可使水的二次超声反射信号在被检件的底面超声反射信号的后面，不会影响检测信号，应满足水层的厚度与水中纵波声速的比值大于被检件厚度与被检件中纵波声速的比值，具体地，干耦合超声探头的第一晶片分层缺陷检测区域的被检件侧的耦合剂层(水层)厚度满足公式：
Figure BDA0003141595710000171
其中，L水层-水层的厚度，C水-水中的纵波声速，T被检件-被检件的厚度，C被检件-被检件中纵波的声速。
在使用时，将探头的A接口2通过连线17接入多通道超声仪的A通道发射端16，将探头的B接口1通过连线17接入B通道的接收端15，将超声仪设置为A通道和B通道同步，开始检测。扫查方式采用栅格式，扫查方向与探头滚轮直径的方向一致，扫查步进为探头第二晶片长度的一半(如半径)，确保不会漏检且检测效率高。
本发明提供的一种复合材料天线罩的超声检测装置，采用上述检测装置的检测步骤如下：
步骤1：保证对比试块的材料、厚度和被检件相同。在对比试块内部放置两层聚四氟乙烯薄膜模拟分层缺陷，在对比试块下表面刻槽模拟纵向裂纹缺陷。
步骤2：将多通道超声的A通道设置为反射法模式，B通道设置为穿透法模式，将探头的A接口接入多通道超声仪的A通道发射端，将探头的B接口接入B通道的接收端，将超声仪设置为A通道和B通道同步。
步骤3：调节A通道和B通道的增益值，同时满足：探头置于无缺陷处，A通道的底面超声反射信号和B通道的超声信号幅值均不小于100％；探头的第一晶片左半部分的晶片中心与人工模拟分层缺陷的中心位置重合，使A通道的底面超声反射信号的幅值不大于20％；第一晶片与第二晶片的边界线，与人工模拟纵向裂纹缺陷的中心位置重合，使B通道的超声信号的幅值不大于20％。
步骤4：用确定好检测灵敏度的超声仪和探头对被检件进行扫查，扫查方式采用栅格式，扫查方向与探头滚轮直径的方向一致，扫查步进为探头第二晶片的半径；
步骤5：扫查时，A通道的超声信号的幅值不大于20％且为最低时，第一晶片左半部分的中心位置的下方为分层缺陷的位置，B通道的超声信号的幅值不大于20％且为最低时，第一晶片与第二晶片的边界线下方为纵向裂纹的位置。
与现有技术相比，本发明的第一晶片和第二晶片同侧平行设置及与三角形楔块的设置，首次实现了复合材料天线罩分层和裂纹缺陷的单次单侧单探头超声检测。尤其，第一晶片的裂纹检测区域前端设置三角形楔块，发射超声波经过楔块，使其改变传播方向，在被检件中横向传播，检测纵向裂纹缺陷。
具体地，检测方法包括：
步骤1：保证对比试块的材料、厚度和被检件相同。在对比试块内部放置两层聚四氟乙烯薄膜模拟分层缺陷，示例性地，分层缺陷尺寸为4mm*4mm～25m*25mmm；在对比试块下表面刻槽模拟纵向裂纹缺陷，示例性的，槽深为对比试块厚度的一半，槽的缝隙宽度为0.5mm～1mm，槽长为4mm～25mm。
步骤2：将多通道超声的A通道设置为反射法模式，B通道设置为穿透法模式，将探头的A接口接入多通道超声仪的A通道发射端，将探头的B接口接入B通道的接收端，将超声仪设置为A通道和B通道同步。
步骤3：调节A通道和B通道的增益值，同时满足：探头置于无缺陷处，A通道的底面超声反射信号和B通道的超声信号幅值均不小于100％；探头的第一晶片左半部分的晶片中心与人工模拟分层缺陷的中心位置重合，使A通道的底面超声反射信号的幅值不大于20％；第一晶片与第二晶片的边界线，与人工模拟纵向裂纹缺陷的中心位置重合，使B通道的超声信号的幅值不大于20％。
步骤4：用确定好检测灵敏度的超声仪和探头对被检件进行扫查，扫查方式采用栅格式，扫查方向与探头滚轮直径的方向一致，扫查步进为探头第二晶片的半径；
步骤5：扫查时，A通道的超声信号的幅值不大于20％且为最低时，第一晶片左半部分的中心位置的下方为分层缺陷的位置，B通道的超声信号的幅值不大于20％且为最低时，第一晶片与第二晶片的边界线下方为纵向裂纹的位置。
与现有技是相比，本发明的超声检测方法，通过分层缺陷超声信号发射接收沿同一路径由同一晶片实现，裂纹缺陷超声信号发射接收沿对称路径由不同晶片实现，将两块晶片平行且端部相邻设置，首次实现了复合材料天线罩分层和裂纹缺陷的单次单侧单探头超声检测。
本发明通过三角形楔块改变超声波信号传播方向，将纵波变成横波，用于检测纵向裂纹缺陷，与现有技术相比，首次实现超声检测检测纵向裂纹。
与现有技术相比，本发明采用中心频率不同的两块晶片，高频率晶片能保证检测分层缺陷时的高分辨力，低频率晶片能保证检测裂纹缺陷时的高灵敏度。
与现有技术相比，本发明通过对耦合剂厚度确定，保证检测时耦合剂的多次超声反射波在天线罩表面反射波之后，使耦合剂层的多次超声反射波不会影响被检件的超声反射信号，提高了检测的准确性。
与现有技术相比，本发明通过校验超声仪灵敏度的方法，保证了分层和裂纹缺陷的检测灵敏度，进一步提高检测结果的准确性。
实施例1
本实施例提供了一种超声干耦合滚轮探头及检测方法，采用上述探头及检测方法设计的具体装置，如图1、图2所示，具体细节如下：
超声干耦合滚轮探头的第一晶片5为高分辨力高能型复合材料晶片，具有发射和接收功能，型号：1-3型，脉冲宽度为1.5周，晶片尺寸为15mm*15mm，晶片中心频率范围为2.25MHz；第二晶片6为接收型晶片，只具有接收功能，型号：PZT-5，晶片尺寸为7.5mm*7.5mm，中心频率范围为1MHz。
高频率的第一晶片能保证检测分层缺陷时的高分辨力，低频率的第二晶片能保证检测裂纹缺陷时的高灵敏度。
干耦合滚轮超声探头的第一晶片前端耦合剂水层厚度为10mm，满足公式：
Figure BDA0003141595710000211
其中，L水层-水层厚度，C水-水的声速，T被检件-被检件厚度，C被检件-被检件声速。
如图1所示，超声干耦合滚轮探头18在第一晶片5的裂纹缺陷检测区域(右半部分)的前端粘接第一楔块7，第二晶片6的前端粘接第二楔块8，与第一楔块7呈轴对称分布，对称轴为探头的第一晶片与第二晶片边界线，两块楔块横截面为直角三角形，其中一个直角边粘接晶片，两块楔块的斜边相对，楔块与晶片形成的锐角夹角为40°，保证超声信号能斜入射至被检件中，在被检件中横向传播，用于检测纵向裂纹。
将超声干耦合滚轮探头18的橡胶轮胎13内充满耦合剂水，并排除气泡。其中晶片轴向及固定晶片的轴12向不动，且晶片沿楔块方向与被检件表面垂直。确保晶片及楔块确保密封圈10将轮盘9轴承11紧密连接，不漏水。
将多通道超声仪1的A通道和B通道的发射电压设置为400V(方波)，A通道和B通道同步，接收频带设置为宽频带，接收频带下限≤0.2MHz。
多通道超声仪19为多通道超声检测仪，至少具有穿透和反射工作模式的两个通道，将多通道超声仪19的A通道设置为反射法模式，B通道设置为穿透法模式。
将超声干耦合滚轮探头18的A接口2接入多通道超声仪19的A通道的发射端16，将超声干耦合滚轮探头18的B接口1接入多通道超声仪19的B通道的接收端15。
该装置能够实现分层缺陷检测和/或裂纹缺陷检测。分层缺陷检测时，第一晶片的分层缺陷检测区域发射超声波，超声波纵向传播至被检件，超声信号经被检件底面反射后，沿原路径返回被第一晶片接收；如果超声信号反应异常，则判断反映该位置被检件内部有横向分层缺陷；
裂纹缺陷检测时，第一晶片的裂纹缺陷检测区域发射超声波，经第一楔块改变传播方向，进入被检件变为横波，经过被检件后沿对称路径，再经过第二楔块，变为原来的传播方向，被第二晶片接收；此时如有超声信号异常，反映被检件此位置内部有纵向裂纹缺陷。
实施例2
本实施例提供了一种超声干耦合滚轮探头及检测方法，利用实施例1中提供的超声检测装置进行检测，被检件为8mm厚高硅氧纤维增强酚醛树脂基复合材料天线罩。
具体步骤如下：
步骤1：对比试块加工：制作对比试块的材料与被检件相同，对比试块的厚度为8mm。在对比试块内部放置两层聚四氟乙烯薄膜模拟分层缺陷，深度位置为距上表面4mm，模拟分层缺陷尺寸为4mm*4mm；在对比试块下表面刻槽模拟纵向裂纹缺陷，槽深为4mm，槽的缝隙宽度为0.5mm，槽长为4mm。
步骤2：探头连接及设置：将多通道超声仪的A通道设置为反射法模式，B通道设置为穿透法模式，将探头的A接口接入多通道超声仪的A通道发射端，将探头的B接口接入B通道的接收端，将超声仪设置为A通道和B通道同步。
步骤3：检测灵敏度的确定：将探头紧压至对比试块的表面，通过探头上端的弹簧9保证耦合压力，压力为25N，使橡胶轮胎和被检件无间隙接触，调节A通道和B通道的增益值，同时满足：探头置于无人工缺陷处，A通道和B通道的超声信号幅值均不小于100％；第一晶片左半部分的晶片中心与人工模拟分层缺陷的中心位置重合，使A通道的试块底面超声反射信号的幅值不大于20％；探头的第一晶片与第二晶片边界线，与人工模拟纵向裂纹缺陷的中心位置重合，使B通道的超声信号的幅值不大于20％。
步骤3：扫查：采用确定的检测灵敏度对被检件进行扫查，耦合压力与检测试块时相同，采用栅格扫查方式进行扫查，扫查方向与探头滚轮直径的方向一致，扫查步进为探头的第二晶片直径的一半。
步骤4：缺陷位置的确定：扫查时，当A通道的底面超声反射信号的幅值不大于20％且为最低时，第一晶片左半部分的中心位置的下方为分层缺陷的位置，B通道的超声信号的幅值不大于20％且为最低时，晶片A和晶片B中心连线的中心下方为纵向裂纹的位置。
对实施例2的被检件进行解剖分析，实际缺陷位置与检测出的位置误差在10％以内；对于实际缺陷尺寸4mm×4mm及以上的分层和长度4mm及以上的裂纹缺陷都能快速检测出来。
实施例3
本实施例提供了一种超声干耦合滚轮探头及检测方法，使用实施例1中提供的超声检测装置，利用实施例2中提供的检测步骤，对多批次高硅氧纤维增强酚醛树脂基复合材料天线罩进行实际检测。
实施例3结果表明，本发明的超声探头及检测方法可快速检测出该天线罩中4mm×4mm及以上的分层缺陷和长度4mm及以上的裂纹缺陷。经被检件解剖分析，实际缺陷尺位置与检测出的位置误差在10％以内。
因此，本发明的超声探头及检测方法，检测下限为4mm。
对比例
现有技术中一套喷水耦合超声C扫描检测方法，是通过喷水到天线罩表面做耦合剂，用超声探头扫描天线罩内部缺陷。
此方法的装置复杂且体积较大，晶片设计仅有发射接收功能，可对横向分层缺陷检测，无法对纵向裂纹进行检测判断其位置。
结果表明，对比例中的喷水耦合超声C扫描检测方法，由于水进入天线罩孔隙中，对超声波产生干扰，检测误差率在30％以上，检测下限位10mm，对于10mm以下的缺陷不能检测出来。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超声干耦合滚轮探头，其特征在于，包括平行且端部相邻设置的第一晶片和第二晶片；
所述第一晶片设置有分层缺陷检测区域和裂纹缺陷检测区域；
所述第一晶片的裂纹缺陷检测区域靠近被检件侧设有第一楔块，所述第二晶片靠近被检件侧设有第二楔块；
所述第一晶片的分层缺陷检测区域的超声信号用于检测被检件的分层缺陷，所述第一晶片的裂纹缺陷检测区域和第二晶片的超声信号用于检测被检件的裂纹缺陷。
2.根据权利要求1所述的超声干耦合滚轮探头，其特征在于，所述第一晶片和第二晶片的长度比为2:1；
所述第一晶片的分层缺陷检测区域、裂纹缺陷检测区域与第二晶片的长度之比为1:1:1。
3.根据权利要求1所述的超声干耦合滚轮探头，其特征在于，所述第一晶片的中心频率大于第二晶片的中心频率。
4.根据权利要求1所述的超声干耦合滚轮探头，其特征在于，所述第一楔块和所述第二楔块呈轴对称分布，对称轴为第一晶片和第二晶片的分界线。
5.根据权利要求4所述的超声干耦合滚轮探头，其特征在于，所述第一楔块和第二楔块的截面均为直角三角形，所述第一楔块和第二楔块的第一直角边与对应晶片的楔块安装面连接；所述第一楔块和第二楔块的第二直角边与对应晶片的楔块安装面垂直；两直角三角形的斜边形成Λ字形。
6.根据权利要求1所述的超声干耦合滚轮探头，其特征在于，所述探头还包括两端封闭的筒体和筒体滚动连接结构，所述第一晶片和第二晶片设置在筒体内，筒体内填充有耦合剂；
筒体滚动时，第一晶片和第二晶片相对筒体轴向不动，筒体和被检件表面之间通过紧贴式滚动摩擦进行扫查。
7.根据权利要求6所述的超声干耦合滚轮探头，其特征在于，第一晶片的分层缺陷检测区域的被检件侧的耦合剂层的厚度，应满足：
Figure FDA0003141595700000021
其中，L耦合剂-耦合剂层的厚度，C耦合剂-耦合剂中的纵波声速，T被检件-被检件的厚度，C被检件-被检件中的纵波声速。
8.根据权利要求5所述的超声干耦合滚轮探头，其特征在于，所述第一楔块和所述第二楔块均满足以下公式：
Figure FDA0003141595700000022
β+θ＝α 公式2
Figure FDA0003141595700000023
其中，C楔块材质为楔块中纵波声速；
C耦合剂为耦合剂中纵波声速；
C兰姆波为被检件中兰姆波声速，其中兰姆波为横向传播的声波；
θ为超声信号改变方向后的传播方向与原传播方向夹角；
α为楔块的斜边与对应晶片的楔块安装面的夹角；
β为超声信号改变方向后的传播方向与楔块的斜边垂直线的夹角。
9.一种天线罩的超声干耦合检测方法，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的超声高干耦合滚轮探头，其特征在于，包括分层缺陷检测和/或裂纹缺陷检测；
所述分层缺陷检测包括：所述第一晶片的分层缺陷检测区域发射超声波，超声波纵向传播至被检件，超声信号经被检件底面反射后，沿原路径返回被第一晶片接收；如果超声信号异常，则判断被检件内部有横向分层缺陷；
所述裂纹缺陷检测包括：所述第一晶片的裂纹缺陷检测区域发射超声波，经第一楔块改变传播方向，进入被检件变为横波，经过被检件后沿对称路径，再经过第二楔块，变为原来的传播方向，被第二晶片接收；如有超声信号异常，则判断被检件内部有纵向裂纹缺陷。
10.根据权利要求1-9所述的检测方法，其特征在于，步骤包括：
步骤1：在对比试块内部设置人工模拟缺陷，且对比试块的材料、厚度和被检件相同；
步骤2：将超声仪的A通道设置为反射法模式，B通道设置为穿透法模式，且同步；将超声高干耦合滚轮探头端口连接超声仪；
步骤3：调节A通道和B通道的增益值，超声高干耦合滚轮探头置于无缺陷处，超声信号幅值均不小于100％；超声高干耦合滚轮探头置于人工模拟缺陷的中心位置时，超声反射信号的幅值不大于20％；
步骤4：对被检件进行扫查，扫查方式采用栅格式，扫查方向与探头滚轮直径的方向一致，扫查步进为超声高干耦合滚轮探头的第二晶片的一半；
步骤5：扫查时，A通道的超声信号的幅值不大于20％且为最低时，第一晶片分层缺陷区域的中心位置的下方为分层缺陷的位置，B通道的超声信号的幅值不大于20％且为最低时，第一晶片与第二晶片的边界线下方为纵向裂纹的位置。
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