CN117990798A - 一种干耦合滚轮超声探头和超声检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种干耦合滚轮超声探头和超声检测方法，属于无损检测技术领域，解决了现有的探头难以检测纵向裂纹的问题。包括含有内部空腔的橡胶轮胎以及固定设置在所述橡胶轮胎内部腔体中的A晶片、B晶片、C晶片、橡胶耦合块；所述橡胶耦合块的下表面与所述橡胶轮胎的内表面接触且两者之间设置有润滑剂，所述橡胶轮胎能够围绕所述橡胶耦合块转动；A晶片、B晶片、C晶片固定设置在所述橡胶耦合块的上表面，所述A晶片正对所述橡胶耦合块的下表面，所述B晶片和C晶片对称地设置在所述A晶片的两侧，且B晶片和C晶片与所述橡胶耦合块的下表面呈角度设置。该探头可以检测纵向裂纹。
Description
技术领域
本发明涉及无损检测技术领域，尤其涉及一种干耦合滚轮超声探头和超声检测方法。
背景技术
陶瓷基复合材料具有优良的耐高温性能，同时具有高强度、高熔点、耐磨损和轻重量的特点。新型高超声速飞行器外防热材料和发动机中的重要部件已采用陶瓷基复合材料，该材料可大幅度提高超声速飞行器的使用温度和飞行速度。陶瓷基复合材料在使用过程中会遭受高温、高速气流的冲刷，内部存在的裂纹缺陷会降低被检件力学性能，甚至会出现裂纹扩展，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陶瓷基复合材料内部裂纹进行检测。
陶瓷基复合材料为纤维增强陶瓷基复合材料，厚度为2mm～8mm，易产生横向和纵向裂纹。目前，超声检测是复合材料最常用最有效的无损检测方法。但是现有的超声检测装置存在以下缺陷：1、陶瓷基复合材料中产生的裂纹尺寸小，常规的超声检测方法的灵敏度难以满足要求；2、陶瓷基复合材料中产生的裂纹不仅存在横向裂纹，也存在纵向裂纹，常规的检测装置难以检测纵向裂纹，且无法确认裂纹的位置和高度；3、陶瓷基复合材料不允许接触液体耦合剂，无法采用常规的液体耦合超声检测方法；4、常规的超声检测装置需从两侧使用两个探头进行检测，难以满足单侧的检测要求。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种干耦合滚轮超声探头和超声检测方法，用以解决现有至少以下问题之一：1、陶瓷基复合材料中产生的裂纹尺寸小，现有的超声检测方法的灵敏度难以满足要求；2、陶瓷基复合材料中产生的裂纹不仅存在横向裂纹，也存在纵向裂纹，现有的检测方法难以检测纵向裂纹，且无法确认裂纹的位置和高度；3、陶瓷基复合材料不允许接触液体耦合剂，无法采用现有的液体耦合超声检测装置；4、现有的超声检测装置需从两侧使用两个探头进行检测，难以满足单侧的检测要求。
本发明实施例提供了一种干耦合滚轮超声探头，所述干耦合滚轮超声探头包括含有内部空腔的橡胶轮胎以及固定设置在所述橡胶轮胎内部腔体中的A晶片、B晶片、C晶片、橡胶耦合块；所述橡胶耦合块的下表面与所述橡胶轮胎的内表面接触且两者之间设置有润滑剂，所述橡胶轮胎能够围绕所述橡胶耦合块转动；
所述A晶片、B晶片、C晶片固定设置在所述橡胶耦合块的上表面，所述A晶片正对所述橡胶耦合块的下表面，所述B晶片和C晶片对称地设置在所述A晶片的两侧，且B晶片和C晶片与所述橡胶耦合块的下表面呈角度设置。
优选地，所述A晶片为高分辨力复合材料晶片，用于检测横向裂纹；所述B晶片和C晶片为高分辨力复合材料晶片，用于检测纵向裂纹。
优选地，所述A晶片的脉冲宽度不大于2周，A晶片为凹球面，焦点直径范围为0.2-0.5mm，中心频率范围为10MHz-30MHz。
优选地，所述B晶片和C晶片的脉冲宽度不大于1.5周，尺寸范围为5mm*5mm-10mm*10mm，中心频率范围为10MHz-30MHz。
优选地，所述橡胶耦合块的上表面为山丘型，所述橡胶耦合块的上表面包括凸面和两个斜面，两个斜面设置在所述凸面的两侧。
优选地，所述A晶片设置在凸面上，且A晶片的形状与凸面吻合；所述B晶片和C晶片分别设置在斜面上，B晶片和C晶片分别与斜面吻合。
优选地，所述斜面使得B晶片和C晶片分别与水平方向的夹角为20°-60°。
优选地，所述橡胶耦合块的材料为硬质橡胶。
优选地，所述干耦合滚轮超声探头还包括与所述A晶片连接的A接口、与所述B晶片连接的B接口和与所述C晶片连接的C接口，所述A接口、B接口、C接口用于与多通道超声仪连接。
本发明还提供了一种超声检测方法，采用上述干耦合滚轮超声探头，所述超声检测方法包括：
(a)制作对比试块，对比试块与被检件的材质和厚度相等，在对比试块中预置横向裂纹和纵向裂纹；
(b)将A晶片设置为反射法模式，B晶片和C晶片设置为穿透法模式，将A晶片设置为发射端，将B晶片设置为发射端，将C晶片设置为接收端；
(c)检测灵敏度的确定；
(d)横向裂纹位置和纵向裂纹位置确定：
采用步骤(c)确定的检测灵敏度，通过干耦合滚轮超声探头的A晶片对被检件进行扫查，采用步骤(c)确定的检测灵敏度，通过干耦合滚轮超声探头的B晶片和C晶片对被检件进行扫查，确定横向裂纹位置和纵向裂纹位置。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
1、本发明的干耦合滚轮探头，扫查时，只需对探头施压压力使橡胶轮胎与被检件之间无间隙接触，橡胶轮胎转动，其外表面与被检件表面之间通过紧贴式滚动摩擦进行扫查，超声信号传播至被检件内部，达到干耦合的效果，探头与被检件之间不需要使用任何液体耦合剂，避免了现有超声检测时使用的液体耦合剂对陶瓷复合材料内部造成不可逆污染以及液体耦合剂进入到开口裂纹缺陷内部对检测信号造成影响。
2、本发明的B晶片和C晶片在A晶片两侧呈对称分布，对调B晶片和C晶片的发射端和接收端，并移动探头位置，当对调前C通道显示的直通波与纵向裂纹上端反射波的传播时间差TBC和对调后直通波与纵向裂纹上端反射波的传播时间TCB相等时，说明纵向裂纹上端距B晶片和C晶片距离相同，即B晶片与C晶片之间连线的中心位置的下方为纵向裂纹的位置，能准确、快速获取纵向裂纹的水平位置；TBC＝TCB时，沿某个方向移动探头，且移动方向与探头滚动方向平行，若存在裂纹上端反射信号时的每个位置都满足TBC＝TCB，说明探头移动方向与纵向裂纹的方向一致，能准确获取纵向裂纹的方向；通过C通道读取直通波的传播时间T0，纵向裂纹上端反射信号的传播时间T1，纵向裂纹的下端反射信号的传播时间T2，计算出纵向裂纹上端距被检件上表面的高度，纵向裂纹下端距被检件上表面的高度，从而计算裂纹高度，快速、准确获取裂纹的上端和下端位置，以及裂纹高度。
3、本发明的橡胶耦合块下表面与外层的橡胶轮胎内表面接触且中间涂抹润滑剂，扫查时，外层橡胶轮胎转动，橡胶耦合块与橡胶轮胎内表面之间通过滑动摩擦进行耦合，消除了现有装置中晶片与橡胶轮胎之间直接采用水耦合导致的耦合层高度不稳定的缺点。
4、本发明的探头可以实现单侧检测，方便、快捷。
5、本发明用于检测横向裂纹的A晶片为凹形晶片，产生的焦点直径范围为0.2mm-0.5mm，同时增加横向裂纹的横向检测分辨力和检测时的信噪比，A晶片产生的超声脉冲宽度不大于2周，提高了横向裂纹的纵向检测分辨力，A晶片的中心频率范围为10MHz-30MHz，以陶瓷基复合材料声速＝8000m/s为例，超声信号的波长范围为0.27mm-0.8mm，使检测横向裂纹时具有较高的检测灵敏度；
用于检测纵向裂纹的B晶片和C晶片，晶片尺寸范围为5mm*5mm-10mm*10mm，晶片直径小，根据(θ为扩散角，λ为超声波长，D为晶片直径)，可知，产生的超声波声束具有较大的扩散角，能够到达裂纹的上端和下端；产生的超声脉冲宽度不大于1.5周，提高了纵向裂纹的纵向检测分辨力；晶片的中心频率范围为10MHz-30MHz，以陶瓷基复合材料声速＝8000m/s为例，超声信号的波长范围为0.27mm-0.8mm，使检测纵向裂纹时具有较高的检测灵敏度。本发明可快速、准确地检测出陶瓷基复合材料中Φ0.5mm的横向裂纹、高度为2mm的纵向裂纹。
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为本发明的干耦合滚轮超声探头示意图；
图2为本发明的干耦合滚轮超声探头与多通道超声仪连通的示意图；
图3为采用本发明的探头检测横向裂纹时超声信号传播示意图；
图4为采用本发明的探头检测纵向裂纹时超声信号传播示意图。
附图标记：
1-多通道超声仪；201-B通道发射端；202-B通道接收端；3-A通道发射端；401-C通道发射端；402-C通道接收端；5-探头线；6-干耦合滚轮超声探头；7-B接口；8-A接口；9-C接口；10-手柄；11-弹簧；12-C晶片；13-A晶片；14-B晶片；15-橡胶耦合块；16-橡胶轮胎；17-轮盘；18-轴承；19-轴。
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。
本发明提供了一种干耦合滚轮超声探头，如图1所示，所述干耦合滚轮超声探头6包括含有内部空腔的橡胶轮胎16以及固定设置在所述橡胶轮胎16内部腔体中的A晶片13、B晶片14、C晶片12、橡胶耦合块15；所述橡胶耦合块15的下表面与所述橡胶轮胎16的内表面接触且两者之间设置有润滑剂，所述橡胶轮胎16能够围绕所述橡胶耦合块15转动；
所述A晶片13、B晶片14、C晶片12固定设置在所述橡胶耦合块15的上表面，所述A晶片13正对所述橡胶耦合块15的下表面，所述B晶片14和C晶片12对称地设置在所述A晶片13的两侧，且B晶片14和C晶片12与所述橡胶耦合块15的下表面呈角度设置。
采用该探头进行超声扫查时，对干耦合滚轮超声探头6施压使橡胶轮胎16的下表面与被检件之间无间隙接触，扫查过程中，橡胶轮胎16滚动，此时，A晶片13、B晶片14、C晶片12、橡胶耦合块15是固定在橡胶轮胎16的内部空间的，橡胶轮胎16滚动，橡胶耦合块15与橡胶轮胎16内表面之间通过滑动摩擦进行耦合，橡胶轮胎16外表面与被检件表面之间通过紧贴式滚动摩擦进行扫查，超声信号传播至被检件内部，达到干耦合的效果。
与现有技术相比，本发明的探头中，B晶片和C晶片在A晶片两侧呈对称分布，对调B晶片和C晶片的发射端和接收端，并移动探头位置，当对调前C通道显示的直通波与纵向裂纹上端反射波的传播时间差TBC和对调后直通波与纵向裂纹上端反射波的传播时间TCB相等时，说明纵向裂纹上端距B晶片和C晶片距离相同，即B晶片与C晶片之间连线的中心位置的下方为纵向裂纹的位置，能准确、快速获取纵向裂纹的水平位置；通过C通道读取直通波的传播时间T0，纵向裂纹上端反射信号的传播时间T1，纵向裂纹下端反射信号的传播时间T2，计算出纵向裂纹上端距被检件上表面的高度，纵向裂纹下端距被检件上表面的高度，从而计算裂纹高度，快速、准确获取裂纹的上端和下端位置，以及裂纹高度。本发明的干耦合滚轮探头，扫查时，只需对探头施压压力使橡胶轮胎与被检件之间无间隙接触，橡胶轮胎转动，其外表面与被检件表面之间通过紧贴式滚动摩擦进行扫查，超声信号传播至被检件内部，达到干耦合的效果，探头与被检件之间不需要使用任何液体耦合剂，避免了现有超声检测时使用的液体耦合剂对陶瓷复合材料内部造成不可逆污染以及液体耦合剂进入到开口裂纹缺陷内部对检测信号造成影响。本发明的橡胶耦合块下表面与外层的橡胶轮胎内表面接触且中间涂抹润滑剂，扫查时，外层橡胶轮胎转动，橡胶耦合块与橡胶轮胎内表面之间通过滑动摩擦进行耦合，消除了现有装置中晶片与橡胶轮胎之间直接采用水耦合导致的耦合层高度不稳定的缺点。本发明的装置可以实现单侧检测，方便、快捷。
需要说明的是，A晶片13为高分辨力复合材料晶片，用于检测横向裂纹；所述B晶片14和C晶片12为高分辨力复合材料晶片，用于检测纵向裂纹。
进一步地，A晶片13的脉冲宽度不大于2周，A晶片13为凹球面，焦点直径范围为0.2-0.5mm，中心频率范围为10MHz-30MHz。
本发明用于检测横向裂纹的A晶片为凹形晶片，产生的焦点直径范围为0.2mm-0.5mm，同时增加横向裂纹的横向检测分辨力和检测时的信噪比，A晶片产生的超声脉冲宽度不大于2周，提高了横向裂纹的纵向检测分辨力，A晶片的中心频率范围为10MHz-30MHz，以陶瓷基复合材料声速＝8000m/s为例，超声信号的波长范围为0.27mm-0.8mm，使检测横向裂纹时具有较高的检测灵敏度。
进一步地，所述B晶片14和C晶片12为高分辨力复合材料晶片，脉冲宽度不大于1.5周，尺寸范围为5mm*5mm-10mm*10mm，中心频率范围为10MHz-30MHz。
用于检测纵向裂纹的B晶片和C晶片，晶片尺寸范围为5mm*5mm-10mm*10mm，晶片直径小，根据(θ为扩散角，λ为超声波长，D为晶片直径)，可知，产生的超声波声束具有较大的扩散角，能够到达裂纹的上端和下端；产生的超声脉冲宽度不大于1.5周，提高了纵向裂纹的纵向检测分辨力；晶片的中心频率范围为10MHz-30MHz，以陶瓷基复合材料声速＝8000m/s为例，超声信号的波长范围为0.27mm-0.8mm，使检测纵向裂纹时具有较高的检测灵敏度。本发明可快速、准确地检测出陶瓷基复合材料中Φ0.5mm的横向裂纹、高度为2mm的纵向裂纹。
需要说明的是，所述A晶片为反射法模式，B晶片和C晶片为穿透法模式。
在一种实施方式中，所述橡胶耦合块15的上表面为山丘型，所述橡胶耦合块15的上表面包括凸面和两个斜面，两个斜面设置在所述凸面的两侧。
进一步地，所述A晶片13设置在凸面上，且A晶片13的形状与凸面吻合；所述B晶片14和C晶片12分别设置在斜面上，B晶片14和C晶片12分别与斜面吻合。
为了进一步提高B晶片14和C晶片12对纵向裂纹检测的准确性，所述斜面使得B晶片14和C晶片12分别与水平方向的夹角为20°-60°。B晶片14与C晶片12沿A晶片13的轴线呈对称分布，保证超声波声束能斜入射至被检件中，用于检测纵向裂纹。
示例性地，橡胶耦合块15的材料为硬质橡胶。橡胶耦合块15的下表面形状与所述橡胶轮胎16的内表面形状吻合。
示例性地，橡胶耦合块15的下表面为平面。
示例性地，所述干耦合滚轮超声探头6还包括轴19和轮盘17，所述轴19沿垂直于所述橡胶轮胎16转动的方向贯穿所述橡胶轮胎16，所述A晶片13、B晶片14、C晶片12固定于所述轴19上；所述轮盘17位于所述橡胶轮胎16的两端且套设在所述轴19上，所述轮盘17转动并带动所述橡胶轮胎16转动。所述轴19用于固定A晶片13、B晶片14、C晶片12，进而固定橡胶耦合块15。所述轮盘17的作用是促进橡胶轮胎16转动。
进一步地，所述干耦合滚轮超声探头6还包括轴承18。通过轴承18使外层的橡胶轮胎16在滚动时，橡胶轮胎16的外表面和被检件表面之间通过紧贴式滚动摩擦进行扫查，并保证超声信号的干耦合；橡胶耦合块15、晶片及固定晶片的轴19的方向不动，保证声束传播方向的稳定,橡胶耦合块15的材料为硬质橡胶，扫查时橡胶耦合块15与橡胶轮胎16内表面之间通过滑动摩擦进行耦合。
为了便于对干耦合滚轮超声探头6施压和移动，所述干耦合滚轮超声探头6还包括弹簧11和手柄10，所述弹簧11的一端连接所述轴19，所述弹簧11的另一端连接所述手柄10。弹簧11是为了避免干耦合滚轮超声探头6与被检件表面硬接触。
本发明的干耦合滚轮超声探头在进行超声检测时，可以与多通道超声仪配合使用，如图2所示。
为了便于将各个晶片与多通道超声仪1连接，所述干耦合滚轮超声探头6还包括与所述A晶片13连接的A接口8、与所述B晶片14连接的B接口7和与所述C晶片12连接的C接口9，所述A接口8、B接口7、C接口9分别通过探头线5与所述多通道超声仪1连接。
可以理解的是，各个晶片与橡胶轮胎16之间为橡胶耦合块15，橡胶耦合块15上表面形状与晶片表面形状吻合并粘接，橡胶耦合块15的下表面形状与外层的橡胶轮胎16内表面形状吻合且之间涂抹润滑剂，检测时将干耦合滚轮超声探头6紧压至被检件的表面，通过弹簧11保证耦合压力，最大压力不小于40N，使橡胶轮胎16和被检件无间隙接触，超声信号传播至被检件内部，达到干耦合的效果。采用滚动摩擦的方式能保证检测过程中探头移动时阻力小，提高检测效率，延长探头寿命。
所述多通道超声仪1接收频带的下限为0.5MHz，接收频带的上限为25MHz，激励电脉冲为单方波，发射电压不低于单方波450V。
所述多通道超声仪1的接收频带下限为0.5MHz，与常规的1MHz相比，具有较低的下限，能够提高超声波穿透能力，检测高衰减或大厚度的陶瓷；接收频带的上限为25MHz，与常规的15MHz相比，具有较高的上限，能够提高微小缺陷的发现能力；激励电脉冲为单方波，与常规的尖脉冲相比，方波的脉冲宽度可调，可以激励出分辨力和能量较高的超声波；发射电压不低于单方波450V，与常规的400V相比，具有更高的发射能量。
另一方面，本发明还提供了一种超声检测方法，采用上述干耦合滚轮超声探头，包括：
(a)制作对比试块，对比试块与被检件的材质和厚度相等，在对比试块中预置横向裂纹和纵向裂纹；
(b)将A通道设置为反射法模式，B通道和C通道设置为穿透法模式，将A晶片13与所述A通道发射端301连接，将B晶片14与B通道发射端201连接，将C晶片12与C通道接收端402连接，将所述多通道超声仪1设置为A通道、B通道和C通道同步运行；
(c)检测灵敏度的确定：
横向裂纹检测灵敏度确定：将A晶片13的中心位置与对比试块中的横向裂纹的中心位置重合，调节A通道的增益值，使A通道的横向裂纹的超声反射信号的幅度为不低于80％，同时保证噪声信号的幅度不大于10％；
纵向裂纹检测灵敏度确定：将B晶片14与C晶片12之间连线的中心位置与对比试块中的纵向裂纹的中心位置重合，且使B晶片与C晶片之间连线方向与纵向裂纹的延伸方向垂直，调节C通道的增益值，使纵向裂纹上端的超声反射信号幅度为不低于80％，纵向裂纹下端的超声反射信号幅度不低于20％；
(d)横向裂纹和纵向裂纹位置确定：
横向裂纹位置确定：采用步骤(c)确定的检测灵敏度，通过干耦合滚轮超声探头6的A晶片13对被检件进行扫查，扫查时，A晶片13发射超声纵波，经过曲面聚焦并纵向传播至被检件中，被被检件中横向裂纹反射并沿原路径返回被A晶片接收，显示在超声仪的A通道上，如图3所示。当A通道的横向裂纹的超声信号幅度为步骤(c)确定的检测灵敏度且为最高时，A晶片13的中心位置的下方为横向裂纹的中心位置，以横向裂纹的中心位置为中心，向四周进行扫查，当A通道的超声信号幅度为步骤(c)确定的检测灵敏度的一半时，记为横向裂纹的第一个边缘点，然后，围绕横向裂纹的中心位置，以第一个边缘点为起点，移动干耦合滚轮超声探头6，参照第一个边缘点的判断方法，每隔45度，确定一个边缘点，依次获得至少8个边缘点，将至少8个点边缘点依次连接，得到横向裂纹的边缘，即横向裂纹的水平位置；
纵向裂纹位置确定：采用步骤(c)确定的检测灵敏度，通过干耦合滚轮超声探头6的B晶片14和C晶片12对被检件进行扫查，扫查时，B晶片14发射超声纵波声束，经过橡胶耦合块15和橡胶轮胎16，在被检件中斜向传播，部分超声波沿被检件表面传播，被C晶片接收(直通波)，部分超声波传播至纵向裂纹，纵向裂纹上端和下端分别对声束进行散射，散射信号被C晶片接收，显示在C通道上，如图4所示。当纵向裂纹上端的超声反射信号幅度为步骤(c)确定的检测灵敏度时，说明纵向裂纹位于B晶片14和C晶片12之间连线的下方；然后将B晶片14与B通道发射端201连接，C晶片12与C通道接收端402连接，记录C通道显示的直通波与纵向裂纹上端反射波的时间差TBC；将C晶片12与B通道发射端201连接，将B晶片14与C通道接收端402连接，记录C通道显示的直通波与纵向裂纹上端反射波的时间差TCB；通过移动干耦合滚轮超声探头6，直至TBC＝TCB，则B晶片14与C晶片12之间连线的中心位置的下方为纵向裂纹的位置，然后，沿一个方向移动干耦合滚轮超声探头6，且移动方向与橡胶轮胎16滚动方向平行，若存在纵向裂纹上端反射信号在每个位置都满足TBC＝TCB，则干耦合滚轮超声探头6移动的方向与纵向裂纹的延伸方向一致；再移动干耦合滚轮超声探头6，使B晶片14和C晶片(12)之间连线方向与纵向裂纹的延伸方向垂直，将B晶片14与B通道发射端201连接，C晶片12与C通道接收端402连接，通过C通道读取直通波的传播时间T0，纵向裂纹上端反射信号的传播时间T1，纵向裂纹下端反射信号的传播时间T2，纵向裂纹上端距对比试块上表面的高度h1通过式(I)计算，纵向裂纹下端距对比试块上表面的高度h2通过式(II)计算，纵向裂纹高度Δh通过式(III)计算；
Δh＝h2-h1 式(III)，
其中，C为陶瓷基复合材料中的声速；
T0为通过C通道读取直通波的传播时间；
T1为纵向裂纹上端反射信号的传播时间；
T2为纵向裂纹下端反射信号的传播时间；
h1为纵向裂纹上端距被检件上表面的高度；
h2为纵向裂纹下端距被检件上表面的高度；
Δh为纵向裂纹高度。
在一种实施方式中，步骤(d)中，在横向裂纹位置确定中，所述扫查的方向与橡胶轮胎16滚动的方向一致，扫查步进为A晶片(13)焦点直径的一半，保证行扫查时有声束覆盖，保证不漏检；在纵向裂纹位置确定中，所述扫查的方向与橡胶轮胎16滚动的方向一致，扫查步进1mm-3mm，既可以保证检测精度，又兼顾检测效率。
对比试块中的横向裂纹可以通过在对比试块底部钻平底孔模拟横向裂纹，横向裂纹尺寸为Φ0.5mm-Φ5mm；对比试块中的纵向裂纹可以通过在对比试块厚度方向预置薄膜模拟纵向裂纹缺陷，裂纹宽度为0.05mm-0.1mm，裂纹高度为2mm-10mm，裂纹长度为2mm-5mm。
所述薄膜为聚四氟乙烯，层数为2-3层，在陶瓷基复合材料固化之前放入成型的原料中，陶瓷基复合材料加热固化后，薄膜材料气化消失，原来放置薄膜材料的区域成为纵向裂纹。
扫查时，将干耦合滚轮超声探头6紧压至对比试块或被检件的表面，通过弹簧11保证耦合压力，压力为40N-60N，使橡胶轮胎16与对比试块或被检件无间隙接触，到达干耦合效果。
下面，通过具体实施例1对本发明的装置和方法进一步说明。
实施例1
一种干耦合滚轮超声探头，如图1所示，所述干耦合滚轮超声探头6包括含有内部空腔的橡胶轮胎16以及固定设置在所述橡胶轮胎16内部腔体中的A晶片13、B晶片14、C晶片12、橡胶耦合块15；所述橡胶耦合块15的下表面与所述橡胶轮胎16的内表面接触且两者之间设置有润滑剂，所述橡胶轮胎16能够围绕所述橡胶耦合块15转动；所述A晶片13、B晶片14、C晶片12固定设置在所述橡胶耦合块15的上表面，所述A晶片13正对所述橡胶耦合块15的下表面，所述B晶片14和C晶片12对称地设置在所述A晶片13的两侧，且B晶片14和C晶片12分别与所述橡胶耦合块15的下表面呈角度设置；所述A晶片13、B晶片14、C晶片12通过相应的通道与所述多通道超声仪1电连接。橡胶耦合块15的材料为硬质橡胶。橡胶耦合块15的下表面形状与所述橡胶轮胎16的内表面形状吻合。橡胶耦合块15的下表面为平面。所述干耦合滚轮超声探头6还包括轴19和轮盘17，所述轴19沿垂直于所述橡胶轮胎16转动的方向贯穿所述橡胶轮胎16，所述A晶片13、B晶片14、C晶片12固定于所述轴19上；所述轮盘17位于所述橡胶轮胎16的两端且套设在所述轴19上，所述轮盘17转动并带动所述橡胶轮胎16转动。所述干耦合滚轮超声探头6还包括轴承18。所述干耦合滚轮超声探头6还包括弹簧11和手柄10，所述弹簧11的一端连接所述轴19，所述弹簧11的另一端连接所述手柄10。所述干耦合滚轮超声探头6还包括与所述A晶片13连接的A接口8、与所述B晶片14连接的B接口7和与所述C晶片12连接的C接口9。所述橡胶耦合块15的上表面为山丘型，所述橡胶耦合块15的上表面包括凸面和两个斜面，两个斜面设置在所述凸面的两侧。所述A晶片13设置在凸面上，且A晶片13的形状与凸面吻合；所述B晶片14和C晶片12分别设置在斜面上，B晶片14和C晶片12分别与斜面吻合。所述斜面使得B晶片14和C晶片12分别与水平方向的夹角为30°。B晶片14与C晶片12沿A晶片13的轴线呈对称分布。A晶片13为高分辨力复合材料晶片，脉冲宽度不大于2周，A晶片13为凹球面，焦点直径为0.5mm，A晶片13的中心频率为20MHz；B晶片14和C晶片12为高分辨力复合材料晶片，脉冲宽度为1.5周，B晶片14和C晶片12尺寸为10mm*10mm，B晶片14和C晶片的中心频率为20MHz。
将上述干耦合滚轮超声探头6与多通道超声仪1连通，如图2所示，所述A接口8、B接口7、C接口9分别通过探头线5与所述多通道超声仪1连接；所述多通道超声仪1包括反射法模式和穿透法模式，所述多通道超声仪1上设置有A通道、B通道和C通道，A通道包括A通道发射端3，B通道包括B通道发射端201和B通道接收端202、C通道包括C通道发射端401和C通道接收端402；所述多通道超声仪1接收频带的下限为0.5MHz，接收频带的上限为25MHz，激励电脉冲为单方波，发射电压不低于单方波450V。
实施例2
本实施例的被检件为厚度8mm的碳化硅陶瓷基复合材料，采用实施例1的干耦合滚轮超声探头6进行超声检测裂纹，步骤如下：
(a)对比试块加工：
制作对比试块的材料为碳化硅，与被检件相同，对比试块的厚度为8mm，与被检件相同。在对比试块底部钻平底孔模拟横向裂纹，横向裂纹尺寸为Φ0.5mm；在对比试块厚度方向预置薄膜模拟纵向裂纹缺陷，裂纹宽度为0.1mm，裂纹高度为2mm，裂纹长度为5mm。模拟纵向裂纹缺陷的薄膜材料为聚四氟乙烯，层数为2层，单层厚度为0.05mm，在陶瓷基复合材料固化之前放入成型的原料中，陶瓷基复合材料加热固化后，薄膜材料气化消失，原来放置薄膜材料的区域成为纵向裂纹。
(b)探头连接和设置：
将多通道超声仪的A通道设置为反射法模式，B通道和C通道设置为穿透法模式，将探头的A接口8接入多通道超声仪的A通道3，将探头的B接口7接入B通道发射端201，将探头的C接口9接入C通道接收端402，将超声仪设置为A通道和B通道、C通道同步。
(c)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11保证耦合压力，压力为40N。
横向裂纹检测灵敏度确定：将探头的A晶片13中心与对比试块中的模拟横向裂纹的中心位置重合，调节A通道的增益值，使A通道的横向裂纹的超声反射信号的幅度为80％，同时保证噪声信号的幅度不大于10％。
纵向裂纹检测灵敏度确定：将探头的B晶片14和C晶片12之间连线的中心位置与对比试块中的模拟纵向裂纹中心位置重合，且使B晶片与C晶片之间连线方向与纵向裂纹的延伸方向垂直，调节C通道的增益值，使纵向裂纹的上端的超声反射信号幅度为80％，裂纹的下端的超声反射信号幅度为20％。
(d)裂纹位置的确定：
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，扫查方向与橡胶轮胎16滚动的方向一致。
探头的晶片与橡胶轮胎16之间为橡胶耦合块15，橡胶耦合块15上表面形状与晶片表面形状吻合并粘接上，橡胶耦合块15下表面形状与外层的橡胶轮胎16内表面形状吻合且之间涂抹润滑剂机油，检测时将探头紧压至被检件的表面，通过探头上端的弹簧保证耦合压力，使橡胶轮胎16和被检件无间隙接触，超声信号传播至被检件内部，达到干耦合的效果。
横向裂纹位置确定：采用步骤(c)确定的检测灵敏度，通过干耦合滚轮超声探头6的A晶片13对被检件进行扫查，扫查步进为0.25mm。扫查时，A晶片13发射超声纵波，经过曲面聚焦并纵向传播至被检件中，被被检件中横向裂纹反射并沿原路径返回被A晶片接收，显示在超声仪的A通道上，如图3所示。当A通道的横向裂纹的超声信号幅度为步骤(c)确定的检测灵敏度且为最高时，A晶片13的中心位置的下方为横向裂纹的中心位置，以横向裂纹的中心位置为中心，向四周进行扫查，当A通道的超声信号幅度为步骤(c)确定的检测灵敏度的一半时，记为横向裂纹的第一个边缘点，然后，围绕横向裂纹的中心位置，以第一个边缘点为起点，移动干耦合滚轮超声探头6，参照第一个边缘点的判断方法，每隔45度，确定一个边缘点，依次获得至少8个边缘点，将至少8个点边缘点依次连接，得到横向裂纹的边缘，即横向裂纹的水平位置；
纵向裂纹位置确定：采用步骤(c)确定的检测灵敏度，通过干耦合滚轮超声探头6的B晶片14和C晶片12对被检件进行扫查，扫查步进1mm。扫查时，B晶片14发射超声纵波声束，经过橡胶耦合块15和橡胶轮胎16，在被检件中斜向传播，部分超声波沿被检件表面传播，被C晶片接收(直通波)，部分超声波传播至纵向裂纹，纵向裂纹上端和下端分别对声束进行散射，散射信号被C晶片接收，显示在C通道上，如图4所示。当纵向裂纹上端的超声反射信号幅度为步骤(c)确定的检测灵敏度时，说明纵向裂纹位于B晶片14和C晶片12之间连线的下方；然后将B晶片14与B通道发射端201连接，C晶片12与C通道接收端402连接，记录C通道显示的直通波与纵向裂纹上端反射波的时间差TBC；将C晶片12与B通道发射端201连接，将B晶片14与C通道接收端402连接，记录C通道显示的直通波与纵向裂纹上端反射波的时间差TCB；通过移动干耦合滚轮超声探头6，直至TBC＝TCB，则B晶片14与C晶片12之间连线的中心位置的下方为纵向裂纹的位置，然后，沿一个方向移动干耦合滚轮超声探头6，且移动方向与橡胶轮胎16滚动方向平行，若存在纵向裂纹上端反射信号在每个位置都满足TBC＝TCB，则干耦合滚轮超声探头6移动的方向与纵向裂纹的延伸方向一致；再移动干耦合滚轮超声探头6，使B晶片14和C晶片12之间连线方向与纵向裂纹的延伸方向垂直，将B晶片14与B通道发射端201连接，C晶片12与C通道接收端402连接，通过C通道读取直通波的传播时间T0，纵向裂纹上端反射信号的传播时间T1，纵向裂纹下端反射信号的传播时间T2，纵向裂纹上端距被检件上表面的高度h1通过式(I)计算，纵向裂纹下端距被检件上表面的高度h2通过式(II)计算，纵向裂纹高度Δh通过式(III)计算；
Δh＝h2-h1 式(III)，
其中，C为陶瓷基复合材料中的声速。超声检测的结果列入表1和表2。
(e)对被检件进行金相解剖，得到实际裂纹数据列于表1和表2。
表1检测横向裂纹情况
| 裂纹序号 | 检测结果(mm) | 实际解剖结果(mm) |
| 1 | Φ0.4 | Φ0.3 |
| 2 | Φ0.5 | Φ0.5 |
| 3 | Φ1.3 | Φ1.2 |
表2检测纵向裂纹情况
| 序号 | 检测结果(mm) | 实际解剖结果(mm) |
| 1 | h1＝1，h2＝3，△h＝2 | h1＝0.8，h2＝2.7，△h＝1.9 |
| 2 | h1＝2.1，h2＝4.7，△h＝2.6 | h1＝2，h2＝4.5，△h＝2.5 |
| 3 | h1＝1.3，h2＝7.2，△h＝5.9 | h1＝1.2，h2＝7，△h＝5.8 |
从表1和表2可以看出，本发明的探头可准确地检测出陶瓷基复合材料中的横向裂纹和纵向裂纹，横向裂纹的检测灵敏度优于Φ0.5mm，纵向裂纹检测灵敏度优于高度2mm，且能准确确定裂纹位置、纵向裂纹深度和高度。
实施例3
采用与实施例2相同的方法进行检测，不同的是，A晶片产生的焦点直径为0.6mm。
表3检测横向裂纹情况
| 裂纹序号 | 检测结果(mm) | 实际解剖结果(mm) |
| 1 | Φ0.6 | Φ0.3 |
| 2 | Φ0.8 | Φ0.5 |
| 3 | Φ1.7 | Φ1.2 |
表4检测纵向裂纹情况
| 序号 | 检测结果(mm) | 实际解剖结果(mm) |
| 1 | h1＝1，h2＝3，△h＝2 | h1＝0.8，h2＝2.7，△h＝1.9 |
| 2 | h1＝2.1，h2＝4.7，△h＝2.6 | h1＝2，h2＝4.5，△h＝2.5 |
| 3 | h1＝1.3，h2＝7.2，△h＝5.9 | h1＝1.2，h2＝7，△h＝5.8 |
实施例4
采用与实施例2相同的方法进行检测，不同的是，A晶片产生的超声脉冲宽度为3周。
表5检测横向裂纹情况
| 裂纹序号 | 检测结果(mm) | 实际解剖结果(mm) |
| 1 | Φ0.5 | Φ0.3 |
| 2 | Φ0.7 | Φ0.5 |
| 3 | Φ1.5 | Φ1.2 |
表6检测纵向裂纹情况
| 序号 | 检测结果(mm) | 实际解剖结果(mm) |
| 1 | h1＝1，h2＝3，△h＝2 | h1＝0.8，h2＝2.7，△h＝1.9 |
| 2 | h1＝2.1，h2＝4.7，△h＝2.6 | h1＝2，h2＝4.5，△h＝2.5 |
| 3 | h1＝1.3，h2＝7.2，△h＝5.9 | h1＝1.2，h2＝7，△h＝5.8 |
实施例5
采用与实施例2相同的方法进行检测，不同的是，B晶片产生的超声脉冲宽度为2周。
表7检测横向裂纹情况
| 裂纹序号 | 检测结果(mm) | 实际解剖结果(mm) |
| 1 | Φ0.4 | Φ0.3 |
| 2 | Φ0.5 | Φ0.5 |
| 3 | Φ1.3 | Φ1.2 |
表8检测纵向裂纹情况
| 序号 | 检测结果(mm) | 实际解剖结果(mm) |
| 1 | h1＝0.8，h2＝3.1，△h＝2.3 | h1＝0.8，h2＝2.7，△h＝1.9 |
| 2 | h1＝1.9，h2＝4.7，△h＝2.8 | h1＝2，h2＝4.5，△h＝2.5 |
| 3 | h1＝1.0，h2＝7.5，△h＝6.5 | h1＝1.2，h2＝7，△h＝5.8 |
实施例6
采用与实施例2相同的方法进行检测，不同的是，B晶片的中心频率范围为35MHz。
表9检测横向裂纹情况
| 裂纹序号 | 检测结果(mm) | 实际解剖结果(mm) |
| 1 | Φ0.4 | Φ0.3 |
| 2 | Φ0.5 | Φ0.5 |
| 3 | Φ1.3 | Φ1.2 |
表10检测纵向裂纹情况
| 序号 | 检测结果(mm) | 实际解剖结果(mm) |
| 1 | h1＝1.1，h2＝3.1，△h＝2.0 | h1＝0.8，h2＝2.7，△h＝1.9 |
| 2 | h1＝2.0，h2＝4.8，△h＝2.8 | h1＝2，h2＝4.5，△h＝2.5 |
| 3 | h1＝1.2，h2＝7.4，△h＝6.2 | h1＝1.2，h2＝7，△h＝5.8 |
根据实施例3-6与实施例2的结果对比可以看出，采用本发明优选的A晶片和B晶片可以更准确的检测出横向裂纹和纵向裂纹，灵敏度高。
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)
1.一种干耦合滚轮超声探头，其特征在于，所述干耦合滚轮超声探头(6)包括含有内部空腔的橡胶轮胎(16)以及固定设置在所述橡胶轮胎(16)内部腔体中的A晶片(13)、B晶片(14)、C晶片(12)、橡胶耦合块(15)；所述橡胶耦合块(15)的下表面与所述橡胶轮胎(16)的内表面接触且两者之间设置有润滑剂，所述橡胶轮胎(16)能够围绕所述橡胶耦合块(15)转动；
所述A晶片(13)、B晶片(14)、C晶片(12)固定设置在所述橡胶耦合块(15)的上表面，所述A晶片(13)正对所述橡胶耦合块(15)的下表面，所述B晶片(14)和C晶片(12)对称地设置在所述A晶片(13)的两侧，且B晶片(14)和C晶片(12)与所述橡胶耦合块(15)的下表面呈角度设置。
2.根据权利要求1所述的干耦合滚轮超声探头，其特征在于，所述A晶片(13)为高分辨力复合材料晶片，用于检测横向裂纹；所述B晶片(14)和C晶片(12)为高分辨力复合材料晶片，用于检测纵向裂纹。
3.根据权利要求2所述的干耦合滚轮超声探头，其特征在于，所述A晶片(13)的脉冲宽度不大于2周，A晶片(13)为凹球面，焦点直径范围为0.2-0.5mm，中心频率范围为10MHz-30MHz。
4.根据权利要求2所述的干耦合滚轮超声探头，其特征在于，所述B晶片(14)和C晶片(12)的脉冲宽度不大于1.5周，尺寸范围为5mm*5mm-10mm*10mm，中心频率范围为10MHz-30MHz。
5.根据权利要求1所述的干耦合滚轮超声探头，其特征在于，所述橡胶耦合块(15)的上表面为山丘型，所述橡胶耦合块(15)的上表面包括凸面和两个斜面，两个斜面设置在所述凸面的两侧。
6.根据权利要求5所述的干耦合滚轮超声探头，其特征在于，所述A晶片(13)设置在所述凸面上，且A晶片(13)的形状与凸面吻合；所述B晶片(14)和C晶片(12)分别设置在斜面上，B晶片(14)和C晶片(12)分别与斜面吻合。
7.根据权利要求6所述的干耦合滚轮超声探头，其特征在于，所述斜面使得B晶片(14)和C晶片(12)与水平方向的夹角均为20°-60°。
8.根据权利要求1所述的干耦合滚轮超声探头，其特征在于，所述橡胶耦合块(15)的材料为硬质橡胶。
9.根据权利要求1所述的干耦合滚轮超声探头，其特征在于，所述干耦合滚轮超声探头(6)还包括与所述A晶片(13)连接的A接口(8)、与所述B晶片(14)连接的B接口(7)和与所述C晶片(12)连接的C接口(9)，所述A接口(8)、B接口(7)、C接口(9)用于与多通道超声仪(1)连接。
10.一种超声检测方法，采用权利要求1-9所述的干耦合滚轮超声探头，所述超声检测方法包括：
(a)制作对比试块，对比试块与被检件的材质和厚度相等，在对比试块中预置横向裂纹和纵向裂纹；
(b)将A晶片设置为反射法模式，B晶片和C晶片设置为穿透法模式，将A晶片(13)设置为发射端，将B晶片(14)设置为发射端，将C晶片(12)设置为接收端；
(c)检测灵敏度的确定；
(d)横向裂纹位置和纵向裂纹位置确定：
采用步骤(c)确定的检测灵敏度，通过干耦合滚轮超声探头(6)的A晶片(13)对被检件进行扫查，采用步骤(c)确定的检测灵敏度，通过干耦合滚轮超声探头(6)的B晶片(14)和C晶片(12)对被检件进行扫查，确定横向裂纹位置和纵向裂纹位置。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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