CN212433069U - 超声相控阵探头及电熔焊接接头检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种超声相控阵探头及电熔焊接接头检测系统，用于检测聚乙烯管道的电熔焊接接头，所述超声相控阵探头包括探头主体及设置在所述探头主体上的软囊，所述软囊至少部分位于所述探头主体与所述电熔焊接接头之间，且所述软囊与所述探头主体的底部围合出一用于容纳耦合剂的容纳腔，所述容纳腔的侧壁和底壁分别设置有进液口及多个出液口，所述进液口用于接收所述耦合剂，所述耦合剂通过所述出液口流出并至少覆盖部分所述电熔焊接接头的表面。通过设置软囊以便于在超声相控阵探头与电熔焊接接头之间填充耦合剂，使得相控阵超声波束能均匀进入电熔焊接接头，实现了对电熔焊接接头的内部缺陷进行有效检测，提高了检测效果。

Description

超声相控阵探头及电熔焊接接头检测系统

技术领域

本实用新型涉及超声无损检测技术领域，尤其涉及一种超声相控阵探头及电熔焊接接头检测系统。

背景技术

聚烯烃管道以其质轻价廉、比强度大、比刚度高及耐磨损、耐腐蚀、绝缘等优点，正逐渐代替金属管道，成为城市埋地燃气管道发展的主流。电熔焊接是聚乙烯燃气管道最主要的焊接方式之一。聚乙烯管道电熔焊接接头连接时一般将电热丝布置于管件的内表面，施工时将管子与管件配合后用专用的加热控阵电源将管件中的电热丝通电加热，使管件与管材的接触表面融化结合，冷却后使管件与管材牢固，密封地结合在一起。由于各种因素的影响，电熔焊接接头处不可避免地产生各种缺陷，使电熔焊接接头成为聚乙烯管道系统的薄弱环节，给管道的使用带来安全隐患。

目前，采用超声相控阵技术及D扫描实时成像技术，通过足够数量的探头排列和触发时间控阵，并选用不同频率范围，可以实现表面平整的嵌入式电阻丝电熔焊接接头的检测。但是由于市面上许多聚乙烯管道的电熔焊接接头的表面并不平整，具有凹凸槽和不同形状的纹路。在利用相控阵聚焦技术检测表面不平整的电熔焊接接头时，由于凹凸槽的影响，使延时触发的相控阵超声波发射不能按预定位置形成聚焦，造成检测图像的畸变和灵敏度的降低。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种超声相控阵探头及电熔焊接接头检测系统，能够在检测过程中避免凹凸槽的影响，使得相控阵超声波束能均匀进入电熔焊接接头，实现对电熔焊接接头的内部缺陷进行有效检测。

为了达到上述目的，本实用新型提供了一种超声相控阵探头，用于检测聚乙烯管道的电熔焊接接头，包括探头主体及设置在所述探头主体上的软囊，所述软囊至少部分位于所述探头主体与所述电熔焊接接头之间，且所述软囊与所述探头主体的底部围合出一用于容纳耦合剂的容纳腔，所述容纳腔的侧壁和底壁分别设置有进液口及多个出液口，所述进液口用于接收所述耦合剂，所述耦合剂通过所述出液口流出并至少覆盖部分所述电熔焊接接头的表面。

可选的，所述探头主体包括多个沿直线方向等间距排布的阵元，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容纳腔之间。

可选的，所述负电极层的上方还设置有背衬。

可选的，所述超声相控阵探头还包括内衬套及外壳，所述外壳用于容纳所述探头主体并与所述软囊螺纹连接，所述内衬套夹设于所述外壳与所述探头主体之间。

可选的，所述超声相控阵探头还包括一接线插座，所述外壳的顶部还设置有用于密封所述探头主体的盖板，所述接线插座包括贯穿所述盖板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，所述阵元的数量为128个。

可选的，所述压电晶片为压电陶瓷片。

可选的，所述耦合剂的声阻抗与所述聚乙烯管道的声阻抗相同。

可选的，所述软囊的材质为柔性材料。

基于此，本申请还提供了一种电熔焊接接头检测系统，包括相控阵超声检测仪、电熔焊接接头、耦合剂供应设备、编码器及所述的超声相控阵探头，所述超声相控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探头发射及接收超声波，所述超声相控阵探头与所述电熔焊接接头接触，所述编码器用于记录所述电熔焊接接头的缺陷位置，所述耦合剂供应设备与所述超声相控阵探头的进液口连接以提供耦合剂。

本实用新型提供了一种超声相控阵探头及电熔焊接接头检测系统，与现有技术相比，具有以下的优点和有益效果：

1)通过设置软囊以便于在超声相控阵探头与电熔焊接接头之间填充耦合剂，使得相控阵超声波束能均匀进入电熔焊接接头，实现了对电熔焊接接头的内部缺陷进行有效检测，提高了检测效果；

2)通过将所述超声相控阵探头放置在所述电熔焊接接头表面，周向移动一圈即可实现全方位的检查，提高了检测效率；

3)聚乙烯材料衰减较大，利用相控阵聚焦功能，比常规超声检测分辨率更高，成像直观，定位准确。

4)超声相控阵检测使用编码器记录数据，检测的每一个电熔焊接接头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为本实用新型实施例提供的超声相控阵探头的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的出液口的分布示意图；

图3为本实用新型实施例提供的电熔焊接接头检测系统的示意图；

其中，附图标记为：

1-相控阵超声检测仪；2-电熔焊接接头；3-耦合剂供应设备；4-编码器；5-超声相控阵探头；

10-电熔焊接接头；20-软囊；30-容纳腔；40-阵元；50-内衬套；60-外壳；70-接线插座；80-盖板；90-护线套；

310-进液口；320-出液口；400-压电晶片；410-负电极层；420-正电极层；430-匹配层；440-背衬。

具体实施方式

下面将结合示意图对本实用新型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，本实用新型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、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。

如图1所示，本实施例提供了一种超声相控阵探头，用于检测聚乙烯管道的电熔焊接接头10，包括探头主体及设置在所述探头主体上的软囊20，所述软囊20至少部分位于所述探头主体与所述电熔焊接接头10之间，且所述软囊20与所述探头主体的底部围合出一用于容纳耦合剂的容纳腔30，所述容纳腔30的侧壁和底壁分别设置有进液口310及多个出液口320，所述进液口310用于接收所述耦合剂，所述耦合剂通过所述出液口320流出并至少覆盖部分所述电熔焊接接头10的表面。

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，所述超声相控阵探头用于对电熔焊接接头10处的内部缺陷进行无损检测，检测频率优选为5MHz。

本实施例中，所述聚乙烯管道的直径介于90mm-100mm之间，壁厚10介于10mm-22mm之间。

所述探头主体与所述电熔焊接接头10之间设置有软囊20，所述软囊20内容纳有耦合剂。由于有些聚乙烯管道的电熔焊接接头10的表面并不平整，具有凹凸槽和不同形状的纹路，通过所述软囊20在检测过程中释放耦合剂以填充所述电熔焊接接头的凹槽，使得相控阵的超声波束能够均匀的进入所述电熔焊接接头10，避免了电熔焊接接头10表面的凹凸槽对超声波束的聚焦产生影响，实现了对电熔接头内部缺陷的有效检测。

本实施例中，所述软囊20为柔性材料，以便于更好地贴紧所述电熔焊接接头10的表面，从而更好地将耦合剂流向所述电熔焊接接头10的表面。所述柔性材料例如为高分子材料，比如塑料，本申请对此不作任何限制。

本实施例中，所述软囊20为一凹型结构，所述软囊20与所述超声相控阵探头的底部围合成一用于容纳耦合剂的容纳腔30，相当于在所述探头主体与所述软囊20之间形成有一耦合剂层。

可选的，所述软囊20与所述超声相控阵探头的外壳60螺纹连接。所述软囊20的两端设置有螺纹孔，所述外壳60与所述螺纹孔对应的位置处也设置有螺纹孔，通过一螺丝从上往下穿过所述外壳60及所述软囊20上对应的螺纹孔后通过螺母锁死即可。通过螺纹连接的方式便于对所述软囊20进行拆装。

请继续参照图1，所述软囊20的侧壁即所述容纳腔30的侧壁设置有一进液口310，所述软囊20的底部即所述容纳腔30的底壁上设置有若干出液口320。所述进液口310通过进液管与一耦合剂供应设备连接，以接收耦合剂。所述耦合剂通过所述出液口320流出并至少覆盖部分所述电熔焊接接头10的表面。可以理解的是，需要对电熔焊接接头10进行检测时，开启所述耦合剂供应设备以使所述容纳腔30接收耦合剂，然后随着超声相控阵探头的移动，使所述软囊20贴紧所述电熔焊接接头10的待检测部位，此时由于软囊20的挤压，所述耦合剂通过所述出液口320流向所述待检测部位。

本实施例中，如图2所示，所述出液口320的数量为8个，8个所述出液口320分为两行，每行等间距设置有4个出液口320。当然，本申请对于所述出液口320的数量以及出液口320的分布方式不作任何限制，可根据聚乙烯管道的直径以及检测的灵敏度进行调整。

本实施例中，所述耦合剂的声阻抗与所述聚乙烯管道的声阻抗相同。由于耦合剂是用于填充电熔焊接接头10表面的凹槽，通过采用与所述聚乙烯管道的声阻抗相同的耦合剂，能够使得相控阵超声波束均匀地进入电熔焊接接头10，检测效果更佳。本实施例中，所述耦合剂例如是使用甘油、水玻璃等按照一定比例混合配制而成的稠状耦合剂。

请继续参照图1，所述探头主体包括多个沿直线方向等间距排布的阵元40，所述阵元40为由负电极层410、压电晶片400、正电极层420及匹配层430由上往下依次堆叠形成的叠层结构，且所述匹配层430位于所述正电极层420与所述容纳腔30之间。

本实施例中，所述超声相控阵探头为超声相控线阵探头，所述阵元40的数量为128个，128个阵元40呈线性阵列的方式排布。本申请对于在对所述电熔焊接接头10进行缺陷检测时，使所述探头主体平行于所述聚乙烯管道的轴向，前后移动所述探头主体使软囊20与电熔焊接接头10耦合至最佳状态，然后使超声相控阵探头所述沿所述聚乙烯管道的周向移动做沿线扫查，实现对电熔焊接接头10的整圈全体积检测。当然，可以理解的是，所述阵元40的数量可以大于128个，也可以小于128个，本申请对此不作任何限制，可根据聚乙烯管道的直径以及检测灵敏度进行选择。

本实施例中，所述压电晶片400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400的上下两个表面形成正电极层420及负电极层410，当电压作用于压电晶片400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400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400就会因弯曲振动发射出超声波。相反，当向所述压电晶片400施加超声振动时，就会产生一个电信号，从而实现对电熔焊接接头10表面的螺纹进行检测。

所述匹配层430用于优化超声波能量的传输。当电熔焊接接头10与压电晶片400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400与电熔焊接接头10之间插入一匹配层430，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430还可以避免压电晶片400或正电极层420与电熔焊接接头10直接接触而磨损，起保护作用。

请继续参照图1，所述负电极层410的上方还设置有背衬440。本实施例中，所述背衬440设置在所述压电晶片400的背面以阻尼压电晶片400的余振以及吸收所述压电晶片400背面辐射的声能。所述背衬440例如是金属-有机复合材料，通过浇筑工艺浇筑到所述负电极层410上并固化形成。

请继续参照图1，所述超声相控阵探头还包括内衬套50及外壳60，所述外壳60用于容纳所述探头主体并与所述软囊20螺纹连接，所述内衬套50夹设于所述外壳60与所述探头主体之间。本实施例中，所述外壳60为顶部开口的长方体，所述内衬套50贴附于所述外壳60的内壁，所述探头主体位于所述外壳60内。所述内衬套50用于在检测过程中进行降噪，所述外壳60用于固定所述探头主体。

请继续参照图1，所述超声相控阵探头还包括一接线插座70，所述外壳60的顶部还设置有用于密封所述探头主体的盖板80，所述接线插座70包括贯穿所述盖板80的正极接线端子及负极接线端子，多个所述阵元40的正电极层420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40的负电极层410通过多根负极电缆与所述负极接线端子连接。所述盖板80用于保护所述探头主体的内部元件，所述正极接线端子及负极接线端子用于将所述正电极层420和所述负电极层410统一接线并引出，引出的线缆用于连接一相控阵超声检测仪。

本实施例中，所述接线插座70外设置有护线套90，所述护线套90用于保护线缆。

具体制作所述超声相控阵探头时，包括以下步骤：

提供一压电陶瓷片，通过磁控溅射工艺在所述压电陶瓷片上表面沉积负电极层410，在所述压电陶瓷片的下表面沉积正电极层420，然后在正电极层420的背面通过特制粘贴剂粘接匹配层430，以形成包含负电极层410、压电晶片400、正电极层420及匹配层430的叠层结构；

然后将所述叠层结构放入夹具中，并切割成128个阵元40，在切割时需要控制切割深度，只切穿所述负电极层410及压电陶瓷片；

将每根正极线缆及每根负极线缆分别与各个正电极层420及各个负电极层410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内衬套50内，并通过胶粘剂粘接起来；

安装正极接线端子及负极接线端子，并将所有所述正极线缆与所述正极接线端子连接，将所有所述负极线缆与所述负极接线端子连接；

在所述负电极层410上浇筑背衬440，并安装盖板80及护线套90；

连接软囊20与所述外壳60。

基于此，请参照图3，本申请还提供了一种电熔焊接接头检测系统，包括相控阵超声检测仪1、电熔焊接接头2、耦合剂供应设备3、编码器4及所述的超声相控阵探头5，所述超声相控阵探头5及所述编码器4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探头5与所述编码器4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探头5发射及接收超声波，所述超声相控阵探头5与所述电熔焊接接头2接触，所述编码器4用于记录所述电熔焊接接头2的缺陷位置，所述耦合剂供应设备3用于与所述超声相控阵探头5的进液口连接以向所述所述超声相控阵探头5提供耦合剂。

具体的，在对所述电熔焊接接头2进行缺陷检测时，将所述超声相控阵探头5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，检测频率为5MHz，通过所述耦合剂供应设备3例如耦合剂泵向软囊与探头主体围合的容纳腔内注入耦合剂，然后将所述探头主体放置到电熔焊接接头2上，前后移动所述探头主体使其耦合至最佳状态。保持在所述最佳状态下，调整检测参数，然后将所述探头主体放置在合适的位置，沿所述电熔焊接接头2的周向移动一圈，实现对所述电熔焊接接头2的检测。

在检测过程中，相控阵超声检测仪1控制所述超声相控阵探头5的阵元按一定的时间法则发射出超声波，超声波沿着电熔焊接接头2的径向传播，当检测到电熔焊接接头2内部的缺陷时，产生反射波回波，并将波形和图像在相控阵超声波检测仪屏幕上显示出来，同时编码器4记录该缺陷位置，实现对电熔焊接接头2的全面检测。

综上，本实施例提供了一种超声相控阵探头，用于检测聚乙烯管道的电熔焊接接头，包括探头主体及设置在所述探头主体上的软囊，所述软囊至少部分位于所述探头主体与所述电熔焊接接头之间，且所述软囊与所述探头主体的底部围合出一用于容纳耦合剂的容纳腔，所述容纳腔的侧壁和底壁分别设置有进液口及多个出液口，所述进液口用于接收所述耦合剂，所述耦合剂通过所述出液口流出并至少覆盖部分所述电熔焊接接头的表面。通过设置软囊以便于在超声相控阵探头与电熔焊接接头之间填充耦合剂，使得相控阵超声波束能均匀进入电熔焊接接头，实现了对电熔焊接接头的内部缺陷进行有效检测，提高了检测效果。基于此，本申请还提供了一种电熔焊接接头检测系统，通过编码器记录数据，检测的每一根电熔焊接接头都可以保存一条数据，每一次检测均具有可追溯性。

上述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不对本实用新型起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本实用新型的技术方案的范围内，对本实用新型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，均属未脱离本实用新型的技术方案的内容，仍属于本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超声相控阵探头，用于检测聚乙烯管道的电熔焊接接头，其特征在于，包括探头主体及设置在所述探头主体上的软囊，所述软囊至少部分位于所述探头主体与所述电熔焊接接头之间，且所述软囊与所述探头主体的底部围合出一用于容纳耦合剂的容纳腔，所述容纳腔的侧壁和底壁分别设置有进液口及多个出液口，所述进液口用于接收所述耦合剂，所述耦合剂通过所述出液口流出并至少覆盖部分所述电熔焊接接头的表面。

2.如权利要求1所述的超声相控阵探头，其特征在于，所述探头主体包括多个沿直线等间距排布的阵元，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容纳腔之间。

3.如权利要求2所述的超声相控阵探头，其特征在于，所述负电极层的上方还设置有背衬。

4.如权利要求2所述的超声相控阵探头，其特征在于，所述超声相控阵探头还包括内衬套及外壳，所述外壳用于容纳所述探头主体并与所述软囊螺纹连接，所述内衬套夹设于所述外壳与所述探头主体之间。

5.如权利要求4所述的超声相控阵探头，其特征在于，所述超声相控阵探头还包括一接线插座，所述外壳的顶部还设置有用于密封所述探头主体的盖板，所述接线插座包括贯穿所述盖板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2所述的超声相控阵探头，其特征在于，所述阵元的数量为128个。

7.如权利要求2所述的超声相控阵探头，其特征在于，所述压电晶片为压电陶瓷片。

8.如权利要求1所述的超声相控阵探头，其特征在于，所述耦合剂的声阻抗与所述聚乙烯管道的声阻抗相同。

9.如权利要求1所述的超声相控阵探头，其特征在于，所述软囊的材质为柔性材料。

10.一种电熔焊接接头检测系统，其特征在于，包括相控阵超声检测仪、电熔焊接接头、耦合剂供应设备、编码器及如权利要求1-9中任一项所述的超声相控阵探头，所述超声相控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探头发射及接收超声波，所述超声相控阵探头与所述电熔焊接接头接触，所述编码器用于记录所述电熔焊接接头的缺陷位置，所述耦合剂供应设备与所述超声相控阵探头的进液口连接以提供耦合剂。

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