CN217237897U - 聚乙烯管道热熔接头缺陷超声相控阵检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种聚乙烯管道热熔接头缺陷超声相控阵检测装置，控制计算机与超声相控阵仪器相连接，超声相控阵仪器分别与超声相控阵探头和编码器相连接；扫查装置中，无刷电机和手摇轮分别通过传动组件与主动轮传动连接，主动轮与从动轮传动连接，主动轮固定于联轴器上；超声相控阵探头固定连接于从动轮上，编码器固定于扫查装置上且编码器的轴与联轴器相连接；主动轮带动从动轮旋转的过程中，编码器获取旋转角度数据，超声相控阵探头随从动轮环绕所要检测的管道表面进行扫描检测。通过本实用新型的技术方案，超声相控阵探头能够更平稳移动以实现对缺陷的三维成像，缺陷定位更加准确，提高了检测精度。

Description

聚乙烯管道热熔接头缺陷超声相控阵检测装置

技术领域

本实用新型涉及管道损伤检测技术领域，尤其涉及一种聚乙烯管道热熔接头缺陷超声相控阵检测装置。

背景技术

PE(polyethylene，聚乙烯)管由于材料自身强度高、耐磨性好、无毒、重量轻、安装方便等优良特点。因此PE管道被广泛应用于城市燃气、供水及农业灌溉等各个方面。PE管道系统熔接技术的优劣，直接关系到管道网络的运行效果和使用寿命，其熔接接口质量问题可能直接导致燃气、供水泄露等系列问题，从而影响城市生活。目前，聚乙烯管连接有多种方式其中热熔对焊是最常用的连接方式，但是在热熔对焊过程中，管道对接区域材料结构和性能可发生变化，对接过程中不可避免地产生一些缺陷。对接头质量与对接过程加热温度，对接压力以及加热时间等工艺参数有关，而且在对接过程中，对接工艺参数不当可能会产生冷焊、气孔和夹杂等内部缺陷及错边、不对称等外部缺陷。因此有必要对燃气用聚乙烯管对接质量的无损检测评价加以分析。

外部缺陷可利用外观检验来确定，但内部缺陷目前只能利用超声波技术来检测。而热熔接头的检测存在焊缝结构比较复杂、缺陷定位等主要难点。采用超声相控阵，可以对声波进行聚焦，提高超声检测的灵敏度和分辨率，减少扫描盲区。目前，扫查装置使用时需操作者手动移动，移动过程中扫查装置行走路线容易弯曲，导向性能差，不易实现精准定位。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型提供了一种聚乙烯管道热熔接头缺陷超声相控阵检测装置，采用超声相控阵检测技术实现声束的偏转和聚焦，利用扫查装置使超声相控阵探头更平稳移动，采用编码器记录超声相控阵探头旋转的角度从而生成坐标信息，依据每张图谱的位置编码信息对超声图像进行三维重构，从而实现对缺陷的三维成像，使缺陷定位更加准确，提高了检测精度。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种聚乙烯管道热熔接头缺陷超声相控阵检测装置，包括：控制计算机、超声相控阵仪器、超声相控阵探头、编码器和扫查装置；

所述控制计算机与所述超声相控阵仪器相连接，所述超声相控阵仪器分别与所述超声相控阵探头和所述编码器相连接；

所述扫查装置包括无刷电机、手摇轮、主动轮、从动轮和联轴器，所述无刷电机和所述手摇轮分别通过传动组件与所述主动轮传动连接，所述主动轮与所述从动轮传动连接，所述主动轮固定于所述联轴器上；

所述超声相控阵探头固定连接于所述从动轮上，所述编码器固定于所述扫查装置上且所述编码器的轴与所述联轴器相连接；

所述主动轮带动所述从动轮旋转的过程中，所述超声相控阵探头随所述从动轮环绕所要检测的管道表面进行扫描检测。

在上述技术方案中，优选地，所述编码器通过5芯电缆与所述超声相控阵仪器相连接，将所述旋转角度数据发送至所述超声相控阵仪器；

所述超声相控阵仪器通过64针屏蔽线与所述超声相控阵探头相连接，进行超声信号的激励与采集；

所述控制计算机通过USB数据线与所述超声相控阵仪器相连接，对采集的所述超声信号和所述旋转角度数据进行存储和处理。

在上述技术方案中，优选地，所述扫查装置还包括支架、底座、手柄和固定板，所述扫查装置的传动组件包括电机轴、主动圆锥齿轮、从动圆锥齿轮和轮轴；

所述底座固定于所述支架上，所述无刷电机通过肋板固定于所述底座上，所述无刷电机通过电机轴与所述主动圆锥齿轮传动连接，所述主动圆锥齿轮与所述从动圆锥齿轮传动连接，所述从动圆锥齿轮通过花键固定于所述轮轴上；

所述手柄安装于所述手摇轮上，所述手摇轮通过所述轮轴与所述主动轮相连，所述主动轮通过键固定于所述轮轴上，所述轮轴的另一端通过所述联轴器与所述编码器相连接；

所述固定板固定于所述支架上，所述编码器通过连接横梁固定于所述固定板上，所述轮轴通过轴承安装于所述固定板上；

所述支架包括伸缩杆、第一横梁、第二横梁和第三横梁，所述伸缩杆纵向设置，所述第一横梁、所述第二横梁和所述第三横梁分别与所述伸缩杆垂直固定连接形成所述支架。

在上述技术方案中，优选地，所述超声相控阵探头安装于超声相控阵探头卡槽内，所述超声相控阵探头卡槽通过连接杆固定于所述从动轮上，并随所述从动轮同步旋转。

在上述技术方案中，优选地，所述管道的接触面均匀涂覆有耦合剂层，使得所述超声相控阵探头通过所述耦合剂层与所述管道接触，所述超声相控阵探头相对于所述管道全周向旋转实现截面全矩阵数据采集。

在上述技术方案中，优选地，所述从动轮为环形结构，所述从动轮的环内表面阵列分布设置有阵列圆珠，所述阵列圆珠可相对于所述从动轮实现滚动；

所述从动轮套设于所要检测的管道外，所述阵列圆珠与所述管道接触，并在所述从动轮转动过程中相对于所述管道实现滚动。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

(1)采用超声相控阵检测技术，可实现声束的偏转和聚焦，采用扇形扫描，增加了扫描面积，减少了扫描盲区；

(2)扫查装置可以使超声相控阵探头更加平稳地移动，采用编码器记录超声相控阵探头旋转的角度，坐标信息根据编码器自动生成，加入至检测信息中，依据每张图谱的位置编码信息对超声图像进行三维重构，并对图像进行插值及平滑等处理，实现对缺陷的三维成像，使缺陷定位更加准确；

(3)将超声相控阵采集到的超声数据传输给电脑，可灵活采用不同算法在电脑上对原始数据进行处理，提高了检测精度。

附图说明

图1为本实用新型一种实施例公开的聚乙烯管道热熔接头缺陷超声相控阵检测装置的结构示意图；

图2为本实用新型一种实施例公开的扫查装置的整体结构示意图；

图3为本实用新型一种实施例公开的扫查装置的局部结构示意图；

图4为本实用新型一种实施例公开的超声相控阵探头单次扫描的扇形示意图；

图5为本实用新型一种实施例公开的超声相控阵探头检测缺陷的原理示意图；

图6为本实用新型一种实施例公开的聚乙烯管道热熔接头缺陷超声相控阵检测方法的流程示意图。

图中，各组件与附图标记之间的对应关系为：

1、控制计算机；2、USB数据线；3、扫查装置；3-1、无刷电机；3-2、主动圆锥齿轮；3-3、底座；3-4、从动圆锥齿轮；3-5、手摇轮；3-6、轮轴；3-7、手柄；3-8、主动轮；3-9、键；3-10、固定板；3-11、阵列圆珠；3-12、从动轮；3-13、伸缩杆；3-14、第一横梁；3-15、超声相控阵探头卡槽；3-16、第二横梁；3-17、第三横梁；3-18、肋板；3-19、电机轴；3-20、花键；3-21、轴承；4、连接横梁；5、5芯电缆；6、64针屏蔽线；7、超声相控阵仪器；8、超声相控阵探头；8-1、阵元；8-2、楔形试块；9、管道热熔接缝；10、连接杆；11、编码器；12、联轴器；13、管道；14、耦合剂层；15、扫描区域；16、发射路径折射点；17、接收路径折射点；18、缺陷。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细描述：

如图1所示，根据本实用新型提供的一种聚乙烯管道热熔接头缺陷超声相控阵检测装置，包括：控制计算机1、超声相控阵仪器7、超声相控阵探头8、编码器11和扫查装置3；

控制计算机1与超声相控阵仪器7相连接，超声相控阵仪器7分别与超声相控阵探头8和编码器11相连接；

扫查装置3包括无刷电机3-1、手摇轮3-5、主动轮3-8、从动轮3-12和联轴器12，无刷电机3-1和手摇轮3-5分别通过传动组件与主动轮3-8传动连接，主动轮3-8与从动轮3-12传动连接，主动轮3-8固定于联轴器12上；

超声相控阵探头8固定连接于从动轮3-12上，编码器11固定于扫查装置3上且编码器11的轴与联轴器12相连接；

主动轮3-8带动从动轮3-12旋转的过程中，编码器11获取旋转角度数据，并将旋转角度数据通过超声相控阵仪器7发送至控制计算机1，超声相控阵探头8随从动轮3-12环绕所要检测的管道13表面进行扫描检测，并将扫描结果通过超声相控阵仪器7发送至控制计算机1。

在该实施方式中，采用超声相控阵检测技术实现声束的偏转和聚焦，利用扫查装置3使超声相控阵探头8更平稳移动，采用编码器11记录超声相控阵探头8旋转的角度从而生成坐标信息，依据每张图谱的位置编码信息对超声图像进行三维重构，从而实现对缺陷18的三维成像，使缺陷18定位更加准确，提高了检测精度。

具体地，该聚乙烯管道热熔接头缺陷超声相控阵检测装置针对管道13的主体、管道13的热熔接头以及管道热熔接缝9均可实现检测，根据检测得到的三维成像，与其外观形状进行对比，判断其内部损伤缺陷。

在上述实施方式中，优选地，编码器11通过5芯电缆5与超声相控阵仪器7相连接，将旋转角度数据发送至超声相控阵仪器7；

超声相控阵仪器7通过64针屏蔽线6与超声相控阵探头8相连接，进行超声信号的激励与采集；

控制计算机1通过USB数据线2与超声相控阵仪器7相连接，对采集的超声信号和旋转角度数据进行存储和处理，从而对管道13的缺陷18进行进一步地识别、定位和分级。

如图2和图3所示，在上述实施方式中，优选地，扫查装置3还包括支架、底座3-3、手柄3-7和固定板3-10，扫查装置3的传动组件包括电机轴3-19、主动圆锥齿轮3-2、从动圆锥齿轮3-4和轮轴3-6；

底座3-3固定于支架上，无刷电机3-1通过肋板3-18固定于底座3-3上，无刷电机3-1通过电机轴3-19与主动圆锥齿轮3-2传动连接，主动圆锥齿轮3-2与从动圆锥齿轮3-4传动连接，从动圆锥齿轮3-4通过花键3-20固定于轮轴3-6上；

手柄3-7安装于手摇轮3-5上，方便人单手转动，手摇轮3-5通过轮轴3-6与主动轮3-8相连，主动轮3-8通过键3-9固定于轮轴3-6上，轮轴3-6的另一端通过联轴器12与编码器11相连接；

固定板3-10固定于支架上，编码器11通过连接横梁4固定于固定板3-10上，轮轴3-6通过轴承3-21安装于固定板3-10上；

支架包括伸缩杆3-13、第一横梁3-14、第二横梁3-16和第三横梁3-17，伸缩杆3-13纵向设置，第一横梁3-14、第二横梁3-16和第三横梁3-17分别与伸缩杆3-13垂直固定连接形成支架，用于支撑固定扫查装置3。

通过上述无刷电机3-1和手摇轮3-5的设置，该扫查装置3的驱动可以有无刷电机3-1和手摇轮3-5两种方式，该两种方式任选其一即可实现。

具体地，无刷电机驱动方式中，无刷电机3-1通过电机轴3-19带动主动圆锥齿轮3-2转动，主动圆锥齿轮3-2带动从动圆锥齿轮3-4转动，轮轴3-6随从动圆锥齿轮3-4转动，主动轮3-8随轮轴3-6转动，主动轮3-8带动从动轮3-12转动。轮轴3-6转动的同时通过联轴器12带动编码器11的轴转动，实现旋转角度数据的有效获取。

手摇轮人工驱动方式中，通过手柄3-7转动手摇轮3-5，手摇轮3-5带动轮轴3-6和轮轴3-6同步转动，轮轴3-6转动同时带动主动轮3-8和联轴器12转动，从而实现编码器11的旋转角度数据获取以及带动从动轮3-12转动。

在上述实施方式中，优选地，超声相控阵探头8安装于超声相控阵探头卡槽3-15内，超声相控阵探头卡槽3-15通过连接杆10固定于从动轮3-12上，并随从动轮3-12同步旋转；

管道13的接触面均匀涂覆有耦合剂层14，使得超声相控阵探头8通过耦合剂层14与管道13接触，超声相控阵探头8相对于管道13旋转实现截面全矩阵数据采集。

在从动轮3-12转动过程中，固定于从动轮3-12上的超声相控阵探头8也同步转动，可以绕管道13外表面实现全周向的旋转，从而能够对管道13采集到整个截面的全矩阵超声数据，以实现对管道13的全面检测。超声相控阵探头8通过耦合剂与管道13接触，超声耦合剂的目的首先是充填接触面之间的微小空隙，不使这些空隙间的微量空气影响超声的穿透；其次是通过耦合剂“过渡”作用，使探头与接触部位之间的声阻抗差减小，从而减小超声能量在此界面的反射损失。另外，还起到“润滑”作用，减小探头面与接触部位之间的摩擦，使探头能灵活的滑动探查。

在上述实施方式中，优选地，从动轮3-12为环形结构，从动轮3-12的环内表面阵列分布设置有阵列圆珠3-11，阵列圆珠3-11可相对于从动轮3-12实现滚动；

从动轮3-12套设于所要检测的管道13外，阵列圆珠3-11与管道13接触，并在从动轮3-12转动过程中相对于管道13实现滚动。

阵列圆珠3-11的设置，使得从动轮3-12与管道13之间由滑动摩擦转变成滚动摩擦，提高从动轮3-12相对于管道13的旋转稳定性。

如图4和图5所示，在上述实施方式中，超声相控阵探头8的阵元8-1发出超声信号后，经过楔形试块8-2时，超声信号在楔形试块8-2的界面形成发射路径折射点16，超声信号在到达管道13内反射时，形成扇形扫描区域15，超声回波信号经楔形试块8-2的界面时再次折射，经接收路径折射点17反馈至阵元8-1，实现信号的发射和接收，并根据接收的超声回波信号实现对管道13的缺陷18检测。

如图6所示，本实用新型还提出一种聚乙烯管道热熔接头缺陷超声相控阵检测方法，应用于如上述实施方式中任一项公开的聚乙烯管道热熔接头缺陷超声相控阵检测装置，包括：

确认待检测的管道13表面符合质量检测要求，清除其表面污物，防止后续干扰，在所要检测的管道13表面涂覆耦合剂层14，并将管道13安装于超声相控阵检测装置上，连接检测装置，搭建检测平台；

将超声相控阵探头8固定于扫查装置3上，使探头既与管道13贴合，又可以进行移动，预设置并初始化超声相控阵仪器7和控制计算机1的参数，包括阵元数量、探头频率、聚焦深度、偏转角度、波速、衰减系数等参数，设置好后开启信号输出与接收；

激励超声相控阵探头8发出超声信号以对管道13进行扫查，超声信号经过超声相控阵探头8的楔形试块8-2发生折射后进入管道13内，同时获取返回的超声回波信号，超声回波信号也经过楔形试块8-2发生折射；

利用扫查装置3对管道13进行全周截面扫描，可采用无刷电机自动扫查和手摇轮人工手动步进扫查两种方式，直到扫描管道13一圈结束，并将扫描结果通过超声相控阵仪器7由USB数据线2发送至控制计算机1；

控制计算机1根据接收到的扫描结果进行数据处理，实现对管道13的缺陷识别与定位。

在上述实施方式中，优选地，利用扫查装置3对管道13进行全周截面扫描并将扫描结果通过超声相控阵仪器7发送至控制计算机1的具体过程包括：

通过无刷电机3-1或手摇轮3-5驱动主动轮3-8和从动轮3-12旋转，从动轮3-12带动超声相控阵探头8相对于内部套设的管道13旋转；

超声相控阵探头8通过耦合剂层14对旋转过程中的管道13表面发射超声信号、接收超声回波信号，并将超声回波信号通过超声相控阵仪器7发送至控制计算机1；

主动轮3-8旋转的同时编码器11获取旋转角度数据，并将旋转角度数据通过超声相控阵仪器7发送至控制计算机1。

具体地，缺陷18的定位基于超声相控阵探头8移动的距离，探头移动的距离通过编码器11旋转的角度进行确定；检测过程中，坐标信息根据编码器11自动生成，加入至检测信息中。编码器11采用增量型编码器11，在旋转过程中，能够产生高、低电平周期性变化的输出信号，能够在任一位置停下或起步。

在上述实施方式中，优选地，超声相控阵探头8包括多个阵元8-1，采用基于全矩阵数据采集(Full Matrix Capture，FMC)的相控阵全聚焦(Total Focusing Method，TFM)超声成像检测技术对管道进行超声成像采集，采集过程包括：

第一个阵元8-1激励发出的超声信号由全部阵元进行接收，采集到的回波信号记为S₁₁～S_1n；

依次完成其他阵元8-1的超声信号激励以及对应超声回波信号的接收；

将接收到的所有超声回波信号组成二维的超声信号数据矩阵S，作为全矩阵数据。

其中，矩阵中的二维数组函数为S_ij，代表第i个阵元发射超声波时，第j个阵元所接收的超声回波信号，如下表所示：

在上述实施方式中，优选地，基于全聚焦算法原理，利用采集的管道的各截面超声数据进行二维成像，根据超声音束的传播路径，依次计算出全矩阵数据中所有信号在某一聚焦点P(x,z)的幅值信息并叠加求和，得到该聚焦点的声波幅值I(x,z)，计算公式为：

式中，S_ij为i阵元发射、j阵元接收的超声信号，t为采样时间间隔，t_ij(x,z)为声波的传出时间，其中，

式中，h₁与h₂分别为发射阵元和接收阵元到聚焦点之间的距离，C为超声波的声速。

在上述实施方式中，优选地，基于管道的连续切片截面的全矩阵数据，对每个切片截面的二维全聚焦成像进行增益处理，提高成像质量；

根据预设的阈值对二维全聚焦成像的图谱进行二值化处理，确定缺陷在每个切片截面上的轮廓；

根据每张图谱的位置编码信息进行三维重构，并对重构后的三维图像进行插值及平滑处理，得到管道的三维缺陷成像。

基于三维缺陷成像，就能够通过进一步的图像处理技术，对缺陷进行识别、定位、分类以及分级，实现对管道热熔接头缺陷的检测，提高检测精度和定位准确度。

以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种聚乙烯管道热熔接头缺陷超声相控阵检测装置，其特征在于，包括：控制计算机、超声相控阵仪器、超声相控阵探头、编码器和扫查装置；

所述控制计算机与所述超声相控阵仪器相连接，所述超声相控阵仪器分别与所述超声相控阵探头和所述编码器相连接；

所述扫查装置包括无刷电机、手摇轮、主动轮、从动轮和联轴器，所述无刷电机和所述手摇轮分别通过传动组件与所述主动轮传动连接，所述主动轮与所述从动轮传动连接，所述主动轮固定于所述联轴器上；

所述超声相控阵探头固定连接于所述从动轮上，所述编码器固定于所述扫查装置上且所述编码器的轴与所述联轴器相连接；

所述主动轮带动所述从动轮旋转的过程中，所述超声相控阵探头随所述从动轮环绕所要检测的管道表面进行扫描检测。

2.根据权利要求1所述的聚乙烯管道热熔接头缺陷超声相控阵检测装置，其特征在于，所述编码器通过5芯电缆与所述超声相控阵仪器相连接，将旋转角度数据发送至所述超声相控阵仪器；

所述超声相控阵仪器通过64针屏蔽线与所述超声相控阵探头相连接，进行超声信号的激励与采集；

所述控制计算机通过USB数据线与所述超声相控阵仪器相连接，对采集的所述超声信号和所述旋转角度数据进行存储和处理。

3.根据权利要求1所述的聚乙烯管道热熔接头缺陷超声相控阵检测装置，其特征在于，所述扫查装置还包括支架、底座、手柄和固定板，所述扫查装置的传动组件包括电机轴、主动圆锥齿轮、从动圆锥齿轮和轮轴；

所述底座固定于所述支架上，所述无刷电机通过肋板固定于所述底座上，所述无刷电机通过电机轴与所述主动圆锥齿轮传动连接，所述主动圆锥齿轮与所述从动圆锥齿轮传动连接，所述从动圆锥齿轮通过花键固定于所述轮轴上；

所述手柄安装于所述手摇轮上，所述手摇轮通过所述轮轴与所述主动轮相连，所述主动轮通过键固定于所述轮轴上，所述轮轴的另一端通过所述联轴器与所述编码器相连接；

所述固定板固定于所述支架上，所述编码器通过连接横梁固定于所述固定板上，所述轮轴通过轴承安装于所述固定板上；

所述支架包括伸缩杆、第一横梁、第二横梁和第三横梁，所述伸缩杆纵向设置，所述第一横梁、所述第二横梁和所述第三横梁分别与所述伸缩杆垂直固定连接形成所述支架。

4.根据权利要求3所述的聚乙烯管道热熔接头缺陷超声相控阵检测装置，其特征在于，所述超声相控阵探头安装于超声相控阵探头卡槽内，所述超声相控阵探头卡槽通过连接杆固定于所述从动轮上，并随所述从动轮同步旋转。

5.根据权利要求4所述的聚乙烯管道热熔接头缺陷超声相控阵检测装置，其特征在于，所述管道的接触面均匀涂覆有耦合剂层，使得所述超声相控阵探头通过所述耦合剂层与所述管道接触，所述超声相控阵探头相对于所述管道全周向旋转实现截面全矩阵数据采集。

6.根据权利要求4所述的聚乙烯管道热熔接头缺陷超声相控阵检测装置，其特征在于，所述从动轮为环形结构，所述从动轮的环内表面阵列分布设置有阵列圆珠，所述阵列圆珠可相对于所述从动轮实现滚动；

所述从动轮套设于所要检测的管道外，所述阵列圆珠与所述管道接触，并在所述从动轮转动过程中相对于所述管道实现滚动。

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