CN221100612U - 一种基于非线性超声的直角构件缺陷检测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于非线性超声的直角构件缺陷检测装置。测试机构依次经阻抗匹配器、衰减器、低通滤波器后连接探头检测组件的输入端，探头检测组件的输出端依次经双工器、带通滤波器、前置放大器后电连接测试机构，测试机构和示波器之间电连接，超声波激励直探头和超声波接收直探头分别设置在无裂纹直角构件的两侧，两个斜楔分别设置在带裂纹直角构件的两侧，超声波激励斜探头和超声波接收斜探头分别固定在两个斜楔上。本实用新型通过设计合适的斜楔，利用超声波的反射、折射和透射原理，完成了对直角构件的非线性超声检测，这种能够提供准确可靠的缺陷识别和评估，对直角构件的质量控制和损伤检测具有重要的应用价值。
Description
技术领域
本实用新型涉及无损检测技术领域的一种构件缺陷检测装置，尤其是涉及了一种基于非线性超声的直角构件缺陷检测装置。
背景技术
非线性超声检测是一种利用声波传播中的非线性效应进行材料评估和损伤检测的技术。它适用于多种材料类型，包括金属、复合材料和混凝土等。该技术具有非破坏性、高灵敏度和实时性等优点，在材料科学、工程结构评估和无损检测等领域中具有重要的应用。
非线性超声检测技术利用材料中的非线性声学特性来获取有关材料性能和结构健康状态的信息。在声波传播过程中，材料表现出非线性声学效应，即声波的频率成分与外部激励信号的频率成分之间存在非线性关系。这种非线性声学效应的产生与材料的非线性机制密切相关。例如，材料中的非线性弹性行为会导致声波的波形变形和失真，损伤或裂纹的存在会引起声波的散射和反射。这些非线性力学特性在声波传播中产生特征性的非线性响应，为非线性超声检测技术提供了依据。
目前非线性超声检测技术主要研究对象是单轴构件，这是因为单轴构件的形状和加载条件相对简单，使得信号解析相对容易。然而，在工业生产中，我们面对的是各种形状和复杂加载条件的构件，单轴构件的检测可能无法完全满足实际需求。故在面对工业生产中各种形状构件的检测需求时，仍需要进一步发展和改进技术。
实用新型内容
为了解决背景技术中存在的问题，本实用新型的目的在于设计一种基于非线性超声的直角构件缺陷检测装置。
本实用新型所采用的技术方案如下：
包括探头检测组件，放置在测试台上；
包括测试机构，依次经阻抗匹配器、衰减器、低通滤波器后连接探头检测组件的输入端，依次经前置放大器、带通滤波器、双工器后连接探头检测组件的输出端；
包括示波器，与测试机构之间电连接。
所述的探头检测组件包括无裂纹探头检测组件和带裂纹探头检测组件；
所述的无裂纹探头检测组件包括超声波激励直探头、无裂纹直角构件和超声波接收直探头；无裂纹直角构件是由两个第一条形板拼接形成的横截面为L形的一体式结构，两个第一条形板相互垂直且厚度相同，超声波激励直探头和超声波接收直探头分别设置在无裂纹直角构件的两侧，超声波激励直探头和超声波接收直探头的轴线在同一直线上；
所述的带裂纹探头检测组件包括带裂纹直角构件、超声波激励探头斜楔、超声波激励斜探头、超声波接收斜探头和超声波接收探头斜楔；带裂纹直角构件是由两个第二条形板拼接形成的横截面为L形的一体式结构，两个第二条形板相互垂直且厚度相同，带裂纹直角构件中带有裂纹；超声波激励探头斜楔和超声波接收探头斜楔分别设置在带裂纹直角构件的两侧，超声波激励斜探头和超声波接收斜探头分别固定在超声波激励探头斜楔和超声波接收探头斜楔上，使得超声波激励斜探头发出的超声波经过裂纹后再由超声波接收斜探头进行接收。
所述的低通滤波器与超声波激励直探头或超声波激励斜探头连接，双工器与超声波接收直探头或超声波接收斜探头连接。
所述的一个第一条形板水平放置在测试台上，另一个第一条形板与测试台垂直，超声波激励直探头和超声波接收直探头分别连接在与测试台垂直的第一条形板的两侧，超声波激励直探头和超声波接收直探头之间的距离等于第一条形板的厚度。
所述的一个第二条形板水平放置在测试台上，另一个第二条形板与测试台垂直，超声波激励探头斜楔连接在与测试台水平的第二条形板内侧面上，超声波接收探头斜楔连接在与测试台垂直的第二条形板外侧面上，超声波激励斜探头的轴线与超声波激励探头斜楔的斜面垂直，超声波接收斜探头的轴线与超声波接收探头斜楔的斜面垂直。
所述超声波激励探头斜楔斜面的角度和超声波接收探头斜楔斜面的角度θ1按照以下公式确定：
sinθ1sinθ2＝c1 /c2
其中，θ2为超声波从超声波激励探头斜楔入射到带裂纹直角构件的折射角，c1为超声波激励探头斜楔/超声波接收探头斜楔的声速，c2为无裂纹直角构件的声速。
本实用新型通过声波的折射、反射和透射定律，完成了对直角构件的非线性超声检测。
本实用新型的有益效果为：
1、通过设计适当的斜楔并利用超声波的反射、折射和透射原理，成功实现了对直角构件的非线性超声检测。
2、利用本实用新型的非线性超声检测装置，可以对直角构件进行全面的质量控制和损伤检测。该技术具有高度可靠性和准确性，可为直角构件的制造商和使用者提供有力的支持。
附图说明
为了能更清楚地表述本实用新型的实施例，下面将对实施例所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本实用新型的检测装置示意图；
图2为本实用新型的声速测试机构中直探头摆放位置示意图；
图3为本实用新型实施例的非线性超声检测机构中斜探头摆放位置示意图；
图4为本实用新型斜楔的示意图；
图5为本实用新型实施例的直角构件非线性超声检测流程示意图；
图6为本实用新型实施例中声速测试机构的接收信号图；
图7为本实用新型实施例中非线性超声检测机构接收信号图，其中，a为时域信号图，b为频域信号图。
图中：1、超声波激励直探头；2、无裂纹直角构件；3、超声波接收直探头；4、带裂纹直角构件；5、超声波激励探头斜楔；6、超声波激励斜探头；7、超声波接收斜探头；8、超声波接收探头斜楔；9、裂纹。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
如图1所示，装置包括探头检测组件、测试机构、示波器、阻抗匹配器、衰减器、低通滤波器、双工器、带通滤波器和前置放大器；测试机构依次经阻抗匹配器、衰减器、低通滤波器后连接探头检测组件的输入端，探头检测组件的输出端依次经双工器、带通滤波器、前置放大器后电连接测试机构，测试机构和示波器之间电连接。
示波器用于显示信号图像，测试机构采用RAM-5000-SNAP测试系统。
探头检测组件包括无裂纹探头检测组件和带裂纹探头检测组件；
如图2所示，无裂纹探头检测组件包括超声波激励直探头1、无裂纹直角构件2和超声波接收直探头3；无裂纹直角构件2是由两个第一条形板拼接形成的横截面为L形的一体式空间结构，两个第一条形板相互垂直且厚度相同，第一条形板的长度方向即为无裂纹直角构件2的轴向，无裂纹直角构件2为对称结构，超声波激励直探头1和超声波接收直探头3分别设置在无裂纹直角构件2的两侧，超声波激励直探头1和超声波接收直探头3的轴线在同一直线上；
如图3所示，带裂纹探头检测组件包括带裂纹直角构件4、超声波激励探头斜楔5、超声波激励斜探头6、超声波接收斜探头7和超声波接收探头斜楔8；带裂纹直角构件4是由两个第二条形板拼接形成的横截面为L形的一体式空间结构，两个第二条形板相互垂直且厚度相同，第二条形板的长度方向即为带裂纹直角构件4的轴向，带裂纹直角构件4为对称结构，无裂纹直角构件2和带裂纹直角构件4的形状、尺寸均一致，带裂纹直角构件4中带有裂纹9；超声波激励探头斜楔5和超声波接收探头斜楔8分别设置在带裂纹直角构件4的两侧，超声波激励斜探头6和超声波接收斜探头7分别安装在超声波激励探头斜楔5和超声波接收探头斜楔8上，使得超声波激励斜探头6发出的超声波经过裂纹9后再由超声波接收斜探头7进行接收，超声波激励斜探头6和超声波接收斜探头7之间的超声波传播路径与带裂纹直角构件4的横截面平行。
两个第一条形板中均不带裂纹，两个第二条形板中至少一个带有裂纹。
低通滤波器与超声波激励直探头1或超声波激励斜探头6连接，双工器与超声波接收直探头3或超声波接收斜探头7连接。
一个第一条形板水平放置在测试台上，另一个第一条形板与测试台垂直，超声波激励直探头1和超声波接收直探头3分别通过耦合剂连接在与测试台垂直的第一条形板的两侧，超声波激励直探头1和超声波接收直探头3之间的距离等于第一条形板的厚度，即超声波激励直探头1和超声波接收直探头3之间的超声波传播路径与无裂纹直角构件2的横截面平行，超声波激励直探头1/超声波接收直探头3的轴线与第一条形板的厚度方向平行，超声波激励直探头1发出的超声波由超声波接收直探头3接收。
一个第二条形板水平放置在测试台上，另一个第二条形板与测试台垂直，超声波激励探头斜楔5通过耦合剂连接在与测试台水平的第二条形板内侧面上，超声波接收探头斜楔8通过耦合剂连接在与测试台垂直的第二条形板外侧面上，超声波激励斜探头6的轴线与超声波激励探头斜楔5的斜面垂直，超声波接收斜探头7的轴线与超声波接收探头斜楔8的斜面垂直。
超声波激励探头斜楔5的斜面具体为超声波激励探头斜楔5中与超声波激励斜探头6接触的面，超声波接收探头斜楔8的斜面具体为超声波接收探头斜楔8中与超声波接收斜探头7接触的面。
本实用新型中的耦合剂采用甘油。
超声波激励探头斜楔5和超声波接收探头斜楔8斜面的角度θ1按照以下公式确定：
sinθ1sinθ2＝c1/c2
其中，θ2为超声波从超声波激励探头斜楔5入射到带裂纹直角构件4的折射角，c1为超声波激励探头斜楔5和超声波接收探头斜楔8的声速，c2为无裂纹直角构件2的声速。
超声波激励探头斜楔5和超声波接收探头斜楔8的尺寸、形状、材质均相同，因此两个斜楔5、8的斜面的声速、角度也均一致。
本实用新型实施例的实施过程如下，如图5所示：
步骤S1：制备一个无裂纹直角构件2和一个带裂纹直角构件4，本实施例采用的构件材料为12Cr1MoVG。
步骤S2：搭建声速测试机构：
步骤S2.1、连接装置中的RAM-5000-SNAP测试系统、示波器、阻抗匹配、衰减器、低通滤波器、双工器、带通滤波器和前置放大器按照顺序安装；
其中，RAM-5000-SNAP测试系统生成5MHz的10脉冲超声信号；滤波器选择5MHz的低通滤波器和10MHz的带通滤波器；
步骤S2.2、将超声波激励直探头1和超声波接收直探头3分别与低通滤波器和双工器连接；
步骤S3：通过实验获得无裂纹直角构件2的声波传播速度：
步骤S3.1、将超声波激励直探头1和超声波接收直探头3分别摆放在无裂纹直角构件2的两侧，且超声波激励直探头1和超声波接收直探头3处于同一轴线上，本实例中两个直探头1、3的摆放位置如图2所示，示波器接收信号并显示，接收信号如图6所示，在3.19μs时接收到超声信号。
步骤S3.2、无裂纹直角构件2的声速c2按照以下公式处理得到：
c2＝δ/t (1)
其中，δ为无裂纹直角构件2的厚度(即第一条形板的厚度)，t为接收到超声波所用的时间；
本实施例中无裂纹直角构件2的厚度为19mm，计算得到无裂纹直角构件2的声波传播速度为5942m/s。
步骤S4：规定超声波在带裂纹直角构件4的传播路径，该传播路径应经过带裂纹直角构件4的缺陷位置，本实施例中的折射角度θ2为45°；具体地，折射角度θ2为超声波从超声波激励探头斜楔5入射到带裂纹直角构件4的折射角。
步骤S5：如图4所示，设计合适的超声波激励探头斜楔5和超声波接收探头斜楔8，具体地，根据带裂纹直角构件4和斜楔5、7的声速与折射角度θ2计算斜楔5、7的斜面角度θ1；
斜楔5、7的斜面角度θ1为斜楔5、7斜面与测试台水平面之间的夹角；
步骤S5.1、选择斜楔5、7的材料为有机玻璃，有机玻璃声速为2691m/s；
步骤S5.2、斜楔的斜面角度θ1按照以下公式处理得到：
sinθ1/sinθ2＝c1/c2 (2)
其中，c1为斜楔5、7的声速，计算得到斜楔角度θ1为19°。
步骤S6：搭建非线性超声检测机构：
步骤S6.1、将超声波激励直探头1和超声波接收直探头3从装置中拆卸下来，并将超声波激励斜探头6和超声波接收斜探头7分别与低通滤波器和双工器连接；
步骤6.2、将超声波激励斜探头6和超声波接收斜探头7分别摆放在带裂纹直角构件4的两侧，两个斜探头6、7精确的摆放位置应根据超声波的传播路径确定，本实施例中两个斜探头6、7摆放位置如图3所示，示波器接收信号并显示；
步骤S7：分别对无裂纹直角构件2和带裂纹直角构件4进行非线性超声检测，获取非线性超声系数，评估带裂纹直角构件4的缺陷损伤：
步骤7.1、非线性超声系数表达式为：
其中A1为接收信号经傅里叶变换的基频幅值，A2为接收信号经傅里叶变换的二倍频幅值。
步骤7.1接收信号如图7的a和7的b所示，检测结果如表1所示，带裂纹直角构件4非线性超声系数大于无裂纹直角构件2的非线性超声系数，故该方法能有效检测直角构件的缺陷损伤。
表1非线性超声检测结果
建立非线性超声系数与构件损伤程度的关系，利用非线性超声系数来定量判断构件的损伤程度。本实用新型装置适用于直角构件缺陷损伤的非线性超声检测，并具备高准确度。该本实用新型的应用范围并不局限于本实施例，只要普通技术人员在本领域内以本实用新型的基本构思进行简单的替换、变化和修改，而缺乏创造性思维，均应被视为该本实用新型的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于非线性超声的直角构件缺陷检测装置，其特征在于：
包括探头检测组件，放置在测试台上；
包括测试机构，依次经阻抗匹配器、衰减器、低通滤波器后连接探头检测组件的输入端，依次经前置放大器、带通滤波器、双工器后连接探头检测组件的输出端；
包括示波器，与测试机构之间电连接；
所述的探头检测组件包括无裂纹探头检测组件和带裂纹探头检测组件；
所述的无裂纹探头检测组件包括超声波激励直探头(1)、无裂纹直角构件(2)和超声波接收直探头(3)；无裂纹直角构件(2)是由两个第一条形板拼接形成的横截面为L形的一体式结构，两个第一条形板相互垂直且厚度相同，超声波激励直探头(1)和超声波接收直探头(3)分别设置在无裂纹直角构件(2)的两侧，超声波激励直探头(1)和超声波接收直探头(3)的轴线在同一直线上；
所述的带裂纹探头检测组件包括带裂纹直角构件(4)、超声波激励探头斜楔(5)、超声波激励斜探头(6)、超声波接收斜探头(7)和超声波接收探头斜楔(8)；带裂纹直角构件(4)是由两个第二条形板拼接形成的横截面为L形的一体式结构，两个第二条形板相互垂直且厚度相同，带裂纹直角构件(4)中带有裂纹(9)；超声波激励探头斜楔(5)和超声波接收探头斜楔(8)分别设置在带裂纹直角构件(4)的两侧，超声波激励斜探头(6)和超声波接收斜探头(7)分别固定在超声波激励探头斜楔(5)和超声波接收探头斜楔(8)上，使得超声波激励斜探头(6)发出的超声波经过裂纹(9)后再由超声波接收斜探头(7)进行接收。
2.根据权利要求1所述的一种基于非线性超声的直角构件缺陷检测装置，其特征在于：所述的低通滤波器与超声波激励直探头(1)或超声波激励斜探头(6)连接，双工器与超声波接收直探头(3)或超声波接收斜探头(7)连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于非线性超声的直角构件缺陷检测装置，其特征在于：所述的一个第一条形板水平放置在测试台上，另一个第一条形板与测试台垂直，超声波激励直探头(1)和超声波接收直探头(3)分别连接在与测试台垂直的第一条形板的两侧，超声波激励直探头(1)和超声波接收直探头(3)之间的距离等于第一条形板的厚度。
4.根据权利要求1所述的一种基于非线性超声的直角构件缺陷检测装置，其特征在于：所述的一个第二条形板水平放置在测试台上，另一个第二条形板与测试台垂直，超声波激励探头斜楔(5)连接在与测试台水平的第二条形板内侧面上，超声波接收探头斜楔(8)连接在与测试台垂直的第二条形板外侧面上，超声波激励斜探头(6)的轴线与超声波激励探头斜楔(5)的斜面垂直，超声波接收斜探头(7)的轴线与超声波接收探头斜楔(8)的斜面垂直。
5.根据权利要求1所述的一种基于非线性超声的直角构件缺陷检测装置，其特征在于：所述超声波激励探头斜楔(5)斜面和超声波接收探头斜楔(8)斜面的角度θ1按照以下公式确定：
sinθ1/sinθ2＝c1/c2
其中，θ2为超声波从超声波激励探头斜楔(5)入射到带裂纹直角构件(4)的折射角，c1为超声波激励探头斜楔(5)和超声波接收探头斜楔(8)的声速，c2为无裂纹直角构件(2)的声速。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |