专利名称：超声波轮式探头的制作方法
技术领域：
本发明涉及超声波检测装置，尤其涉及一种用于机动探伤车的超 声波轮式探头。
背景技术：
超声波探伤设备广泛运用于多个技术领域，超声波探伤的原理
是超声波在被检测材料中传播时，由于材料内部损伤导致的材料声学 特性和内部组织的变化对超声波的传播会产生一定的影响，通过对超 声波受影响程度和状况的探测，了解材料性能和结构变化。
在铁路系统对铁轨进行检测的过程中，也可以利用超声波对铁路 钢轨进行检测，探测铁轨中的损伤(如裂紋)情况以便在钢轨断裂之 前采取4普施防患于未然。
在现有的铁轨探伤设备中，通常包括探头，在本申请中提及的探 头即超声波换能器，探头可以将电脉冲转化为超声波，也可将超声波 转化成电脉冲。探头的发射角度不同，而从各组探头发射出的超声波 经过介质传入铁轨后发生折射的角度也不同，通常，用折射角的角度 来区别各组探头，经常采用的是0度探头、45度探头、70度探头。 其中折射角是指超声波在铁轨中传播方向与铁轨垂直方向的夹角。两 个70度探头用于检测钢轨的头部，45度探头用于检测钢轨的腰部(如 钢轨连接部的螺孔处)，0度探头则用于检测钢轨的底部。
有一种机动超声探伤车，该车具有两个探测轮，每个探测轮中包 括两组不同折射角度的探头， 一组探测车轮前方的铁轨状况，其包括 一个45度探头和一个70度探头，两个探头指向车轮前方。另一组包 括一个45度探头和一个70度探头，两个探头指向车轮后方，用于探 测车轮后方的铁轨状况。
这种机动探测车的探头分别安装在两个探测轮中，并且探测轮中 可以注有液体，以利于超声波传导，超声波透过探测轮中的液体后，
3再传导入钢轨来4笨测钢轨中的损伤。
超声波进入钢轨后，由于轮中液体和钢轨属于两种不同的介质， 超声波从液体进入钢轨后会发生折射，折射角是指折射波束与垂直方 向的夹角。
根据声学的折射原理，钢轨里的超声波束的角度是 P= arcsin(Vsteel / V脇承sin(a))
其中，a为入射角，p为折射角，VfMd是超声波在液体(即耦合 介质)中的传播速度；V^d是超声波在钢轨中的传播速度；入射角是 入射波束与垂直方向的夹角。
根据上述计算公式，可以通过以预定角度折射超声波来探测铁轨 预定部位的损伤情况。
可以看出，这种机动探测车不仅集成化程度较低、车辆整体机械
尺寸较大，更重要的是，由于超声波在液体中的传播速度Vfluid受温度
的影响很明显，因此超声波波束在铁轨中的折射角会随温度的变化而 有较大变化，从而难以准确地对铁轨的预定部位进行探测。
发明内容
针对上述现有技术的缺陷，本发明的目的是提供了 一种能够克服 液体中声速变化导致漏检(例如，伤在钢轨中，但是探头没有找到)的 超声波轮式探头。
本发明提供的用于探伤车的超声波轮式探头包括多个超声波换 能器、支架、耦合介质和耦合介质容器，其中，支架通过支架轴与所 述^:伤车连接，所述支架与阶梯块连接，所述阶梯块具有多个与水平 方向成预定角度的斜面，在每个斜面上安装多个超声波换能器，超声 波换能器和支架位于耦合介质容器内部，所述耦合介质容器为轮状， 在所述耦合介质容器中充有耦合介质，超声波换能器和支架浸在耦合 介质中。
其中，所述阶梯块具有五个不同角度的斜面，所述斜面中包括两 个使超声波在铁轨中折射角为65-70度的斜面、两个使超声波在铁轨中折射角为37-45度的斜面，以及一个使超声波在铁轨中折射角为0 度的斜面，在五个斜面上安装有多个超声波换能器。其中使超声波在 铁轨中折射角为65-70度的斜面上安装有三个超声波换能器，所述三 个超声波换能器分别用于检查钢轨头部的内侧、中部和外侧。
安装有多个超声波换能器是将超声波压电片贴在斜面上，再在压 电片上覆盖背衬材料。
可选择地，安装有多个超声波换能器是将超声波换能器的外壳与 斜面螺接，所述外壳和斜面上具有螺紋。
所述支架轴分为两段，支架两边分别与支架轴的一段连接。所述 支架为拱形，所述阶梯块安装在拱形支架的底面。
对比现有技术，将多个探头集中安装在一个轮胎内可以使信号及 图像更易于被操作员理解和判断，减少误判。本发明中使用塑料阶梯 块作为超声波换能器的支撑体的超声探头，利用超声波二次折射，克
点，使超声波探伤更加稳定可靠<
图1是超声探伤车上安装轮式探头的机械架子的示意图； 图2是本发明实施方式的超声波轮式探头的原理示意图； 图3是本发明的实施方式中阶梯块、支架与轮轴的结构及连接示 意图。
具体实施例方式
本发明提供超声波轮式探头适用于机动探伤车。机动探伤车和 轮式探头相关的部件包括机械架子底座1、导轨车轮2、超声波探头 包括多个超声波换能器3、支架4、耦合介质5，耦合介质容器6和阶 梯状塑料块7。如图l所示，本发明的超声波探头是探伤车，可以看 到，在底座1下方安装有两个导轨车轮2，导轨车轮2可以沿铁轨滚 动，从而使机动探伤车在铁轨上运动。在两个导轨车轮2中间，安装有一个轮状容器6，主要的超声波发射、检测元件就安装在该轮状容 器6中，该轮状容器6中充有耦合介质5。轮状容器6与铁轨表面接 触，并且也可以在铁轨上滚动。在前轮的连接有一个刷子，用于在轮 状容器6和铁轨之间提供水线，以有利于超声波传导进铁轨。刷子同 时有清理轨面的作用。
其中，超声波换能器3可以根据实际应用采用任何适合的换能器， 这里将图中在钢轨中产生70度折射角的超声波束的超声波换能器称 为70度探头，在钢轨中产生45度折射角波束的超声波换能器称为45 度探头，在钢轨中产生垂直向下波束的超声波换能器称为0度探头。 如图所示，折射角是在铁轨中折射的波束与垂直方向的夹角。由于70 度探头产生的波束集中在铁轨上部，因此，70度探头主要用来检测钢 轨头部的损伤。同理45度探头主要用来检测钢轨腰部的损伤，0度探 头主要用来检测钢轨底部的损伤及在任何部位的水平裂紋。
因为钢轨头部的损伤很多是以15度 25度倾斜，当70度的超声 波束能够垂直入射到所述损伤上时，对于以上述角度倾斜的损伤反射 信号较强，易于检测到，另外，超声波换能器3的折射角度也可以设 置在65-70度之间。45度的探头在钢轨产生的45度波束主要用来检 测钢轨腰部的损伤，例如钢轨连接处螺孔的裂紋。也可以采用折射角 略微小一些的波束角度，例如，超声波换能器3的折射波束角度范围 可以设置在37-45度之间。同样地，O度探头在钢轨中产生竖直向下 的超声波束，主要用来检测钢轨中的水平裂紋因为水平裂紋和竖直向 下的超声波束垂直。当超声波束和螺孔裂紋垂直时上述水平裂紋的反 射信号最强，最易于检测到。
耦合介质5又称耦合剂，通常是液体，在超声检测技术中，为了 使超声波传导更加容易，需要在发射端和探测目标之间填充耦合介 质。可以采用多种适合的液体作为耦合介质5,优选地，在本实施方 式中，采用水作为耦合介质。
耦合介质5填充在耦合介质容器6中，耦合介质容器6通过轴8 与车体连接，所述耦合介质容器6优选为轮状，以便在铁轨上滚动。例如在本实施方式中，该容器6为一个塑料轮胎，该塑料轮胎通过轴 与车体连接，并可以随小车的运动在铁轨上滚动。塑料轮胎中充满耦 合介质5，其他部件3， 4, 7都浸在耦合介质5中。超声波探伤车上 还具有注水口，注水口与车体2连接，用于向轮胎和铁轨之间注水以 便形成水线，从而有利于超声波的耦合。优选地，塑料轮胎的壁足够 薄，使之对超声波导入铁轨的影响尽可能小。
图2是本发明的实施方式的超声波探头的原理示意图。在本实施 方式中，阶梯型塑料块7安装在拱形的金属支架4下面(金属支架4 在图2中没有显示，请参看图3),在该塑料块7上安装超声波换能器 3。塑料块7的安装表面加工成不同角度的阶梯，将超声波换能器3 的压电片直接粘贴在塑料块的阶梯上，再在压电片上覆盖背衬材料。 也可以选择通用的可旋转的超声波换能器3，这种换能器换能器的外 壳上具有螺紋，所述斜面上相应地也具有螺紋，安装多个超声波换能 器是将超声波换能器的外壳与斜面螺接。优选地，在本实施例中使超 声波在铁轨中折射角为65-70度的斜面上安装有三个超声波换能器， 所述三个超声波换能器分别用于检查钢轨头部的内侧、中部和外侧。 然后，将整个阶梯塑料块7、支架4、超声波换能器3组件放置在介 质容器6，即轮胎中。轮胎中充有水，水作为超声波的耦合介质，所 述组件浸泡在水中。当超声波换能器3产生振动发出超声波后，超声 波首先直接导入塑料阶梯块，然后从塑料阶梯块7传入水中，最后， 超声波从水中导入钢轨。
根据声学原理，在超声波束进入钢轨之前将有两次折射，第一次 折射是从塑料块进入耦合介质发生的折射，折射角为
(3 = arcsin(Vfluid/Vplastic* sin(a)) (1)
第二次折射是从耦合介质进入钢轨发生的折射，折射角为
(i = arcsin(Vsteel/V脇* sin(p)) (2) 把公式(l)代入公式(2)就得到，
p = arcsin(Vsteei/ Vplastic*sin(a)) (3)
其中公式(3)里的)Ll是超声波在钢轨里的折射角，它只由钢轨中的超声波速度Vsteel、塑料中超声波的速度V一tic及塑料阶梯与垂直方向
的角度a决定，而与轮胎里液体的因素无关，由于Vsteel和Vplastic受 温度的影响很小，因此可以认为最终钢轨中超声波的折射角不受温度 的影响。
本实施方式中阶梯的材料可以采用塑料，但也可以采用其他超声 波传声性能好的材料，比如有机玻璃等。
图3是本发明的实施方式中阶梯块、支架与轮轴的连接示意图。 该示意图包括连接结构中A-A剖面的剖视图，如图所示，部件包括金 属支架4、塑料阶梯块7和支架轴8。其中，如图所示，金属支架4 为弯曲的"屋顶"形的拱形支架，支架4与支架轴8连接，所述支架 轴8分为两段，两段轴中间可以使超声波通过。支架4中部的两边分 别通过螺丝与支架轴8的其中一段连接。从A-A剖面图上可以看出， 金属支架4在轴线上具有U型槽。有预定角度阶梯面的塑料块7用螺 丝安装在拱形金属支架4下面。屋顶形金属支架4的中部两侧用螺丝 安装到轴8上。塑料块7芯部是中空的，可以直接在阶梯的斜面上固 定超声波换能器3或在斜面上粘贴超声波压电片，然后填充背衬材料。
尽管本发明是结合上述的优选实施方式进行描述的，但其实现并 不局限于上述的实施方式，应该认识到，在不脱离本发明精神实质和 范围的情况下，本领域技术人员可以对本发明做出不同的变化和修 改。
权利要求
1、一种用于机动探伤车的超声波轮式探头，其特征在于，包括多个超声波换能器、支架、耦合介质和耦合介质容器，其中，支架通过支架轴与所述机动探伤车连接，所述支架与阶梯块连接，所述阶梯块具有多个与水平方向成预定角度的斜面，在每个斜面上安装超声波换能器，超声波换能器和支架位于耦合介质容器内部，所述耦合介质容器为轮状，在所述耦合介质容器中充有耦合介质，超声波换能器和支架浸在耦合介质中。
2、 根据权利要求1所述的超声波轮式探头，其特征在于，所述阶梯 块具有五个不同角度的斜面，所述斜面中包括两个使超声波在铁轨中折 射角为65-70度的斜面、两个使超声波在铁轨中折射角为37-45度的斜面， 以及一个使超声波在铁轨中折射角为0度的斜面，在五个斜面上安装有 多个超声波换能器。
3、 根据权利要求2所述的超声波轮式探头，其特征在于，其中使超 声波在铁轨中折射角为65-70度的斜面上安装有三个超声波换能器，所述 三个超声波换能器分别用于检查钢轨头部的内侧、中部和外侧。
4、 根据权利要求1-3中任何一项所述的超声波轮式探头，其特征在 于，安装有多个超声波换能器是将超声波压电片贴在斜面上，再在压电 片上覆盖背衬材料。
5、 根据权利要求1-3中任何一项所述的超声波轮式探头，其特征在 于，安装有多个超声波换能器是将超声波换能器的外壳与斜面螺接，所 述外壳和斜面上具有螺紋。
6、 根据权利要求l所述的超声波轮式探头，其特征在于，所述支架 轴分为两段，支架两边分别与支架轴的一段连接。
7、 根据权利要求6所述的超声波轮式探头，其特征在于，所述支架 为拱形，所述阶梯块安装在拱形支架的底面。
全文摘要
本发明公开了一种用于机动探伤车的超声波轮式探头，其中，支架通过支架轴与所述探伤车连接，所述支架与阶梯块连接，所述阶梯块具有多个与水平方向成预定角度的斜面，在每个斜面上安装一个或多个超声波换能器，超声波换能器和支架位于耦合介质容器内部，在所述耦合介质容器中充有耦合介质，超声波换能器和支架浸在耦合介质中。本发明中使用塑料阶梯块作为超声波换能器的支撑体的超声探头，利用超声波二次折射，克服了液体声速随温度变化而引起钢轨中超声波折射角度变化的缺点，使超声波探伤更加稳定可靠。
文档编号G01N29/24GK101320019SQ200710109439
公开日2008年12月10日 申请日期2007年6月21日 优先权日2007年6月7日
发明者罕 章 申请人:罕 章