专利名称：一种超声自适应跟踪扫描阵列换能器的制作方法
技术领域：
本发明属于无损检测技术，涉及一种用于航空、航天、电子、兵器、船舶、冶金、钢铁、交通、建筑等领域中大型复合材料及金属材料结构超声自动化扫描无损检测的超声自适应跟踪扫描阵列换能器。
背景技术：
超声脉冲垂直纵波反射/穿透法是目前国际上采用的重要无损检测方法，已在航空、航天、电子、兵器、船舶、冶金、钢铁、交通、建筑等领域广泛应用，并广泛用于复合材料的无损检测。换能器是超声检测关键单元，主要用于发射/接收超声波，检测过程中必须保证换能器产生声波的入射方向与零件被检测点法线方向一致，才能实现超声波的正常发射/ 接收。通常需要对复合材料等结构进行100%全覆盖扫查检测，检测效率与换能器单位时间内完成的扫描面积紧密联系；对结构件的检测能力与换能器整体结构特性直接有关；表面检测盲区和分辨率与超声换能器声学特性密切有关。目前，用于复合材料等材料和结构的超声换能器主要是采用压电材料作为声学单元，将换能器设计成刚性结构实体，其自身无姿态和作用距离的调节能力，扫描检测过程中，声波入射方向是通过改变换能器整体姿态和作用距离来实现；换能器姿态和作用距离的调节方式有人工手动扫查方式和机械自动扫描两种；换能器的自动扫描，需要针对被检测复合材料等结构表面形面的几何特征，通过设计专门的扫描机构和数控设备，解决扫查过程中超声换能器的姿态调节和换能器与被检测零件表面之间距离的调节，以保证入射声束与每个被检测位置点的法线方向一致；目前工程上，用于复合材料等结构无损检测的换能器以单个声学单元为主，表面检测盲区在0. 5-1. Omm(而复合材料单个铺层厚度仅有 0. 13mm)；对于金属材料超声检测，近年也推出了超声相控阵换能器，其换能器中各个阵列元以线或面方式布局，但仍属刚性换能器，其自身没有姿态和距离调节能力，因接触耦合困难、表面检测盲区大等技术原因，尚未在大型复合材料结构超声检测中得到工业级推广应用。现有用于无损检测的超声换能器是采用刚性设计方法，将换能器设计成为一个独立的刚性机械器件，其发射/接收声波的方向是固定的，当被检测复合材料等结构形面变化需要改变声波入射方向时，则只能通过改变换能器的姿态和接近距离，实现检测声波的发射/接收。由于通常复合材料等结构属不规则三维空间自由形面，换能器是刚性结构实体，其自身没有姿态和距离自适应能力。因此，至少需要5轴联动的复杂扫查机械和数控系统，才能现实扫面过程中，换能器的姿态和接近距离调节。当被检测零件形面越复杂，要求采用的数控系统和扫描机构越复杂、实现起来越困难、工程适用性越差，检测效率越低，技术成本异常高。目前工程上用于大型复合材料等结构超声检测的换能器采用单个声学通道，在自动扫描过程中，其自身不能根据被检测复合材料等结构几何特征的突变，如开孔和边界等， 进行自适应调节。不能适应飞机等领域曲面复合材料跟踪扫查。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有姿态和距离自适应调节能力的超声自适应跟踪扫描阵列换能器。本发明的技术解决方案是，换能器包括探头靴防护罩、探头靴支架、探头靴底座、自适应超声换能器单元、耦合水路，探头靴防护罩和探头靴支架置于探头靴底座的上，探头靴防护罩与探头靴支架相接，探头靴支架的顶部设有与外部超声自动扫描系统连接的连接器；自适应超声换能器单元按照单个自适应超声换能器单元的声束作用面积a所覆盖的区域排列安装在探头靴底座上，其排列的方式为己XP。阵列，其中，r = 1，2，-r,c =1，2，…c，第P11自适应超声换能器单元置于探头靴底座的左下角，第Plc;自适应超声换能器单元的中心距离探头靴底座右边边缘距离为c倍的声束作用面积a，第P21的自适应超声换能器单元的中心与探头靴底座的左边边缘距离为一个自适应超声换能器单元的声束作用面积a，第P31的自适应超声换能器单元的中心与探头靴底座的左边边缘距离为加，第Pm 的自适应超声换能器单元置于探头靴底座的右上角；探头靴底座下板面上每行自适应超声换能器单元之间设置一根耦合水路管，每根耦合水路管的上侧开有2个进水口，耦合水路管的下侧开有均布的出水细孔，耦合水路管的进水口与水路分配器的出水口连接，水路分配器上的分配器进水口与外部水源相接；所述的自适应超声换能器单元包括万向摆角复位器、复位器压板、探头靴、超声换能器垂直运动复位器、超声换能器垂直运动滚道、超声换能器、万向摆角关节、超声换能器耦合腔、接触头固定套、弹性圈、胶囊、超声换能器安装套、超声换能器扫查仿形触头，万向摆角复位器通过复位板安装在探头靴底座上方，探头靴固定在探头靴底座的下方，超声换能器垂直运动滚道采用滚珠轴承套结构，置于探头靴的腔体内，超声换能器垂直运动复位器套接在换能器上，超声换能器的上方伸出探头靴顶部，超声换能器的下部通过接触头固定套与超声换能器安装套螺纹连接，并置于万向摆角关节中形成一个整体置于超声换能器垂直运动滚道中，超声换能器的下端与超声换能器耦合腔螺纹连接，超声换能器耦合腔内部充满水，橡胶胶囊套在超声换能器耦合腔的外部，并通过弹性圈锁紧密封，超声换能器扫查仿形触头通过接触头固定套与超声换能器安装套连接。所述的探头靴支架的两侧各安装一个CCD支架，每个CCD支架的端头安装一个 CCD。所述的探头靴底板的四周安装探头靴侧板，每块探头靴侧板上方的2个角的位置上各安装一个激光传感器。所述的自适应超声换能器单元排列根据所选配超声阵列换能器单元的几何特征和声学特性，沿着换能器扫描方向，按声场覆盖的原则进行布局。所述的自适应超声换能器单元的阵列数随检测面积的大小增加或减少，增加或减少为按8或10的倍数。所述的自适应超声换能器单元的换能器根据被检测零件的材料及其特点进行更换。所述的耦合水路管、水路分配器、分配器进水口、分配器出水口根据配备的阵列超声换能器的通道数增加。本发明具有的优点和有益效果，1.本发明采用多通道超声阵列换能器，提高单位时间内的扫描面积，极大地提高了复合材料等构件检测效率，检测效率可以比传统的单通道超声自动扫描检测设备成数量级的提高，在20通道检测时，而比手工扫查检测效率至少提高50倍，比传统单通道超声自动扫描检测提高20倍。本发明专利通过提高单位时间的声束扫描面积，将若干个换能器单元按一定的声场覆盖法则，进行声束扫描布局，将N个换能器单元集成在一起，构成柔性阵列式超声换能器，每个换能器单元都能独立地根据其所在的被检测零件表面形面几何曲率进行姿态和距离自适应调节，而不需要复杂的数控系统和扫查机构进行曲面扫描控制，使复合材料等结构自动扫描检测效率至少提高1个数量级以上，且特别适合用于大型复合材料等结构快速检测。2.本发明采用柔性阵列超声自适应跟踪换能器，使每个超声换能器阵列单元都可以独立地根据被检测零件表面形面进行姿态和距离自适应调节，实现形面自适应跟踪仿形，从而保证每个阵列换能器单元都能独立地根据被检测复合材料零件表面的形面几何特征，进行自适应姿态和接触距离调节，使入射声波方向与其所在的当前检测位置点的法向方向一致，获取最佳的声波发射/接收角度，进行正常的超声扫描检测，而无需要复杂数控系统的CAD、示教、仿形测量等超低效率的扫描轨迹生成过程与控制，大大地降低了检测设备的技术成本。本发明通过柔性机械设计，将换能器设计成具有姿态和距离自适应调节能力，在扫查过程中，换能器根据被检测复合材料等零件表面形面自动进行360°偏摆(即姿态调节)和声波入射方向(轴向)距离调节，实现对被检测零件自由三维空间形面自适应跟踪，使探头靴中的每个换能器阵列单元都能根据被检测复合材料结构中的开口、边缘、厚度变化等，在自动扫描过程中进行自适应爬越，从而实现对大型复合材料等结构的平稳检测和边缘部位的自动检测。3.本发明在各个换能器与被检测复合材料零件表面之间设计采用独特的软膜水膜自耦合技术，只需将被检测复合材料等结构表面刷湿即可，保证在自动扫描过程中，使每个超声阵列换能器单元与零件表面之间自动形成耦合水膜，构成声波传播通道，而又无需专门的水过滤设施，也又无需专门的水回收和清洁过滤。既实现了扫描过程中换能器的耦合难题。本发明为飞机等工业生产中大型复合材料及金属材料超声高效自动扫描成像检测，提供了一种以实现飞机等工业批生产中大型复合材料及金属材料结构的超声高效自动扫描成像检测，提高检测效率，降低大型复合材料等结构超声自动扫描成像检测设备的技术成本。
图1是本发明超声自适应跟踪扫描阵列换能器装配示意图；图2是本发明超声自适应跟踪扫描阵列换能器自适应超声换能器单元布局(俯视)实施例示意图；图3是本发明自适应超声换能器单元结构示意图。
具体实施例方式换能器包括探头靴防护罩2、探头靴支架3、探头靴底座7、自适应超声换能器单元 9、耦合水路10，探头靴防护罩2和探头靴支架3置于探头靴底座7的上，探头靴防护罩2 与探头靴支架3相接，探头靴支架3的顶部设有与外部超声自动扫描系统连接的连接器1 ；自适应超声换能器单元9按照单个自适应超声换能器单元9的声束作用面积a所覆盖的区域排列安装在探头靴支架3上，其排列的方式为己XP。阵列，其中，r = 1,2,…r，c = 1， 2，…c，第P11自适应超声换能器单元9置于探头靴底座7的左下角，第Plc;自适应超声换能器单元9的中心距离探头靴底座7右边边缘距离为c倍的声束作用面积a，第P21的自适应超声换能器单元9的中心与探头靴底座7的左边边缘距离为一个自适应超声换能器单元 9的声束作用面积a，第P31的自适应超声换能器单元9的中心与探头靴底座7的左边边缘距离为加，第Pre的自适应超声换能器单元9置于探头靴底座7的右上角；探头靴底座7下板面上每行自适应超声换能器单元9之间设置一根耦合水路管10，每根耦合水路管10的上侧开有2个进水口 11，耦合水路管10的下侧开有均布的出水细孔，耦合水路管10的进水口 11与水路分配器13的出水口 14连接，水路分配器13上的分配器进水口 12与外部水源相接；所述的自适应超声换能器单元9包括万向摆角复位器16、复位器压板17、探头靴15、超声换能器垂直运动复位器18、超声换能器垂直运动滚道19、超声换能器20、万向摆角关节 21、超声换能器耦合腔22、接触头固定套23、弹性圈M、胶囊25、超声换能器安装套沈、超声换能器扫查仿形触头27，万向摆角复位器16通过复位板17安装在探头靴底座7上方，探头靴15固定在探头靴底座7的下方，超声换能器垂直运动滚道19采用滚珠轴承套结构，置于探头靴15的腔体内，超声换能器垂直运动复位器18套接在换能器20上，超声换能器20 的上方伸出探头靴15顶部，超声换能器20的下部通过接触头固定套23与超声换能器安装套沈螺纹连接，并置于万向摆角关节21中形成一个整体置于超声换能器垂直运动滚道19 中，超声换能器20的下端与超声换能器耦合腔22螺纹连接，超声换能器耦合腔22内部充满水，橡胶胶囊25套在超声换能器耦合腔22的外部，并通过弹性圈M锁紧密封，超声换能器扫查仿形触头27通过接触头固定套23与超声换能器安装套沈连接。超声阵列换能器在外部扫描机构作用下，实现对被检测零件的“宏观”扫描，每个阵列换能器单元都可以独立地根据零件当前检测点位置形面，进行单独的姿态和接触距离自适应调节，从而使每个阵列换能器单元都能自动的获取与零件当前检测位置点方向一致的声波入射路径，保证超声波的发射/接收，而不需要通过复杂的扫描机构和数控系统进行复杂的运动编程、示教控制、测量仿形，即可实现大型翼类复合材料结构及金属材料板类结构的快速高效超声自动化扫描成像检测。①连接器1 是整个超声自适应跟踪阵列换能器与外部超声自动扫描系统的机械连接接口，通过连接器1上面的4标准螺纹孔，将超声自适应跟踪阵列换能器与外部超声自动扫描机构的Z轴相连，实现自动扫描检测。②探头靴防护罩2 为整个超声自适应跟踪阵列换能器提供外部防护和封装，通过活动荷叶与探头靴支架3相连。③探头靴支架3 与探头靴底板7和连接器1通过螺栓相连，同时为探头靴防护罩 2提供安装面，使超声自适应跟踪阵列换能器通过连接器1构成完整的连接体。④探头靴底座7:用于固定和安装各个超声阵列换能器，是探头靴和超声自适应跟踪阵列换能器各个部分的机械支撑体。⑤自适应超声阵列换能器单元9 (1)万向摆角复位器16 采用定制的弹性圈加工而成，通过复位板17安装在探头靴底座7上，由于弹性作用，其内侧可以随着换能器20的姿态变化在水平面360°径向范围伸缩，从而使每个超声阵列换能器单元都能随其所在的零件表面位置的形面产生径向摆动和支撑作用，与超声换能器垂直运动复位器18、万向摆角关节21、超声换能器扫查触头一起，完成各个超声阵列换能器单元的姿态自适应调节。(2)复位器压板17 用于固定万向摆角复位器16，使其与探头靴底座固连。(3)探头靴底座7 每个超声阵列换能器单元通过探头靴安装在此探头靴底座上。(4)探头靴15 采用不锈钢材料加工而成，通过其上面标准螺钉孔与探头靴底座7 连接。(5)超声换能器垂直运动复位器18 采用弹性材料制成，位于探头靴内的万向摆角关节21的上方，为超声换能器20提供一个合适的向下压力，保证换能器扫查触头27沿 Z方向始终与被检测零件当前表面有轻微的接触，并通过换能器扫查触头17自动地实现换能器姿态自适应调整和仿形。(6)超声换能器垂直运动滚道19 设计采用滚珠轴承套结构，置于探头靴15中，形成换能器20上下运动的滚道。自动扫描过程中，当某个换能器20所在位置的零件表面在垂直方向发生变化时，通过超声换能器扫查触头27传递给换能器20，并自动使换能器20进行上下距离自适应调节，自适应距离范围由滚道19确定，一般0-80mm。(7)超声换能器20 对于复合材料检测，设计采用北京航空制造工程研究所生产的FJ系列高分辨率微盲区复合材料超声换能器(表面检测盲区达到单个复合材料铺层的厚度，约0. 13mm)，通过与超声换能器安装套沈螺纹连接，与万向摆角关节21形成整体，位于超声换能器垂直运动滚道19中。自动扫描过程中，当某个换能器20所在位置的零件表面在垂直方向发生变化时，通过超声换能器扫查触头27传递给换能器20，并自动使换能器 20进行上下距离自适应调节，自适应距离范围由滚道19确定。(8)万向摆角关节21 设计采用轴承结构，通过接触头固定套23，与超声换能器安装套26固定，通过超声换能器安装套沈，与超声换能器20固定形成姿态和距离调节的整体。自动扫描过程中，当某个换能器20所在位置的零件表面形面发生变化时，超声换能器扫查触头27在复位器18和零件表面共同作用下，通过与当前位置的零件形面接触仿形，传递给万向摆角关节21，并使换能器20自适应地产生姿态调节，调节范围由万向摆角复位器 16确定。(9)超声换能器耦合腔22 与超声换能器20通过螺纹连接，内部充满水，外部由橡胶胶囊25和弹性圈M密封，在其内部形成声波耦合水囊，为换能器提供声波耦合通道。(10)接触头固定套23 通过螺纹与换能器安装套沈相连，通过其内螺纹使万向摆角关节21在轴向与换能器20固连，同时为超声换能器扫查触头27提供螺纹连接接口。(11)弹性圈M 设计采用弹性橡胶定制而成，套在超声换能器耦合腔22外部，使胶囊25与超声换能器耦合腔22锁紧密封。(12)胶囊25 设计采用桂橡胶定制而成，套在超声换能器耦合腔22外部，并通过弹性圈M锁紧密封。(13)超声换能器安装套沈通过螺纹与换能器20固连，并通过接触头固定套23 螺纹锁紧，与万向摆角关节21构成一体。(14)超声换能器扫查仿形触头27 设计采用软质材料定制而成，通过螺纹方式与接触头固定套23连接，在阵列超声换能器自动扫描过程中，在超声换能器垂直运动复位器18和阵列换能器单元自身重力作用下，扫查触头27始终与零件表面接触，获取所需调节的姿态和距离。自适应超声阵列换能器单元9可以根据实际检测应用情况增加换能器的阵列数， 一般按8或10的倍数增加。自适应超声阵列换能器单元布局根据所选配超声阵列换能器单元的几何特征和声学特性，沿着换能器扫描方向， 按声场覆盖的原则进行布局，以形成有效的声束覆盖面积，如图2所示，图中a为单个超声阵列换能器晶片直径；每个自适应超声阵列换能器单元通过图3中探头靴15与探头靴底座7相连接，可以由rXc个自适应超声阵列换能器单元构成，这里r = 1,2,3,4, ...，r——代表行，c = 1,2,3,..., c——代表列，Prc——代表第r行第c列自适应超声阵列换能器单元。各个自适应超声阵列换能器单元按照声束作用面积进行覆盖布局，声束作用面积 a(即超声换能器20所采用的声波发射/接收晶片直径或者长度)根据所选用的超声换能器20确定，例如，当选用由北京航空制造工程研究所生产的FJ-I系列超声换能器时，a = 7. 5mm，r的最大值为5，以20个此自适应超声阵列换能器单元为例，r = 5, C = 4，其布局如图2所示，P11位于图2中探头靴底座7的左下角，P54位于图2中探头靴底座7的右上角， 依次排列，构成5X4的自适应超声阵列换能器，P11和P54距探头靴底座7的边缘距离约为 0. 8a。每行自适应超声阵列换能器单元等距分布，每列自适应超声阵列换能器单元等距分布。自适应超声阵列换能器布局方式以5X4的自适应超声阵列换能器为例，如图2 所示，第1行第1列自适应超声阵列换能器单元P11位于图2中探头靴底座7的左下角，第 1行第4列自适应超声阵列换能器单元P14位于图2中探头靴底座7的右下方，第2行第1 列自适应超声阵列换能器单元P21比P11缩进a毫米，其余3个自适应超声阵列换能器单元
亦依次缩进，按此规律依次在图2中探头靴底座7中从下往上排列第2行、第3行.....第
5行。在每行自适应超声阵列换能器单元之间均安装布置有耦合水路10，以形成声波耦合水膜。安装每个超声阵列换能器单元通过探头靴安装在探头靴底座7上；信号连接每个超声阵列换能器单元通过其信号接口及连接线与外部阵列超声单元连接，实现超声检测信号的反射/接收；距离自适应调节过程定义F1^ -第j个扫描位置时第i个探头靴中垂直运动复位器18产生的弹性力；第j个扫描位置时第i个探头靴中垂直运动复位器18、换能器20、万向摆角关节21、超声耦合腔22、接触头固定套23、超声换能器安装套沈和27的重力之和；巧-第j个扫描位置时第i个探头靴中超声换能器扫查仿形触头27受到来自被检测零件表面向上的推力。j = 0对应起始位置时。首先，阵列超声换能器通过外部扫描机构，移动到被检测零件扫描位置，并通过外部扫描机构，调节Z向距离，使每个阵列超声换能器均通过各自的扫查仿形触头27与被检测零件表面接触，通常调制^L位置，这里L为垂直运动滑道19的最大行程，对于翼类复合
材料等结构，一般设计为80mm即可满足要求，此时，阵列超声换能器的位置为自适应形面跟踪起始位置；在起始位置时，对于每个阵列换能器单元，均满足受力条件《 + Α〗 = ^1， 这里，起始位置时第i个探头靴中垂直运动复位器18弹性力，起始位置时第i个探头靴中垂直运动复位器18、换能器20、万向摆角关节21、超声耦合腔22、接触头固定套 23、超声换能器安装套沈和扫查仿形接触头27的重力之和，F1S°-起始位置时第i个探头靴中超声换能器扫查仿形触头27受到来自被检测零件表面向上的推力。显然，自动扫描过程中，fi是固定的，即，/^ = 。而对于曲面零件，^^和^将是变化的，因此，只要保持二者的平衡，即可保证每个探头靴中超声换能器触头与被检测零件标准有效声耦合接触。然后，在外部扫描机构的控制下，阵列超声换能器开始对被检测零件进行扫描，在扫描过程中(a)当第i个探头靴中的换能器所在检测点位置出现凸面曲率变化时，势必会造成^>巧〗+巧，原有的受力平衡被打破，则超声换能器扫查仿形触头27首先会感受到一个来自零件表面更大的向上推力巧，从而通过超声换能器扫查仿形触头27带动探头靴中的换能器20、万向摆角关节21和超声耦合腔22 —起沿垂直运动滑道向上运动，从而使垂直运动复位器18压缩，导致厂丨增加，直到满足^ 巧，扫查仿形接触头27达到新的受力平衡，第i个超声换能器与被检测零件表面的声波耦合距离调节结束；(b)当第i 个探头靴中的换能器所在检测点位置出现凹面曲率变化时，势必会造成^ < F1I + F；，则超声换能器扫查仿形触头27会在探头靴中垂直运动复位器18的弹性力/^和Fi=作用下，与探头靴中的换能器20、万向摆角关节21和超声耦合腔22 —起沿垂直运动滑道向下运动，直至超声换能器扫查仿形触头27与当前检测点零件表面接触，并导致巧1增加，直到重新满足 ^ = ^ + ^，超声换能器扫查仿形触头27达到新的受力平衡，第i个超声换能器与被检测零件表面的声波耦合距离调节结束。当被检测零件表面存在开口或者换能器移至零件边缘时，换能器会在外部扫描机构控制下，通过球形超声换能器扫查仿形触头27实现一定范围内突变边缘平滑爬越。由于每个阵列超声换能器单元都具有完全独立的接触距离自适应调节能力，因此，上述接触距离自适应调节过程完全由各个超声换能器根据其所在的位置灵活地自适应调节，而互不干扰。姿态自适应调节过程在自动扫描过程中，在^^和巧作用下，第i个超声换能器扫查仿形接触头27，始终与被检测零件表面保持耦合接触，通过扫查仿形接触头27感知被检测零件表面的形面，并由万向摆角关节21和万向摆角复位器16实现超声换能器姿态的自适应调节。例如，当曲率出现变化时，在巧、巧〗和巧作用下，扫查仿形接触头27下端仿形头与当前检测点位置零件形面贴合接触，对当前检测点位置零件表面进行仿形，获取超声换能器的姿态，并通过万向摆角关节21使超声换能器20自动调整到形接触头27感知的姿态，此时，万向摆角复位器16对换能器起到辅助姿态支撑和复位作用，从而实现第i个超声换能器的姿态自适应调节，使第i个超声换能器获取一个与当前零件检测点位置法线一致的声波入射方向。
由于每个阵列超声换能器单元都具有完全独立的姿态自适应调节能力，因此，上述姿态自适应调节过程完全由各个超声换能器根据其所在的位置灵活地自适应调节，而互不干扰。⑥耦合水路10 通过其上面的螺钉安装在探头靴底座7下方，均设在每相邻两排换能器之间，每个耦合水路上侧设计有2个进水口，下侧设计有均布的出水细孔，形成喷水帘，为阵列换能器在自动扫描过程中提供声波喷水耦合液膜，保证超声波在被检测零件中的发射/接收，耦合水路10通过进水口 11由塑料软管与水路分配器13出水口连接，形成耦合水源通路，可以根据配备的阵列超声换能器的通道数，增加耦合水路。⑦耦合水路进水口 11 下端与耦合水路10相连，上端塑料软管与分配器出水口相连，形成耦合水路的进水通道。⑧分配器进水口 12 —端与水路分配器13相连，另一端与外部水路相连，形成耦合供水通道，每个水路分配器上各有一个，共2两个，可以根据配备的阵列超声换能器的通道数，增加分配器。⑨水路分配器13 安装在探头底座7两斜对角位置，共2个，为6组耦合水路10分配耦合用水，可以根据配备的阵列超声换能器的通道数，增加水路分配器。⑩分配器出水口 14 每个水路分配器设计有10个出水口，通过塑料软管分别与各个耦合水路进水口 11相连，形成耦合供水通道，可以根据配备的阵列超声换能器的通道数，增加分配器出水口。加装CXD支架4、(XD5、探头靴侧板6、激光传感器8，超声阵列换能器Z向距离自动调节过程①CXD支架4 用于安装和固定微型CXD光电监视传感器，左右各一个，通过改变 (XD5与CXD支架4连接处的活动连接轴，调节(XD5的俯视角度，用于实时监视超声自适应跟踪阵列换能器单元及其工作状态。②(XD5 左右各一个，通过螺钉轴与CXD支架4连接，调节合适的(XD5俯视角度， 用于实时监视超声自适应跟踪阵列换能器在自动扫描过程中的工作状态，其信号输出通过连接线与外部的监视器相连，用于操作人员随时观察阵列换能器的工作情况。③探头靴侧板6 通过其上端的标准螺钉孔与探头靴底板7相连，安装在探头靴底板7侧面四周，同时为激光传感器和垂直方向(即Z轴方向)防撞开关提供机械安装面。
④激光传感器8 通过螺钉连接方式安装在探头靴侧板6的4个角的位置，共8个， 每个激光传感器的测量信号通过其接口及连接线与外部计算机测量单元相连，由外部计算机根据测量结果，实时控制Z轴电机驱动机构调节整个超声自适应跟踪阵列换能器与被检测零件表面之间的距离，用于自动扫描过程中，实时测量和控制整列换能器整体与被检测零件表面之间的“宏观”距离。 超声阵列换能器对被检测零件的扫描方式和扫描范围、扫描速度、扫描步进等由与其连接的外部扫描机构设置和控制。在扫描过程中，当整个超声阵列换能器与被检测零件表面之间的Z向距离Htl出现了超过阵列换能器自适应调节范围(Ltl由外部扫描机构控制系统设置)时，外部扫描机构的计算机控制系统会根据接收到来自超声阵列换能器上激光传感器距离测量信号，实时调节超声阵列换能器与被检测零件表面之间的Z向距离& (这里，Hj表示第j个扫描检测点位置，超声阵列换能器与被检测零件表面之间的Z向距离)
(a)当Hj > H0时，外部扫描机构控制与超声阵列换能器连接的Z轴伺服机构运动， 使超声阵列换能器产生向下移动，直到检测到Hj = Htl士 Ah( Ah为设置的容许偏差范围)；(b)当& < H0时，外部扫描机构控制与超声阵列换能器连接的Z轴伺服机构运动， 使超声阵列换能器产生向上移动，直到检测到Hj = Htl士 Ah。从而始终使超声阵列换能器与被检测零件表面之间的Z向距离保持在超声阵列换能器自适应调节范围内。超声阵列换能器声波耦合与监视过程在自动扫描检测过程中，由外部供水控制单元，通过给水回路，向超声阵列换能器的水路分配器12提供连续稳定的供水，在通过超声阵列换能器中的耦合水路10下端的微细出水口形成均布的喷水帘，将适量的水喷洒在超声阵列换能器所在的被检测零件表面， 在零件表面形成声波耦合水膜，此水膜与各个探头靴中的超声换能器耦合腔22 —起形成声波传播通道，从而实现检测声波的发射/接收。超声阵列换能器的工作状况可以通过其(XD5，由外部监视系统进行实时监测。
权利要求
1.一种超声自适应跟踪扫描阵列换能器，其特征是，换能器包括探头靴防护罩O)、探头靴支架(3)、探头靴底座(7)、自适应超声换能器单元(9)、耦合水路(10)，探头靴防护罩 (2)和探头靴支架(3)置于探头靴底座(7)的上，探头靴防护罩O)与探头靴支架(3)相接，探头靴支架C3)的顶部设有与外部超声自动扫描系统连接的连接器(1)；自适应超声换能器单元(9)按照单个自适应超声换能器单元(9)的声束作用面积a所覆盖的区域排列安装在探头靴底座(7)上，其排列的方式为Ρ,ΧΡ。阵列，其中，r = 1，2，-r,c = 1,2,…c， 第P11自适应超声换能器单元(9)置于探头靴底座(7)的左下角，第Plc;自适应超声换能器单元(9)的中心距离探头靴底座(7)右边边缘距离为c倍的声束作用面积a，第P21的自适应超声换能器单元(9)的中心与探头靴底座(7)的左边边缘距离为一个自适应超声换能器单元(9)的声束作用面积a，第P31的自适应超声换能器单元(9)的中心与探头靴底座(7) 的左边边缘距离为加，第Prc的自适应超声换能器单元(9)置于探头靴底座(7)的右上角； 探头靴底座(7)下板面上每行自适应超声换能器单元(9)之间设置一根耦合水路管(10)， 每根耦合水路管(10)的上侧开有2个进水口(11)，耦合水路管(10)的下侧开有均布的出水细孔，耦合水路管(10)的进水口(11)与水路分配器(1 的出水口(14)连接，水路分配器(1 上的分配器进水口(1 与外部水源相接；所述的自适应超声换能器单元(9)包括万向摆角复位器(16)、复位器压板(17)、探头靴(15)、超声换能器垂直运动复位器(18)、 超声换能器垂直运动滚道(19)、超声换能器(20)、万向摆角关节(21)、超声换能器耦合腔(22)、接触头固定套(23)、弹性圈(M)、胶囊(25)、超声换能器安装套(沈)、超声换能器扫查仿形触头(27)，万向摆角复位器(16)通过复位板(17)安装在探头靴底座(7)上方，探头靴(1 固定在探头靴底座(7)的下方，超声换能器垂直运动滚道(19)采用滚珠轴承套结构，置于探头靴(1 的腔体内，超声换能器垂直运动复位器(18)套接在换能器00)上， 超声换能器00)的上方伸出探头靴(1 顶部，超声换能器00)的下部通过接触头固定套(23)与超声换能器安装套06)螺纹连接，并置于万向摆角关节中形成一个整体置于超声换能器垂直运动滚道(19)中，超声换能器OO)的下端与超声换能器耦合腔0 螺纹连接，超声换能器耦合腔0 内部充满水，橡胶胶囊0 套在超声换能器耦合腔02)的外部，并通过弹性圈04)锁紧密封，超声换能器扫查仿形触头(XT)通过接触头固定套03) 与超声换能器安装套06)连接。
2.根据权利要求1所述的超声自适应跟踪扫描阵列换能器，其特征是，所述的探头靴支架(3)的两侧各安装一个CCD支架G)，每个CCD支架(4)的端头安装一个CCD。
3.根据权利要求1所述的超声自适应跟踪扫描阵列换能器，其特征是，所述的探头靴底板(7)的四周安装探头靴侧板(6)，每块探头靴侧板(6)上方的2个角的位置上各安装一个激光传感器(8)。
4.根据权利要求1所述的超声自适应跟踪扫描阵列换能器，其特征是，所述的自适应超声换能器单元(9)排列根据所选配超声阵列换能器单元的几何特征和声学特性，沿着换能器扫描方向，按声场覆盖的原则进行布局。
5.根据权利要求1所述的超声自适应跟踪扫描阵列换能器，其特征是，所述的自适应超声换能器单元(9)的阵列数随检测面积的大小增加或减少，增加或减少为按8或10的倍数。
6.根据权利要求1所述的超声自适应跟踪扫描阵列换能器，其特征是，所述的自适应超声换能器单元(9)的换能器00)根据被检测零件的材料及其特点进行更换。
7.根据权利要求1所述的超声自适应跟踪扫描阵列换能器，其特征是，所述的耦合水路管(10)、水路分配器(13)、分配器进水口(12)、分配器出水口(14)根据配备的阵列超声换能器的通道数增加。
全文摘要
本发明属于无损检测技术，涉及一种用于航空、航天、电子、兵器、船舶、冶金、钢铁、交通、建筑等领域中大型复合材料及金属材料结构超声自动化扫描无损检测的超声自适应跟踪扫描阵列换能器。换能器包括探头靴防护罩、探头靴支架、探头靴底座、自适应超声换能器单元、耦合水路。本发明采用多通道超声阵列换能器，提高单位时间内的扫描面积，极大地提高了复合材料等构件检测效率，检测效率可以比传统的单通道超声自动扫描检测设备成数量级的提高，在20通道检测时，而比手工扫查检测效率至少提高50倍，比传统单通道超声自动扫描检测提高20倍。
文档编号G01N29/24GK102279224SQ201110053880
公开日2011年12月14日 申请日期2011年3月8日 优先权日2011年3月8日
发明者刘松平, 刘菲菲, 孟秋杰, 张省, 曹正华, 李乐刚, 白金鹏, 谢富原, 赵林, 郭恩明, 马志涛 申请人:中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所